大跨度斜拉桥钢箱梁制造技术

966年英国Severn桥（主跨988m的悬索桥）第一次采用扁平钢箱梁作为主梁以来，因其抗风稳定性能好、重量轻、工厂制造质量易于保证、安装和制造工期短等优点，现已成为大斜拉桥和悬索桥加劲梁的主流结构形式。近几年来，随着我国交通工程、高速公路网的建设，已建成或在建的跨度超过500m以上的钢斜拉桥和钢悬索桥10余座。
钢箱梁是斜拉桥和悬索桥的主要组成部分，如何应用新技术、新工艺来降低钢箱梁的制造成本、缩短工期，不仅是我国也是世界桥梁建设的重要课题。本文结合汕头礐石大桥（主跨518m的混合加劲梁斜拉桥）和南京长江二桥（主跨628m钢箱梁斜拉桥）的钢箱梁制造实践，概要介绍了钢箱梁的制造方法、工艺流程、焊接质量和几何精度控制措施，以及通过新技术、新工艺的应用，大幅提高了生产效率，缩短了工期。


一、钢箱梁的制造特点
1．设计对钢箱梁制造的要求
大跨度钢斜拉桥一般采用平衡悬臂安装架设，即钢箱梁按照设计要求分段预制，运至桥位逐段吊装，钢箱梁节段之间全断面对焊连接，直至跨中合龙。成桥后钢箱梁拱度应符合设计设定的要求。由此可见，钢箱梁制造中，不仅焊接质量是重要控制项点，其几何精度的控制是另一项难度更大的课题，它包括钢箱梁长、宽、高和所有面板的平整度，相应箱梁节段端
口和全部纵向肋的精度匹配，以及数十段钢箱梁连接成桥后拱度、中心线偏差和桥梁总长度。
2．钢箱梁制造要点
钢箱梁为正交异性板结构，即由互为垂直的面板、纵肋和横肋组成的箱体结构，基于这一构造特点和设计要求，钢箱梁制造应用应考虑以下要素：
（1）建立合理的整体工艺设计方案
对于大型钢箱梁制造，首先应设计合理的工艺流程，便于质量控制和施工作业。为了提高工效、降低成本、缩短工期，应提高机械自动化程度。
（2）影响焊接质量的因素
一个箱梁节段中焊缝累计长度约500m以上，采用CO2焊、手工弧焊和埋弧自动焊等多种焊接方法，施焊位置包括平焊、立焊和仰焊；钢箱梁制造周期在一年以上，往往在露天作业，需要考虑春夏秋冬季节变化及温度、湿度、风雨等环境因素的影响。
（3）影响几何精度的因素
钢箱梁的几何精度受组装精度和焊接变形控制两大因素的影响。组装精度受胎架精度及露天作业对日照变化引起的温差影响；焊接变形受焊接方法、焊缝断面、施焊顺序及约束状态的影响，并预留收缩变形的补偿量。


二、钢箱梁组装方法
钢箱梁制造依据其结构特点和设备条件等，一般采用反装法或正装法。
1．反装法
反装法顾名思义为桥面板朝下、底板朝上的组装方法。首先组装钢桥的面板，然后依次组装横隔板、纵隔板、外腹板，最后组装底板。该组装方法与桥面板连接的角焊缝处于平位置施焊，然后旋转180°在平位置施焊与底板连接的角焊缝。避免了仰焊，提高了焊接质量，减轻了焊工的劳动强度等作业环境，但是，在大型钢箱梁则需要大吨位的起吊设备和转胎具
1997年建成的汕头礐石大桥，该桥采用反装法制造箱梁，全桥为七跨连续混合加劲梁斜拉桥（2*47＋ 518＋ 2 * 47）m，边跨 2 * 47m箱梁，中间 518m为钢箱梁，如图 1所示。


钢箱梁断面见图2，由横栓连接，两边箱室，梁高3m，全宽30.75m。所以制造时准备梁纵向分为3个块体，反装法组装焊接，分别翻转180°后组装成整体，其翻转见图3。



2．正装法
与反装法相反，正装法是先组装底板、斜底板然后依次组装横隔板、纵隔板、外腹板、风嘴，最后组装面板，该方法的优点是不需要组装的钢箱梁翻转180°，同时使 98％以上焊缝处于平位置施焊，正装法是最常采用的方法。



通过几座桥的不断实践，对应用正装法组装焊接大型钢箱梁的制造工艺和生活流程进行了总结，使之更趋合理化和标准化。
组装时以胎架为外胎，横隔板、工艺隔板为内胎匹配组装。焊接时，利用它约束、自约束、强约束和柔性约束的原理，有效地控制了焊接变形，使所有钢箱梁的各项几何尺寸偏差在很小范围内，而且相对节段箱梁端口尺寸达到精确匹配的要求。在生产流程上采用立体阶梯型推进法，使供料、组装定位、焊接、检验等各主要工序循序渐进地推行，既避免了无规律的交叉作业，又避免了各工序之间相互等候，大大提高了生产效率，缩短了工期，降低了成本，形成了有序的流水线生产过程。
即将竣工的南京长江第二大桥采用正装法制造，该桥为三跨连续钢箱梁斜拉桥（58.5＋246．5＋ 628＋ 246．5＋ 58.5）m，主跨为 628m，如图4所示。


