张家口外环线清水河通泰大桥制造工艺Word格式文档下载.docx
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钢箱梁内设置四道中纵腹板,厚度12mm(在支座前后各3m范围内加厚至16mm),其距钢箱梁中心线间距为6m和10.8m;
钢箱梁横隔板标准间距为3m,中纵腹板和横隔板上设有人孔。
拱斜跨主梁,拱脚间距180m,矢跨比0.3451,拱中心长度223.5m,拱为单箱单室钢箱,宽7.04m,高3.8m,属于特大型陡拱。
板厚26mm,在距拱角10m水平距离范围内加厚至30mm,采用T型加劲肋,高300mm、200mm,厚度16mm,拱肋上横隔板间距3m,有吊点处横隔板厚30mm,无吊点处横隔板厚12mm。
主梁、拱通过锚箱、吊索连接。
2.结构特点及制造方案
2.1主梁钢箱
主梁钢箱是由桥顶板、底板、纵腹板、横隔板、U肋等组成的单箱五室结构。
除顶板U肋在段与段间安装现场采用高强螺栓连接外,所有工厂和现场均为焊接连接。
钢箱梁制造分为板单元制造、梁段制造和工地焊接三个工艺阶段。
本桥主梁中心线长190m,起拱200mm,起拱引起的长度变化不足6mm(如图2示意),梁段制造可以忽略起拱,起拱在现场安装过程形成。
由于所有横隔板沿平面R600m曲线径向布置,根据横隔板距离,分为65段,其中梁两端头各有2m长两段、2.5m长1段,中间3m长59段,每段分为两节共计130节(如图3示意)。
分段接口径向布置,节段之间采用以折代曲,总体曲线线形主要在板单元制造阶段完成,横坡及成桥线形在梁段制造过程中实现。
2.2拱钢箱
拱制作过程中,两侧从拱脚到拱顶对称各6段,最顶上一段为合拢段,共分13段。
轴线长度分别为26m、23m、15m、13m和9.5m,其中26m、23m、13m各两段,15m六段,9.5m一段(如图4示意)。
该工程的拱为大型陡拱,结合62m的拱高,7.04m×
3.8m的截面,单段重量最小83吨,最大212吨的庞大重量,考虑到构件翻转、起重能力、场地、安全等因素,决定通过单段制造精度控制,确保单段拱的几何尺寸,从而取消预拼装。
单段制造过程,由于运输限制,采取工厂制造单元件、现场组装焊接的方法。
3关键工序制作工艺
3.1主桥梁段制造
每一段主梁单元件包括:
顶板单元、底板单元、横隔板单元、纵腹板单元。
制造时严格控制切割下料精度、单元件制造精度、组装精度和焊接变形。
(1)顶、底板单元(如图5)
顶板U肋54条,底板U肋42条,U肋定位是关键,尤其是顶板U肋,现场采用的是高强螺栓连接,段与段的U肋定位、螺栓孔间距直接影响现场高强螺栓施工的对孔率。
各制造段顶、底板单元采用专用划线平台划线,下料采用全自动数控切割机;
U肋的单段下料采用数控带锯精确切割,专用胎架样板钻孔,确保孔群的精度。
统一以桥梁中心线为基准,卡样板装配U肋,确保U肋接口不错位。
为消除可能的错位现象,采取U肋与顶、底板之间焊缝两端头各预留300mm不焊,待段与段预拼装接口调平顺后再行焊接的措施。
顶底板U肋在反变形胎架上焊接,反变形量通过多次实践而最终确定,焊接完后顶、底板基本平整,局部不平在专用胎架上矫正。
U肋与顶、底板之间为坡口角焊缝,设计熔深为U肋板厚的80%,用二氧化碳气保焊专用小车施焊,焊接时重点控制焊丝角度、小车行走速度和电流、电压、气体流量等焊接参数。
实践表明,只要操作熟练,这种U肋焊接方法效率高、焊工劳动强度小,而且能够避免焊穿,保证焊缝熔深,焊缝成型美观,无咬边等缺陷。
(2)横隔板、纵腹板单元
