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钢箱梁桥面板单元制造技术与质量控制

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：郭鹏

[导读] 摘要：目前钢箱梁桥桥面板单元一般为纵向采用U形肋加劲的正交异性板单元，直接承受桥面车辆轮载的冲击，其制造质量的高低不仅影响到节段的总拼质量，还直接影响到桥梁的使用寿命，必须严格控制。

        中铁山桥集团有限公司河北秦皇岛 066200
        摘要：目前钢箱梁桥桥面板单元一般为纵向采用U形肋加劲的正交异性板单元，直接承受桥面车辆轮载的冲击，其制造质量的高低不仅影响到节段的总拼质量，还直接影响到桥梁的使用寿命，必须严格控制。文章从钢箱梁U形肋加工精度、桥面板单元的尺寸精度、桥面板单元组装精度以及U形肋与桥面板的焊接质量4个方面介绍钢箱梁桥面板单元制造质量控制技术，为同类工程施工提供借鉴。
        关键词：钢箱梁；桥面板单元；U形肋；精度；质量控制
        1 前言
        随着我国经济技术的飞速发展，桥梁建设也越来越繁荣，近年来建设了大量公路、铁路和城市交通桥梁。钢箱梁作为一种重要的钢结构桥梁类型，应用十分普遍。因为钢箱梁的几何尺寸和重量均很大，所以钢箱梁的制造一般分为板单元制造、节段制造和桥上连接（焊接和栓接）三个过程。板单元制造一般在厂房内进行，以便充分发挥工厂的技术、设备、工装等优势，节段制造一般选择在具有装船下水能力的拼装场进行，以便将节段运至桥址进行吊装、架设和连接。板单元一般包括桥面板单元、底板单元、腹板单元、横隔板单元等，板单元的制造质量是钢箱梁制造质量的基础，直接关系到全桥钢箱梁的制造质量，而在所有的板单元中，桥面板单元直接承受桥面车辆的疲劳载荷作用，直接影响到桥梁的使用寿命和运行安全，其制造质量必须严格控制。本文结合我公司目前的工装、设备情况，主要从U形肋加工精度、桥面板单元的尺寸精度、桥面板单元组装精度及U形肋与桥面板焊缝的焊接质量4个方面介绍钢箱梁桥面板单元制造质量控制技术。
        2 桥面板单元制造质量控制
        2.1桥面板单元制造质量控制
        桥面板单元一般纵向采用U形肋加劲，各节段之间的U形肋采用高强度螺栓连接。U形肋的制造质量直接影响到板单元的组装质量、焊接质量、平面度及尺寸精度，所以必须采取有效的措施，严格控制U形肋的尺寸精度。
        U形肋的关键加工工序为：钢板赶平及预处理→切割下料→边缘加工→栓孔加工→坡口加工→数控压型，见图1。
        下料前钢板用赶板机赶平，释放轧制残余应力，保证钢板平面度；用多嘴火焰切割机焰切下料，防止切割后产生旁弯；用双面加工铣床进行边缘加工，保证加工后边缘直线度在2mm以内；利用钻孔样板钻制U形肋两端的高强度螺栓连接孔，既保证制孔质量，生产效率又高，极边孔距应考虑焊接及修整收缩量（一般按0.4‰）和斜拉索水平分力压缩量（由监控或设计单位提供）；用专用坡口铣床加工两边焊接坡口；在数控折弯机上完成U形肋的压制成型，保证质量的稳定性；用仿形样板切割手孔，保证切割质量；用内卡样板逐件检查，严格控制U形肋的几何尺寸。

        图1 U形肋的关键加工工序
        U形肋坡口采用先进的数控双边坡口铣床进行加工。铣床的压紧装置可以有较好的约束加工过程中板件的振动，避免了坡口微裂纹和撕裂，加工面粗糙度、钝边尺寸、坡口角度均满足公差要求，详见表2，为确保U形肋与桥面板的组装精度及根部焊接熔合质量奠定了良好的基础。
                                                                                 表2 U形肋加工公差要求表

        2.2 桥面板单元的尺寸精度控制
        桥面板单元的长、宽尺寸精度直接影响到节段的外形尺寸，必须严格控制，见表2。桥面板单元的长、宽尺寸和以下因素有关：
        板单元焊接和修整等工序会产生长度和宽度方向的收缩；
        若为钢箱梁斜拉桥，斜拉索的水平分力会使节段产生轴向缩短，因此，板单元制造长度需考虑纵向压缩量；
        往往设计图中的节段长是节段纵向矩形断面尺寸，其顶、底板是等长的，但实际生产制造时节段是处在一定线形的竖曲线上，顶、底板长度略有差异。
        板单元拼接和环缝焊接一般采用单面焊双面成型工艺，焊接时需要留一定的焊接间隙，所以在板单元制造时，对接焊焊接间隙及焊缝收缩量必须一并考虑。
        在桥面板单元制造时，为了减小焊接收缩的影响，保证各节段间的焊接间隙均匀一致，需要预留二切量，待节段总拼完成后进行配切。
        所以，板单元制作时的长度尺寸为：L=L1+△1+△2+△3-△4+△5+△L
        其中：L—板单元下料长度尺寸；
        L1—设计图纸板单元理论长度尺寸；
        △1—板单元焊接及修整收缩量，主要由经验确定，一般按0.4‰；
        △2—节段轴向压缩量，由监控或设计单位提供；
        △3—节段线形修正量，由计算机1：1放样确定或由监控单位提供；
        △4—钢箱梁环缝焊接间隙，由焊接工艺评定确定，一般为4～6mm；
        △5—钢箱梁环缝焊接收缩量，主要由经验确定，一般为2～3mm；
        △L—节段组焊修后长度配切量，一般为20mm左右。
        板单元制作时的宽度尺寸为：B=B1+δ1+δ2-δ3+δ4
        其中：B — 板单元下料宽度尺寸；
        B1— 设计图纸板单元理论宽度尺寸；
        δ1— 板单元焊接及修整收缩量；
        δ2—节段横向预拱修正量，根据节段横向预拱度放样确定；
        δ3—板单元纵向对接焊接间隙，由焊接工艺评定确定，一般为4～6mm；
        δ4—板单元纵向对接焊缝收缩量，主要由经验确定，一般为2～3mm。
        其中δ1与δ4数值很小，一般可以忽略；δ2一般集中放在钢箱梁两端的板单元上，其他板单元不予考虑。
                      表2 桥面板尺寸精度要求

