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钢箱梁数字化预制加工施工技术与应用研究

发表时间：2021/4/22 来源：《基层建设》2020年第33期作者：刘红

[导读] 摘要：随着社会经济的发展，对于桥的种类与技术难度要求越来越高，梁式钢桥是铁路、公路、市政桥梁的主要形式，特别对于钢箱桥的发展也是越来越快，加上钢结构的形状越来越复杂，跨度越来越大，对于此类工程的施工难度也越来越大。

        中铁三局集团有限公司运输工程分公司山西晋中 030600
        摘要：随着社会经济的发展，对于桥的种类与技术难度要求越来越高，梁式钢桥是铁路、公路、市政桥梁的主要形式，特别对于钢箱桥的发展也是越来越快，加上钢结构的形状越来越复杂，跨度越来越大，对于此类工程的施工难度也越来越大。文章主要从工程特点、技术特点、技术原理、技术流程等几个方面进行了总结，形成了钢结构桥梁预制加工施工技术，通过该技术的实际运用有效的解决了施工难题，具有广阔的推广及应用前景。
        关键词：钢箱梁；数字化；加工；施工技术；应用研究
        艾依河桥项目，桥长155m，桥面宽50m，桥梁净空2.5m。桥梁为钢箱梁桥，结构形式复杂，采用主梁、主拱、辅拱的组合体系。主拱和桥面均采用Q345qE 材质，附属设施为Q235C 桥梁附属钢构件均采用Q235C钢，钢材总重量6685.757T。
        一、工程重难点
        难点一：梁段施工完成后的线型要求高；
        难点二：支座加劲部件制造、安装精度要求高、难度大；
        难点三：相邻梁段端口与T型肋组装的精度要求高；
        难点四：梁体截面复杂、焊接板多、图纸深化设计要求高。
        二、技术特点
        特点一：利用Tekla创建钢结构模型，对图纸进行深化设计，提高效率、保证准确性；
        特点二：利用BIM技术的三维可视化特点，对钢箱梁预制方案进行可视化分步骤施工模拟，提高方案理解效率、避免方案误读造成返工；
        特点三：设计合理的胎架和工装（如焊接变形胎、相邻面定位块及工艺撑等），保证钢箱梁加工的结构尺寸精度；
        特点四：根据不同情况，制定相对应的焊接工艺，提高钢箱梁的焊接质量。
        三、技术原理
        将BIM技术与预制加工相结合，通过利用Tekla创建钢箱梁数字化模型，对设计图纸进行深化设计后指导钢箱梁的预制，保证后续精确拼装。同时利用BIM技术的可视化模拟，对钢箱梁拼装进行了可视化分步骤模拟，直观易懂，保证技术人员对预制方案的理解，提高效率。设计合理的胎架和工装，提高钢箱梁加工尺寸的精度。根据不同情况，制定相对应的焊接工艺，提高钢箱梁的焊接质量。通过以上施工工艺，保证钢结构预制加工过程质量可控、效率提升。
        四、技术流程
        1施工流程
        施工工艺流程见下图1：

        图1 施工流程
        2操作要点
        1）生产准备
        根据本工程的结构特点，合理配置生产资源，确保本工程的钢板校平、数控下料、单元件制造、节段组装等各个生产流程的正常运行，并就实际生产偏差随时进行调配。
        主要下料设备：数控火焰多头切割机能对10 mm～200 mm板材进行下料切割，等离子切割机切割范围4 mm～20mm。
        配置满足本工程施工的埋弧自动焊机、各种自动和半自动CO2焊机等各类型焊接设备。
        厂内各种起吊运输设备齐全，拥有20t～80T不等各类起重设备及150t液压平板车2台，40t平板车3台及各种载重叉车等，确保了公司构件转运的及时性和快捷性。
        2000吨双机联动液压折边机，可进行U肋加工，加工板厚可达20 mm，长度12米。
        2）图纸深化设计
        利用Tekla对钢箱梁设计图纸进行深化，深化后的图纸经复合后再进行钢材下料。

        图2 Tekla钢结构模型
        3）下料
        盖板、底板、腹板、T筋板、其余各种加劲板下料、开坡口、垫板加工。
        4）分段制造
        利用创建好的Tekla模型导入BIM可视化模拟软件，对分段制造方案进行可视化模拟。