横隔板采用数控切割下料,宽度方向尺寸变化决定钢箱的截面高度,同时也形成横桥向2%的横坡。
由于横隔板两侧有众多竖向、横向加筋肋(如图6示意),焊接变形控制是关键。
隔板单元件组装完成后,要求在专用焊接胎架上平放、垫实、固定牢。
采用二氧化碳平焊位置施焊,保证焊接质量,减少焊接变形。
(3)梁段制造
1)胎架搭设
梁段制造过程中,采取以底板单元为制作基面进行正造,制造胎架采用H200*200轧制型钢作为立柱和横梁,胎架上平面与钢箱梁底板吻合(如图7示意),采用水平仪、经纬仪、全站仪等仪器测量轴线、标高等控制要素。
2)梁段的组、拼、焊
组装前,对顶、底板、横隔板、纵腹板等单元件进行检查验收,符合质量要求后进入梁段的组装工序。
组装焊接顺序为:
底板单元上胎→横隔板单元装配→纵腹板单元装配→顶板单元装配→检查测量→总体焊接,组装过程示意图如图8。
组装过程中,以横隔板、纵腹板位置为基本截面,保证每一横截面处的几何尺寸,通过测量顶板、底板、纵腹板的标高以及钢梁段的接口口形来控制和检查梁段的几何尺寸(图9梁段的控制点)。
预拼装采取每5段作为一个拼装单元,主要检查段与段之间顶、底板、纵腹板的接口是否存在错口、错边现象;
检查U肋高强螺栓接口匹配情况,要求高强螺栓穿孔率100%。
预拼后,对每段两节之间、段与段之间划上定位点,打上定位点,现场施工按照定位点线进行组装。
现场顶、底板接口采用单面坡口,背面采用陶瓷焊接衬垫,正面二氧化碳打底、埋弧焊盖面的单面焊双面成型工艺。
焊接顺序为:
底板焊接→顶板焊接→纵腹板焊接→底板U肋嵌补段焊接→边侧腹板焊接,同时遵循从中间向两侧、多作业面对称施焊的原则。
工地施工严格控制焊接程序,适时监控桥体线形,确保成桥线形符合设计和规范要求。
3.2拱钢箱制造
(1)单元件制造
拱的零件包括顶板、底板、隔板、腹板,纵向T型加筋肋。
隔板开孔,纵向T型加筋肋穿过隔板全拱通长。
制造过程中,为控制和便于调整单元件的变形,T型加筋肋和1/4隔板要先焊接在顶板、底板、腹板上,故拱分为顶板单元件、腹板单元件和底板单元件三部分(如图10示意)。
为不使现场两段拱间接口出现环形焊缝,要求顶板、底板与腹板在分段接口处相互错开250mm(图11)。
腹板采用数控编程切割,板边的曲线符合拱的六次方程复杂曲线:
1)板单元制作
由于顶板宽度7040mm、腹板宽度为3800mm,运输超宽。
按照充分离用材料、尽量减少接缝的原则,工厂将钢板排版下料,横向焊缝工厂焊接,纵向焊缝运输到现场后再焊接。
板单元在工厂开完坡口、预拼后编号、打上定位点,如下图示意(图12)。
板单元的接宽、接长焊缝均采用二氧化碳打底、背面碳弧气刨清根、埋弧自动焊填充、盖面的焊接工艺,焊缝质量等级Ⅰ级。
2)单元件组焊
单元件在工地专用胎架上组焊,腹板单元的制作胎架顶面为平面,顶、底板单元件的制作胎架顶面横向平直、纵向曲线起拱,拱度与拱段的一致。
以底板为例,制作顺序为:
底板上胎并与胎架固定,然后隔板与底板组焊,最后后T肋组焊(如图13)。
先焊接横隔板,再焊接T肋,目的是横隔板焊接完后可以制约T肋焊接过程造成的底板变形。
调整好弧度的T肋按照划线位置线穿过横隔板预留孔,保证T肋与底板弧度吻合,如间隙过大,用火焰调整T肋,绝对不能用外力使底板弧度与T肋弧度吻合,调整后点焊固定,最后使用二氧化碳气体保护焊焊接,T肋与底板焊缝的质量等级为Ⅱ级。
底板单元焊接完成后,检查横向平直度和纵向的拱度,局部不符合采用火焰加热调整平直度和拱度。
顶板与腹板的制作方法相同,各单元件制作过程中,隔板的定位误差控制在2mm之类。