        2.3 桥面板单元组装精度控制
        桥面板单元组装最关键的控制点是U形肋的定位精度，直接影响到节段总拼时U形肋能否自由落入横隔板槽口内，并使U形肋与横隔板的间隙控制在标准之内，尤其是在钢箱梁架设连接时，对相邻节段间的匹配精度影响更大。
        U形肋组装定位的精度和定位焊质量是板单元制造的重要项点，U形肋的组装、定位焊在专用机床上完成，见图2。

        该机床配有自动液压定位、压紧机构、待焊区自动打磨机构，能有效改善施工环境，能够完成U形肋的精确定位，保证组装后相邻U形肋间距误差≤1mm，直线度在1mm以内，组装间隙在0.5mm以内；并采用了世界上最先进的电弧跟踪技术，解决了以往光电跟踪和机械跟踪精度低、定位焊位置与质量不稳定的难题。
        2.4 U形肋与桥面板焊缝的焊接质量控制
        U形肋与桥面板焊缝的焊接质量是桥面板抗疲劳性能高低的关键，主要表现在焊缝根部的熔合质量和熔透深度。目前，主要有U形肋单面焊部分熔透焊接、双面焊部分熔透焊接、双面焊全熔透焊接等不同接头形式。

        图3 U形肋板单元多头焊接专用机床      图4 U肋内焊专用机床
        U形肋单面焊部分熔透桥面板采用U形肋板单元多头焊接专用机床进行焊接，见图3。该机床使用最先进的焊接机器人系统，该机器人系统采用先进的电弧自动跟踪技术，实现了对坡口根部实时精确跟踪，跟踪偏差不超过0.2mm，有效地保证了坡口根部焊缝的熔合和熔透深度。通过反变形翻转胎架实现船位焊接，防止焊缝咬边缺欠，保证焊缝外观成型，提高焊缝的疲劳强度。该专用机床与反变形船位焊接技术配合使用，通过液压卡具预设反变形，有效地减小了桥面板单元焊接变形矫正工作量，既提高了生产效率，降低了制造成本，也大大减小了板单元的焊接残余应力，提高了板单元疲劳性能。
        U形肋双面焊部分熔透或全熔透桥面板采用板单元自动组焊一体机床，见图4。根据以往经验，内焊专用机床焊枪与焊缝间合适稳定的的位置关系，是保证获得外观成型良好，熔透深度满足要求的关键。因此，U形肋内焊焊枪角度、干伸长以及焊枪与焊缝中心的对位关系等工艺参数，是获得正交异性钢桥面板U形肋高品质焊接接头的前提条件。从压紧装置、调枪工装、焊缝跟踪装置三个方面进行控制，高效稳定的保证焊接质量。
        压紧装置，通过铰接柔性传力机构传导正压力，可以根据U形肋两肢的具体制造偏差合理分配组装压力，确保U形肋两肢焊接边与桥面板组装足够密贴且间隙均匀。
        施工前通过调枪工装，将在U形肋内部狭小密闭空间内进行调枪的操作转移到U形肋外部开阔、便于操作的环境下，能够更加直观的调枪，保证获得最佳焊接位置，从而提高U形肋内焊质量稳定性。
        焊接机头前端安装传感器式焊缝跟踪装置，利用传感器探头沿工件滑动实现跟踪。这种方式结构简单、动作状态直观而且不受焊接电弧的干扰等优点。该跟踪系统具有焊缝跟踪定位等功能。当焊缝变化时，感应探头将变化信号传送至控制器，控制器控制执行机构随之运动，从而焊枪也随之变化，保持与工件的距离恒定。从而保证焊接时获得高品质焊接接头，消除裂纹发生根源，改善正交异性钢桥面板整体焊接质量。
        U形肋与桥面板焊缝的检验包括外观检验、磁粉检验（MT），为了检验焊缝根部的熔合情况和熔透深度，一般在板单元端部连接U形肋坡口角焊缝焊接试板，与U形肋同时施焊，焊后制作宏观断面检验；以及超声波相控阵检测（PAUT）技术等。
        3 结论
        通过港珠澳大桥等多座大桥的钢箱梁制造质量结果表明，上述各项质量控制技术先进可靠，有效地保证了桥面板单元的制造质量，桥面板单元的各项检测指标全部满足标准要求，为保证节段的顺利拼装和桥上连接奠定了良好的基础。
        参考文献：
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