摘要:结合无锡金匮大桥钢结构（下承式钢桁架+钢箱梁结构体系）工程的制造实践，针对钢桁架、钢箱梁的结构特点、加工制作的难点、重点以及实际施工条件，介绍了钢桁架、钢箱梁制造过程中的重点工艺技术及质量保证措施。
关键词:下承式体系   钢桁架、钢箱梁制造预拼装  工艺技术  质量控制

      1  工程概况
      无锡市太湖大道节点改造工程JKQ2 标（以下简称无锡金匮大桥钢结构）采用了下承式钢桁梁+钢箱梁结构体系，主桥跨径布置为55m+105m+55m=215m,桥面为双向八车道、两侧为非机动车道和人行道。主桁由两片钢桁架组成，主桁中心距离33m，节间距离7～13.5m，主桁高度采用二次抛物线变化形式，两边跨矢高f=3m，中跨矢高f=10.5m，中支点处高17m。中间为钢箱梁桥面，宽30m，在两片主桁的外侧各挑出5.9m的悬臂托架支撑非机动车道及人行道，桥面总宽度46.0m。本桥整体结构示意见图1及立面布置见图2所示。
 

图1 金匮桥钢结构整体轴测示意图

 
图2 金匮桥桥型立面布置图
 

1.1  结构形式

      1.1.1  钢桁架结构形式
 

      钢桁架下弦和上弦系杆均采用了焊接整体节点结构形式，钢桁架上、下弦杆采用箱型截面，上弦杆件截面为□2215X1200X（20～28）X（20～32），下弦截面为□1500X1200X（20～36）X（20～32）；钢桁架斜杆和竖杆均采用焊接H形截面，截面尺寸为H1200X500X24X24、H1200X700X24X24、H1200X500X28X32、H1200X700X28X32、H1200X700X32X32、H1200X1100X32X40、H1200X760X32X32等，钢桁架整体结构示意图见图3所示。
 

图3钢桁架轴测图
 

1.1.2  桥面钢箱梁结构形式

桥面钢箱梁总长215m，宽度为30m，截面高度2.21~2.45m（顶板设有1.5%的斜坡），重约3580吨。主要由顶板（16m m）、底板（14m m）、纵向腹板（14m m）、横隔板（14m m）、U形肋（8m m）、加劲板（10~14m m）等组合而成，桥面钢箱梁整体结构示意图见图4所示。
 

图4 桥面钢箱梁轴测图
 

1.2  分段的划分

1.2.1  钢桁架分段的划分

      单榀钢桁架上弦分为24个分段，其中A1A2~A11A12分别对称制作各1件，中部分段为A12A13、A13A12’各制作1件。单榀钢桁架下弦分为23个分段，其中E0E1~E10E11分别对称制作各1件，中部分段为E11E11’制作1件，见图5所示。

图5钢桁架分段划分示意图（以1/2为例）

      1.2.2  桥面钢箱梁分段的划分
 

      桥面钢箱梁根据现场吊装要求，将其划分为23个节段，分别为节段A~节段L。其中节段A~节段K分别2件，节段L为1件，见图6所示：

图6桥面钢箱梁分段划分示意图（以1/2为例）

      1.3  连接节点形式
 

      1.3.1  钢桁架典型节点
 

      钢桁架上弦杆主要采用带肋箱形截面杆件，弦杆与腹杆连接端采用了整体节点板构造，并且腹杆与弦杆节点板间采用了插入式的栓接连接方法；弦杆与弦杆间的连接则是四周均采用了全栓接连接的形式，见图7所示； 

图7 钢桁架连接节点形式

      1.3.2  桥面钢箱梁分段间的连接
 

      分段间顶、底板均采用焊接，顶、底板上U型肋、纵向腹板上加劲板通过制作嵌补段进行连接，纵向腹板连接采用栓接，见图8所示。

    
图8  桥面钢箱梁分段间连接示意
 

1.3.3  桥面箱形梁分段与钢桁架箱梁间的连接

钢桁架与桥面钢箱梁间顶、底板均采用焊接，钢箱梁横隔板与钢桁架上连接板采 用栓接，见图9所示。
 
       