单元件的制作,顶底板、腹板在长度方向预留L/1000的余量、宽度方向预留4mm的焊接收缩量,长度方向的余量在整段钢箱制作完成实测后切除。
单元件在制造、检查过程中,主要测量板的长度、宽度和对角线,并用水平议测量标高以复核拱度。
(2)拱钢箱制造
由于拱肋单段重量大,为确保胎具不下沉,胎具基础采用200mm厚混凝土。
为满足拱肋线型的要求,根据实体放样,胎具制作时设有预拱度。
拱肋胎具采用I20、I25、[25型钢搭设,长度按拱肋分段长度确定,桩位间距2000mm;
宽度设置为7200mm,桩位间距3500mm,搭设高度500mm。
拱的装配顺序如下:
1)底板上胎:
在胎具上放出底板控制线,将制作好的底板单元上胎,调整好底板位置,测量拱度符合起拱要求后,将底板与胎架进行固定(如图14示意)。
2)两侧腹板就位,将腹板单元吊装到底板单元上,检查腹板与底板的垂直度、截面宽度、隔板对接等情况,无误后点固焊连接固定(如图15示意)。
3)顶板就位,将顶板单元吊装就位,检查腹板与底板的垂直度、钢箱截面宽度、截面高度、截面对角线、钢箱的长度、隔板对接情况、顶板的标高等,无误后点固焊连接固定(如图16示意)。
4)拱的焊接
组装后,拱段制作的焊接主要是隔板对接口、4道主焊缝的焊接,坡口如图17所示,焊缝质量等级为Ⅰ级,为了保证质量、减小焊接变形,施工中大量使用二氧化碳气体保护焊和埋弧自动焊。
焊接顺序是先焊隔板焊缝,再依照分散对称的原则焊接4道主焊缝。
隔板对接焊缝采用二氧化碳气体保护焊,背面碳弧气刨清根的工艺。
箱体主焊缝上面两道为保证焊接质量,避免仰焊,采用加设钢衬垫,二氧化碳打底、埋弧自动焊盖面的工艺;
下面两道采用单面外侧坡口,二氧化碳焊接,里侧碳弧气刨清根焊接的工艺。
5)拱的检查验收
由于拱不能预拼,采取精度管理的办法控制制造的质量,拱段的检查测量贯穿于整个制造过程。
考虑到焊接收缩,组装过程中,使钢箱截面宽度+4mm、截面高度+2mm;
焊接前、焊接过程中、焊接后分三次对钢箱截面宽度、截面高度、截面对角线、钢箱的长度、钢箱拱度等进行测量和监控。
钢箱L/1000的余量实测后打点、划线切除,并开设出现场接口的坡口,为吊装焊接准备。
6)拱的现场接口焊接
按照专项方案搭设好临时支撑体系后,进行拱的吊装和现场接口焊接工作(图18)。
确认标高、拱轴线偏移、拱垂直度无误后,进行接口固定、焊接。
采用二氧化碳气体保护焊,腹板开设外侧坡口,里侧清根;
顶、底板为避免仰焊,采用单面坡口、背面加陶瓷衬垫的单面焊双面成型的焊接工艺。
接口焊接至焊缝深度的2/3后,方可摘钩,准备下一段的吊装,以此类推完成后续各段的吊装和焊接作业。
由于高空作业,特制了施工吊篮,保证组装、焊接施工的人员、设备安全,同时防风保证焊接质量。
4.结语
通过精心组织、精细管理、勇于创新,克服了技术要求高、加工量大、工期紧张、工地施工环境、气候条件差、超大件运输与吊装等困难,优质高效地完成了本工程的制造和现场装焊等工作,最后进行了锚箱、吊索的施工,如今,结构新颖别致,造型优美流畅的张家口清水河通泰大桥已经建成通车(如图19)。
本文主要对主桥、拱钢箱的制造过程的关键工艺和施工方法进行了总结介绍,为类似结构的工程提供了一个可参考的成功实例。
参考文献:
1.《建筑钢结构施工手册》中国钢结构协会编著
2.《建筑施工计算手册》中国建筑工业出版社、江正荣编著
3.《机械设计手册》燃料化学工业出版社、联合编写组编著
4.《工程测量规范》(GB50023-95)
5.《公路桥涵施工技术规范》(JTG041-2000)