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美国纽约韦拉扎诺海峡大桥纵梁制造工艺研究

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：臧俊贵

[导读] 摘要：美国纽约韦拉扎诺海峡大桥属于旧桥改造项目，改造后连接形式由原来的铆接改为栓接。

        中铁山桥集团有限公司河北秦皇岛 066205
        摘要：美国纽约韦拉扎诺海峡大桥属于旧桥改造项目，改造后连接形式由原来的铆接改为栓接。本文根据其上层公路桥面板块的结构特点，结合在制造过程中生产实际情况介绍了纵梁单元生产工艺流程，同时重点对纵梁单元上长圆孔的加工工艺进行了研究，确保了制造精度，减少劳动强度，提高了效率，从而保证桥面板块制作质量满足相关制作规程的要求。
        关键词：旧桥改造；铆接改栓接；纵梁制造；长圆孔加工
        1 工程概况
        韦拉扎诺海峡大桥建成于1964年，是一座位于美国纽约州纽约市的双层结构的跨海铆接悬索桥，横跨韦拉扎诺海峡，连接斯坦顿岛与布鲁克林，是纽约的地标性建筑之一。该桥经多年运行，原桥面已无法满足现行车流量重负，于是将原上层混凝土桥面拆除，更换为正交异性钢桥面，如图1所示。
        该项目属于旧桥改造工程，旧桥改造与新桥制造在技术方面有着很大的区别，尤其对大型桥梁桥面板的整体替换，对新制桥面板块与旧桥结构连接的匹配、测量、安装都是其难点。新制桥面板的横、纵梁与原有结构的横、纵梁通过已有的铆钉孔或螺栓孔进行连接。

图1 维拉扎诺桥旧桥结构
全桥横向分为7块板单元，纵向分134个节段，全桥共938块板单元，如图2所示。

        图2 典型板单元示意图
        2 纵梁制造难点
        全桥共有纵梁1072块，纵梁长度为15米条形，如图3所示。长圆孔数量总计53600个，其特点是：长圆孔加工尺寸、孔间距、平面度等要求高，这样的工件形式，长圆孔的加工便成了一个生产重点问题。

                     图3 纵梁及长圆孔图
        依据技术要求，长圆孔加工工艺需满足下列条件：
        1）长圆孔长度方向：同一平面任意孔群至少有75%的长圆孔不超过0~+2mm，其余长圆孔不超过2.5mm公差，少数长圆孔（少于3个）不超过3mm公差。
        2）长圆孔宽度方向：同一平面任意孔群至少有75%的长圆孔不超过0~+0.8mm，其余长圆孔不超过1.2mm公差，少数长圆孔（少于3个）不超过1.5mm公差。
        3）孔周围平面度不大于0.5mm，粗糙度达到Ra12.5，孔壁垂直度不大于0.3mm。
        3 纵梁制造工序流程
        常用的长圆孔加工方法有以下几种：1、钻两端圆孔，再划线焰切中间部分；2、钻一端孔，然后长度方向铣孔；3、直接铣孔；4、程序切割长圆孔；5、使用冲裁模具冲孔，如表1所示。

                                                                    表1 长圆孔加工方法分析
        根据纵梁结构特点和技术要求，对常用的几种长圆孔加工方法分析发现在制造效率和质量精度并不太适用。经过讨论和试验，采用先冲后铣的组合工艺方法加工长圆孔，既能减少铣削工作量，提高生产效率，又能有效去除冲孔后长圆孔边缘出现撕裂，保证了质量。
        最终确定纵梁制造的工序流程如下：
        1、钢板在切割下料前用赶板机赶平。
        2、钢板下料前进行表面清理、抛丸除锈的工序，无需进行喷涂车间底漆的工序。
        3、纵梁下料采用等离子数控切割机切割。
        4、纵梁长圆孔孔群采取模具冲裁加工的形式，冲裁时周边留出3mm加工量。
        5、通过专用小铣床对纵梁长圆孔冲裁余量进行铣削，去除冲裁边缘的钢板裂纹。
        6、检验铣削后的纵梁长圆孔尺寸和孔群间距是否合格。