 
  图9  桥面钢箱梁与钢桁架间连接示意图
 

2  加工制作的重点及难点分析

2.1  钢桁架

      2.1.1由于钢桁架箱形梁总长约215米，制作时需分段进行加工，如何保证各分段间的接口质量是本工程的技术重点。
 

      2.1.2钢桁架弦杆分段间以及腹杆与弦杆间均采用了栓接，其连接孔群复杂且数量较多，制作精度要求较高，增加了杆件制作的难度。
 

      2.1.3钢桁架腹杆与弦杆节点板间采用了插入式的连接方法，导致弦杆节点板间的开档尺寸、腹杆截面尺寸的制作要求大大提高，另外，对接触面间的平整度要求也相应提高，是本工程加工过程中控制的重点。
 

      2.1.4钢桁架下弦两侧通过栓焊连接方式与桥面钢箱梁及桥面人行道托架进行连接，对下弦悬挑部分的开档尺寸以及隔板的装焊精度提出了更高要求。
 

      2.2 桥面钢箱梁
 

      2.2.1因桥面钢箱梁宽度达30m，顶、底板制作时需预先划分成许多大小不等的板单元，各板单元的制作精度（板面的平整度、U形肋的开档尺寸等）直接影响钢箱梁的质量，因此，板单元制作的精度是本工程控制的一大重点。
 

      2.2.2由于顶板下口沿宽度方向分布了48根U形肋，U形肋中心开档尺寸为600~900不等；底板上口沿宽度方向分布了36根U形肋，U形肋中心开档尺寸为640~1075不等，在保证各板单元加工精度后，还需保证各板单元拼接后的整体精度（板面的整体平整度、U形肋的开档尺寸等），这是本工程的一大难点。
 

      2.2.3单块横隔板总宽为30m，被四块纵向腹板分割成五块，最小宽度为1.35m，最大宽度为12.25 m（上口分布了20个U形槽口，下口分布了15个U形槽口），横隔板上还设置了竖向及水平方向的加劲板，横隔板切割的精度以及装焊后的加工精度是本工程控制的另一大难点。
 

      2.2.4钢箱梁在加工制作过程中，顶板单元的拼缝焊接导致箱体的变形，如何控制该变形是本工程需控制的另一大重点。
 

      2.2.5桥面钢箱梁分段与分段连接，顶、底板采用焊接，纵向腹板采用栓接，因分段宽度较大、高度较高，分段间截面尺寸的吻合以及焊缝间隙的一致性，是本工程加工制作过程中的第三大难点；另外腹板间对接高强度螺栓孔的穿孔精度是本工程控制的第三个重点。
 

      2.2.6桥面钢箱梁与两侧钢桁架箱梁连接，顶、底板也采用焊接，横隔板间采用了栓接，与上相同，桥面钢箱梁与两侧钢桁架箱梁对接口的截面尺寸及焊缝间隙是本工程加工制作过程中的第四大难点；另外横隔板间对接高强度螺栓孔的穿孔精度是本工程控制的第四个重点。
 

      3  加工制作的总体思路
 

      3.1  钢桁架部分

      钢桁架加工时首先在材料方面加以严格控制，确保其厚度、外形尺寸以及板面平整度。然后以各个分段为单元分别单独进行制作，由板单元——中合拢的加工顺序，在加工制作过程中，划线均采用钢针进行划线，确保安装位置的划线精度；组装时采用各种工装确保装配的精度；焊接时采用较小的线能量、对称、分中的施焊方法尽可能的减小焊接变形；矫正时采用油压机或火焰进行矫正；钻孔时采用数控以及钻模套钻的方法确保高强度螺栓孔的精度，层层把关，精心制作，提高单件的加工精度，而后在整体预拼装胎架上分区段进行预拼装。
 

      3.2  桥面钢箱梁部分
 

      钢箱梁制造时，首先进行板单元的划分（以节段A为例），根据截面形式同时结合材料板宽限制等因素，将顶板划分为12个板单元，宽度为2400~2750mm不等；将顶板划分为13个板单元，宽度为1850~2550mm不等。纵向腹板各自为一个板单元，共计4个；每档横隔板被纵向腹板分割成五块，每块为一个板单元，见图10所示。
 