        图3 可视化制造模拟
        单元件复检。检查单元件的编号、外形尺寸、项目工号、材质、炉（批）号、对角线尺寸、坡口角度及方向等。按钢箱梁线型和横坡制作总组装胎架，将钢箱梁底板吊装到操作平台，平台的不平度要求小于2mm。
        底板组合单元件上胎架定位。定位中间的基准底板单元件，再定位底板单元件。底板定位基准线必须与地样线对齐。将底板与胎架支撑进行刚性连接固定。底板宽度允许误差为± 2.0mm。就位前应将所有拼缝处相邻100mm范围内除锈、油漆清理干净并打磨光滑，对于坡口不规范的要同时进行修整，检验单片板件的成形尺寸是否达到设计要求。
        组装定位横隔板单元件。根据底板组合单元件上的横隔板单元件定位线来定位横隔板。隔板定位保证铅垂。
        组装定位两侧腹板单元件。根据底板组合单元件上的腹板边线来定位腹板。将腹板用吊具吊起与底板组装定位焊。组装时利用腹板装配卡具，由中间向两边逐一组装。梁内壁焊缝焊接处理流程为：腹板与横隔板→纵向加强筋→底板与横隔加强板→纵向加强筋。
        组装定位顶板组合单元件。顶板放置于操作平台，标记两侧腹板内侧线（加强肋、纵向加强筋应预先组焊完成），然后校平。顶板的纵、横向定位中心线与地样线上对应的线对齐，确定底板的位置。顶板之间用马板固定。吊装上盖板放置在梁体，准确对位顶板、腹板焊缝位置。顶板焊接顺序为由中间向两边，用压杠、钢轨起升器等将顶板与腹板紧贴，间隙小于1mm，采用气体保护焊定位焊接。焊接完成后将螺旋拉紧器，压重千斤顶移除，对上拱值、旁弯、扭曲值等技术参数进行检查。
        按照施工顺序依次焊接隔板、腹板和顶板组合单元。箱梁应平放并保证其顺平，焊接方法采用二氧化碳气体保护焊，焊接顺序为：先焊底板与腹板的焊缝，后焊顶板与腹板的焊缝，采用单边坡口焊，由中间向两边对称焊接。焊接过程中应采取措施防止焊接变形，焊后按设计要求进行焊缝超声波检查，并做外观检查验收。焊缝相交时应重点注意接头处的焊缝清根，打磨。各层间彻底清渣，气孔等缺陷，对于焊缝接头修磨长度不得小于50mm，以保证接头平滑良好。对于焊缝外表面必须光滑饱满，余高0~3 mm，表面必须打磨圆滑，不允许有凸凹现象。CO2焊接时必须加防护罩和预热器，以改善外界条件，防止气孔产生，CO2焊接时不允许采用短路过度。按照余量切割图划切割线并切割余量和开制坡口。焊接电流不小于180A。
        装焊吊耳及临时匹配连接件。按照已经确定的相邻梁段相对位置关系，将梁段匹配件依次焊接于焊缝两侧，吊装作业时准确定位匹配件，保证梁体恢复预拼状态。
        检验。检验人员应对各焊缝外观尺寸进行认真检验，外观检验合格的才能进行内部无损检测。尤其要保证射线拍片处焊缝外观。焊缝检验人员应做好记录并应全面监测板单元，力求将缺陷消除在施工过程中。
        标记标识。标记零件编号及方向，并打上洋冲。
        5）焊接
        面、腹板、底单元件焊接。采用可旋转反变形摇摆胎架进行钢箱梁的面、腹板、底单元板件的焊接，通过上述措施保证在单元件数量多、结构尺寸变形要求高的情况下，提高施工效率，减少焊接变形。通过利用胎架进行单元件预放反变形，减少板单元件的横向变形，并对单元件自由边进行刚性固定，减少单元板的波浪变形。采用统一的反变形摇摆胎架可以保证产品制造质量，方便地实现流水线生产，提高生产效率。为保证焊接的质量和焊缝外观，采用全自动的实芯焊丝CO2气体保护焊进行单元板件的焊接。
        横隔板焊接：普通横隔板焊接顺序为：人孔加劲肋→人孔加劲肋周边角焊缝→挑梁承压肋。采用小规范的焊接工艺参数进行分段退焊，保证人孔加劲肋角焊缝的焊接质量。采用分段退焊或跳焊的焊接方法对支点横隔板加劲肋对称施焊。
        6）施工完成
        构件在工厂涂装完成后进行验收，对存在污染或破坏的涂层进行清理，修补。对涂层表面的污物必须用清水冲洗干净，有油污的地方必须用清洗剂，彻底除油。对于被破坏涂层修补按照与原涂装方案相同工艺进行，确保构件架设时涂层完好。施工完成后，将预制构件运输至施工现场进行拼装施工。
        五、结语
        利用Tekla创建钢箱梁模型后，对钢箱梁图纸进行深化设计，提高了钢箱梁加工精度，保证了图纸的可靠性，相比于传统基于CAD进行深化设计效率大幅度提高。利用BIM技术的三维可视化特点，对钢箱梁预制方案分步骤进行可视化模拟，提高技术人员理解预制方案的效率，避免因对方案、步骤的误读造成返工。通过采用阶段整体匹配组装、整体施接、根据实际情况制定相应的焊接工艺，保证钢箱梁的焊接质量，减少焊接形变。应用高效的焊接方法，提高钢箱梁焊接效率，设计反变形摇摆胎架，减少钢箱梁板件的尺寸变形。应用BIM技术模拟施工顺序，制定相应施工工艺，提高钢箱梁的结构安装精度。通过以上一系列措施保证了钢箱梁的顺利制作，同时克服了钢箱梁制作时的难点问题。
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