                                       图4 纵梁制作工序流程图
        4 长圆孔先冲后铣的质量控制
        4.1 冲压力计算：

        图5 长圆孔冲裁尺寸图、铣削尺寸图
        1）冲裁力计算：F=KLtτ=1.3×120.12×12.7×496=984KN
        式中 F—冲裁力，N；
        L—冲裁周边长度，mm；
        t—材料厚度，mm，板厚12.7mm；
        τ—材料抗剪强度，MPa；
        K—系数，一般取K=1.3。
        2）卸料力计算：FX=KXF=0.03×984=30KN
        式中 KX—卸料力系数，查表取KX=0.03；
        3）推件力计算：FT=nKTF=1×0.03×984=30KN
        式中 n—同时卡在凹模内的冲裁件数，n=h/t，（h—凹模洞口的直壁高度）；
        4）总压力计算：FZ=F+FX+FT=984+30+30=1044KN=104.4T
        根据计算的冲压力和现有压力机的设备参数。最终选用160T压力机。
        4.2 单孔冲裁模具设计：
        此钢板厚度为12.7mm在冲裁加工中，属于接近加工厚度的范围上限。在制作纵梁长圆孔冲孔模具时，应选用较大的冲裁间隙，也有利于冲裁模具使用寿命的延长。
        由于韦拉扎诺桥纵梁长圆孔数量多、间距变化、要求精度高，宜选用导柱式单孔冲裁模具，如图6所示。工作时上、下模之间由导柱7、导套6进行导向，确保冲裁精度，模具安装时方便，不用重新调整凸、凹模间隙值。压料橡胶块8在冲裁过程中对纵梁有良好的压平作用，可以确保工件长圆孔区域表面平整度。

        （1—模柄；2—凸模垫板；3—凸模；4—凸模固定板；
        5—上模座；6—导套；7—导柱；
        8—压料橡胶块；9—凹模；10—凹模垫板；11—凹模固定板；12—下模座）
                       图6 长圆孔冲裁模具图
        4.3 纵梁长圆孔加工工艺
        1）划线工序：制作划线样板，用划针钢板上在划出长圆孔外形轮廓线和中心线，班组内部严格执行自互检检验划线精度，为后工序长圆孔冲裁和铣削做准备，如图7所示。
        2）长圆孔冲裁工序：
        设计长圆孔冲裁模具，如图8所示，将长圆孔中心线与模具中心线对齐后进行单个长圆孔的冲裁加工，通过划线精度保证孔群间距。

图7 长圆孔外形轮廓线和中心线划线

        图8 单个长圆孔冲裁模具
        设计制作纵梁送料辊架，如图9所示，起初在支架上安装了万向托滚，但由于纵梁过长重量大，纵梁送进吃力需要6个工人辅助送料。此后进行了改进完善，将万向托滚部分换成辊子形式，安装传动电机、变频器、气缸压紧装置，既实现送料的双向调节，又达到了速度可调的功能，可以很好地实现长圆孔的对中定位。改进完成后，辅助工人减少到1人，同时也降低了工人劳动强度，节约了人工成本，提高了生产效率。
        后期又增加了光传感器，计数转盘，通过编制PLC程序控制，实现了纵梁的长圆孔自动定位，进一步提升了加工效率和控制质量。

                  图9 纵梁自动送料辊架
        3）长圆孔铣削工序：
        通过市场调查比较，选择精度高、性能稳定、价格低廉的X3型小铣床。经过后期改造，铣床底座可实现横向与纵向的微调，并设计制作铣床轨道和工作台，实现纵梁工件不动，通过移动铣床进行每个长圆孔冲裁余量的铣削加工。按照长圆孔外形轮廓线进行铣削，如图10所示。

                                  图10 长圆孔冲裁余量的铣削加工
        4）纵梁检查工序：
        长圆孔铣削加工完后的纵梁半成品件，如图11所示，长圆孔加工完成后上报质量检查人员检查，检查合格后粘贴合格证。

                               图11 加工合格后的纵梁及长圆孔
        5 结束语
        通过美国纽约韦拉扎诺海峡大桥旧桥改造项目铆接改栓接的桥面板单元中纵梁制造工艺进行研究，并针对纵梁长圆孔群加工的重点及难点制定并实施完整的工艺方案，该方案结合生产实际情况不断完善与创新，保证了桥面板纵梁长圆孔孔群的制造精度及生产效率，确保更换板单元与原桥架的栓孔重合率。美国纽约韦拉扎诺桥上层公路桥面板块的顺利架设，提升了我公司钢桥制造在国际上的影响，同时对旧桥改造铆改栓接项目的实施积累宝贵的经验。
        参考文献：
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