      为了便于制作，各板单元均应分别进行编号，其编号原则为：所有节段板单元均以该节段字母开头，底板单元以桥面中心线为准，中心线处单元板后缀为A0，从中向左依次为A1~A6、从中向右依次为B1~B6；顶板单元以桥面中心线为准，从中向左依次为C1~C6、从中向右依次为D1~D6；所有节段顶、底板单元划分位置均相同，具体位置见图11所示。
各节段板单元划分后，分别预先进行各节段板单元（顶、底板单元、纵向腹板单元、横隔板单元）的小合拢装焊，合格后分区段在整体组装胎架上采用正造法轮次进行中合拢装焊。而后各节段分别与相对应钢桁架箱形梁进行预拼。
 

 
图10
 

图11  此剖面为桥尾向桥中看

      4  加工制作的关键技术及保证措施
 

      4.1  材料
 

      钢桁架所用钢材材质均为Q345QD，必须符合设计文件的要求和现行标准的规定，除有材料质量证明书外，还应进行复验，复验合格后方能使用。因本工程结构的特殊性，钢桁架箱梁的板厚必须严格控制，以免加工过程中出现板边差影向构件的加工质量以及高强度螺栓的连接质量。
 

      4.1.1  钢材的矫平

      由于本工程加工制作精度要求高，任何的积累误差都会影响到质量控制，为此钢板进厂后先采用钢板矫平机对钢板进行矫平，达到每平米平整度不大于1mm，矫平的目的是消除钢板的残余变形和减少轧制内应力，从而可以减少制造过程中的变形，见图12所示:

     
图12七辊矫平机零件二次矫平
 

4.1.2  钢材的预处理

采用专用钢板预处理生产线对钢板进行除锈，喷车间底漆和烘干，保证钢材的除锈质量达到Sa2.5级，见图13所示:所有钢板均进行预处理，其过程为：矫平→抛丸、除锈→喷漆→烘干
 

图13钢板预处理
 

4.2  下料、切割、刨边

构件放样采用计算机放样技术，放样时必须将工艺需要的各种补偿余量加入整体尺寸中，为了保证切割质量，厚板切割前先进行表面渗碳硬度试验。
 

      本公司吸收国外先进工艺，切割优先采用数控精密切割设备进行设割，选用高纯度98.0%以上的丙稀气加99.99%的液氧气体，可保证切割端面光滑、平直、无缺口、挂渣，坡口采用专用进口切割机进行切割，见14图所示。

 
图14数控切割机数控直条切割机等离子数控切割机坡口专用切割机

      箱形构件的上、下盖板及横隔板、H形构件的腹板及有磨光顶紧要求的接触面等均采用刨边机（见图15）或铣边机加工。
 

      H形构件的腹板、箱形构件的上、下盖板的加工宽度尺寸确定，除考虑焊接收缩量等因素外，还应考虑与其组装的翼板或腹板的板厚偏差，以确保构件的截面尺寸精度。
 

      边缘的刨铣加工深度不应小于3mm(当边缘硬度不超过HV350时，其加工可不受此限制)，加工 面粗糙度不高于25μm，顶紧传力面加工粗糙度不应高于12.5μm，顶紧加工面与板面的垂直度偏差，应小于板厚的1%，且不得大于0.3 mm。
 

图15机加工铣边

4.3  钢桁架加工难点及重点的控制措施

      4.3.1  杆件几何尺寸精度的保证
 

      为保证杆件拼装时拼接板与杆件间的间隙符合规范要求，保证杆件端口尺寸的一致性，制作时同一接口采用同批次同厚度材料下料，端口采用机加工工装隔板进行控制，大大减小了对接口的板厚错变量，见16图所示。
   

 
图16箱梁组装
 

4.3.2  杆件焊接变形的控制

杆件板单元焊接变形的控制是杆件制造的基本要求，也是杆件制造的关键点，板单元小合拢焊接完成后有规律的轻微焊接变形可通过机械矫正措施解决，因此，杆件焊接变形的控制是钢桁梁杆件制造的重点也是关键点，见17图所示。
 
    

   
图17板单元的校正
 

4.4.3  钢桁架箱梁分段间栓接精度的控制

      这种特殊的全栓接钢桁梁的制造钻孔精度是保证结构整体受力及整体成桥线型精度的关键所在。首先将钢桁架箱梁无节点板一端采用高精度数控机床制作专用钻模（螺栓孔径及孔距偏差控制在5丝之内）进行套钻钻孔（分段间连接板与之相同）。 
    