主梁末扁平钢箱梁，梁高3.5m，全宽38.2m，如图5所示。全桥分为93个梁段，标准节段长15m，重约270t。图6为正在组装的钢箱梁。






三、钢箱梁制造工艺流程
大跨度斜拉桥箱型梁为正交异性板结构，所以可将面板、底板、横隔板、纵隔板和腹板风嘴等所有构件分成便于起吊和运输的若干有纵、横肋的独立构件。然后将这些板单元按正装法或反装法在胎架上按一定的顺序组装成钢箱梁。根据结构特点（如单箱、双箱或三箱）又可分为二阶段或三阶段制造。
1．二阶段制造法
二阶段制造法是指在钢箱梁制造中分为：板单元构件制造阶段和钢箱梁阶段组装焊接阶段。带纵、横肋的板单元构件尺寸宽度和长度依据结构设计图，并考虑钢板的轧制尺寸（宽*长）、起吊能力和运输净空等条件划分，板单元构件一般在工厂制造，板单元构件的制造精度和板的平整度是保证钢箱梁制造精度的基础。第二阶段是在胎架上匹配组装焊接成箱梁节段。二阶段制造是采用的一种方法，较适用于双箱、三箱结构，比三阶段制造法工效高、制造工期短。
2．三阶段制造法
三阶段制造法是将每节钢箱梁分为板单元构件、单体组装与焊接，以及单元（或块体）组装焊接成整箱沿纵向分成两个或三个单体，整箱组装焊接往往结合阶段箱梁匹配组装，以便确保桥吊装的精度要求。
3．制造工艺流程
这里以二阶段正装法为例概要介绍钢箱梁制造工艺流程。


四、质量控制
钢箱梁制造质量概括为焊接质量和几何尺寸精度两大类。由于焊接变形的影响，二者之间是密不可分的，焊接质量控制是指焊缝外观和内部缺陷以及焊接接头力学性能应满足相应规范规定的要求。几何尺寸精度控制是预制钢箱梁阶段的长、宽、高，面板的平整度，相邻阶段端口和纵向助应精密匹配，成桥后的线形（拱度和桥轴中心线）等应满足设计精度要求。
合格的焊接钢箱梁制造离不开合理的整体工艺设计和严密的生产管理，先进的工艺和新技术的应用，生产全过程的质量检测管理系统，以及具有优良素质的管理、技术人员和合格的焊工、检验人员。


1.合理的工艺设计
（l）将钢箱梁科学合理的划分成各种纵损加劲助的板单元构件（如面板、底板、横隔板、纵隔板钱箱的外腹板、风嘴）在厂内胎型上组装焊接，各自形成专用生产流水线，避免散件在现场组装钢箱梁，使各种板单元件产品标准化。
（2）将钢箱梁各种焊接接头合理地分类，认真进行焊接工艺评定试验。注意：使所有受力焊缝处于平位置下施焊，尽可能采用自动焊及焊接变形小的焊接方法。
2．锚准世界钢箱梁制造先进水平，全面推行新工艺新技术
板单元件制造中，采用无余量切割技术，考虑焊接收缩变形量补偿的一次精密切割下料；无马板组装纵向肋的技术，避免料马板焊接铲除带来的缺欠；采用反变形焊接，使焊接热变形量减少 90％以上，既减少了热影响引起的进一步收缩变形，又大大提高了生产效率；全面推广多头全自动CO2焊，确保大生产质量的稳定性，提高生产效率。
钢箱梁制造中，采用简易胎架作为外胎、横隔板为内胎的多节段匹配组装技术，确保钢
箱梁的几何形状、相应阶段端口的精匹配和全桥的拱度。为避免日照变化及温差的影响，在凌晨气温相对稳定情况下实施基准板定位，确保所有箱梁阶段轴线一致，并达到标准化。采用陶质衬垫单面焊双面成型技术使焊接在平位置有利位置下施焊，确保了焊接质量，减轻了劳动强度。对不同的焊缝采用它约束、自约束、柔性约束和半强制约束施焊，有效地控制了箱体焊接变形。


五、结束语
与发达国家相比，我国大跨度钢箱梁悬索桥和斜拉桥建设还不到十年，然而，在桥梁建设管理、设计、制造和架设等方面取得了可喜的成绩，受到了世界桥梁界瞩目。在大型钢箱梁制造技术方面，我们结合自己的特点，瞄准世界先进水平，全面推广新技术、新工艺形成了一套实用的钢箱梁制造方法，无论在质量控制上或生产效率上已达到较先进水平。

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