图18上弦杆端口的预先钻孔图
 

而后将钢桁架分段采用分轮次循环预拼装的方法，将分段间的连接板采用工装销轴螺栓进行固定，合格后采用磁座钻进行钢桁架分段节点板端螺栓孔的全位置一次性配钻出孔。
 

图19 箱梁的循环拼装
 
  
图20相邻分段端口的钻孔  

图21 螺栓孔的验收
 

4.5  钢箱梁加工难点及重点的控制措施

4.5.1  板单元精度控制

      板单元制作时，整体铺板，采用钢带统一划线、安装U形肋（U型肋内部应预先进行涂装），同时采用样板检测，合格后各板单元分别在专用反变形焊接胎架上进行施焊，确保其精度。
   

图22 板单元的组装
  
 
图23  板单元的焊接

      4.5.2  底板的整体平整度及U肋开档尺寸控制
 

      为了有效的控制底板板单元间U形肋的开档尺寸，中合拢前可将相邻两块板单元预先拼接（预放 一定的焊接收缩量以及角变形，待焊了几块后也可掌握拼板间实际的焊接收缩及角变形量），而后再进行拼装（各板单元间纵缝按实际焊接收缩量进行加放），适当矫正，从而控制住底板U形肋的开档尺寸以及板面的平整度。
 

      4.5.3  横隔板单元精度的控制

      横隔板下料时采用数控等离子切割，切割后采用专用样板进行检查，加劲板与横隔板焊接时采用 CO2气保焊配以小电流、小电压的焊接方法进行施焊，有效减少焊接变形，控制横隔板单元的质量。
 

      4.5.4  桥面钢箱梁角变形的控制

      顶板单元纵缝焊接会造成一定的焊接角变形，此焊接角变形的解决方法是：在确保胎架制作精度的基础上，另外在胎架上另外增设垫板，制作出一反变形，以抵消顶板焊接所造成的变形。
   

图24 角变形的检查
 

4.5.5  桥面钢箱梁分段间的接口保证措施

（1）桥面钢箱梁制造时，采用几个分段一起整体拼装，组装及焊接均采用相同的方法进行，另外在分段接口处预留一段不焊，待分段组对合格后进行施焊，确保分段间对接的平齐。
      （2）两分段接口处一端正作，另一端加放余量进行配切，确保接口焊缝间隙。
      （3）分段间纵向腹板的螺栓孔，正作端预先钻孔，另一端可在相邻分段制作合格后采用现场连接板进行配钻，确保腹板栓接的质量。
      4.5.6  桥面钢箱梁与钢桁架箱梁间接口保证措施
      （1）桥面钢箱梁在装焊过程中，两侧开口处适当加设临时支撑予以加强，确保与钢桁架箱梁间连接的开档尺寸。
      （2）桥面钢箱梁两侧预留配切余量，待箱体焊接、矫正合格后再进行切割，确保与钢桁架箱梁间接口的焊缝间隙。
      (3）桥面钢箱梁与钢桁架箱梁相连接的横隔板，安装时先进行初定位，待预拼时再精确定位，而后施焊，同时采用现场连接板将其螺栓孔进行套钻（钢桁架连接板已经制孔，现场连接板也预先制孔，桥面钢箱梁边侧连接板后钻），以保证横隔板连接的精度。
      

      5、结  语
      通过无锡匮大桥钢结构工程的制造实践，在总结了以往大型公路、铁路桥梁钢构件制作经验的基础上，制定了一套适合本工程钢桁架、钢箱梁结构特点、施工条件的工艺技术方案和质量保证措施，钢桁架、钢箱梁的焊接质量、几何尺寸精度、穿孔率等均满足了设计要求，此种下承式钢桁架+钢箱梁结构体系的制作工艺技术为今后类似桥梁的设计和制造提供了新的思路和经验参考。

      参考文献
      [1]  JTJ 041-2000   公路桥涵施工技术规范[S]
      [2]  TB 10212-2009   铁路钢桥制造规范[S]

      作者简介：李翠光（1965-）江苏沪宁钢机股份有限公司，高级工程师，
      联系地址：江苏省宜兴市张渚镇百家村（214231）。