鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘要:結合無錫金匱大橋鋼結構（下承式鋼桁架+鋼箱梁結構體系）工程的制造實踐，針對鋼桁架、鋼箱梁的結構特點、加工制作的難點、重點以及實際施工條件，介紹了鋼桁架、鋼箱梁制造過程中的重點工藝技術及質量保證措施。
關鍵詞:下承式體系 鋼桁架、鋼箱梁制造預拼裝 工藝技術 質量控制
1 工程概況
無錫市太湖大道節點改造工程JKQ2 標（以下簡稱無錫金匱大橋鋼結構）采用了下承式鋼桁梁+鋼箱梁結構體系，主橋跨徑布置為55m+105m+55m=215m,橋面為雙向八車道、兩側為非機動車道和人行道。主桁由兩片鋼桁架組成，主桁中心距離33m，節間距離7～13.5m，主桁高度采用二次拋物線變化形式，兩邊跨矢高f=3m，中跨矢高f=10.5m，中支點處高17m。中間為鋼箱梁橋面，寬30m，在兩片主桁的外側各挑出5.9m的懸臂托架支撐非機動車道及人行道，橋面總寬度46.0m。本橋整體結構示意見圖1及立面布置見圖2所示。
圖1 金匱橋鋼結構整體軸測示意圖
圖2 金匱橋橋型立面布置圖
1.1 結構形式
1.1.1 鋼桁架結構形式
鋼桁架下弦和上弦系桿均采用了焊接整體節點結構形式，鋼桁架上、下弦桿采用箱型截面，上弦桿件截面為□2215X1200X（20～28）X（20～32），下弦截面為□1500X1200X（20～36）X（20～32）；鋼桁架斜桿和豎桿均采用焊接H形截面，截面尺寸為H1200X500X24X24、H1200X700X24X24、H1200X500X28X32、H1200X700X28X32、H1200X700X32X32、H1200X1100X32X40、H1200X760X32X32等，鋼桁架整體結構示意圖見圖3所示。
圖3鋼桁架軸測圖
1.1.2 橋面鋼箱梁結構形式
橋面鋼箱梁總長215m，寬度為30m，截面高度2.21~2.45m（頂板設有1.5%的斜坡），重約3580噸。主要由頂板（16m m）、底板（14m m）、縱向腹板（14m m）、橫隔板（14m m）、U形肋（8m m）、加勁板（10~14m m）等組合而成，橋面鋼箱梁整體結構示意圖見圖4所示。
圖4 橋面鋼箱梁軸測圖
1.2 分段的劃分
1.2.1 鋼桁架分段的劃分
單榀鋼桁架上弦分為24個分段，其中A1A2~A11A12分別對稱制作各1件，中部分段為A12A13、A13A12’各制作1件。單榀鋼桁架下弦分為23個分段，其中E0E1~E10E11分別對稱制作各1件，中部分段為E11E11’制作1件，見圖5所示。
圖5鋼桁架分段劃分示意圖（以1/2為例）
1.2.2 橋面鋼箱梁分段的劃分
橋面鋼箱梁根據現場吊裝要求，將其劃分為23個節段，分別為節段A~節段L。其中節段A~節段K分別2件，節段L為1件，見圖6所示：
圖6橋面鋼箱梁分段劃分示意圖（以1/2為例）
1.3 連接節點形式
1.3.1 鋼桁架典型節點
鋼桁架上弦桿主要采用帶肋箱形截面桿件，弦桿與腹桿連接端采用了整體節點板構造，并且腹桿與弦桿節點板間采用了插入式的栓接連接方法；弦桿與弦桿間的連接則是四周均采用了全栓接連接的形式，見圖7所示；
圖7 鋼桁架連接節點形式
1.3.2 橋面鋼箱梁分段間的連接
分段間頂、底板均采用焊接，頂、底板上U型肋、縱向腹板上加勁板通過制作嵌補段進行連接，縱向腹板連接采用栓接，見圖8所示。
圖8 橋面鋼箱梁分段間連接示意
1.3.3 橋面箱形梁分段與鋼桁架箱梁間的連接
鋼桁架與橋面鋼箱梁間頂、底板均采用焊接，鋼箱梁橫隔板與鋼桁架上連接板采 用栓接，見圖9所示。
圖9 橋面鋼箱梁與鋼桁架間連接示意圖
2 加工制作的重點及難點分析
2.1 鋼桁架
2.1.1由于鋼桁架箱形梁總長約215米，制作時需分段進行加工，如何保證各分段間的接口質量是本工程的技術重點。
2.1.2鋼桁架弦桿分段間以及腹桿與弦桿間均采用了栓接，其連接孔群復雜且數量較多，制作精度要求較高，增加了桿件制作的難度。
2.1.3鋼桁架腹桿與弦桿節點板間采用了插入式的連接方法，導致弦桿節點板間的開檔尺寸、腹桿截面尺寸的制作要求大大提高，另外，對接觸面間的平整度要求也相應提高，是本工程加工過程中控制的重點。
2.1.4鋼桁架下弦兩側通過栓焊連接方式與橋面鋼箱梁及橋面人行道托架進行連接，對下弦懸挑部分的開檔尺寸以及隔板的裝焊精度提出了更高要求。
2.2 橋面鋼箱梁
2.2.1因橋面鋼箱梁寬度達30m，頂、底板制作時需預先劃分成許多大小不等的板單元，各板單元的制作精度（板面的平整度、U形肋的開檔尺寸等）直接影響鋼箱梁的質量，因此，板單元制作的精度是本工程控制的一大重點。
2.2.2由于頂板下口沿寬度方向分布了48根U形肋，U形肋中心開檔尺寸為600~900不等；底板上口沿寬度方向分布了36根U形肋，U形肋中心開檔尺寸為640~1075不等，在保證各板單元加工精度后，還需保證各板單元拼接后的整體精度（板面的整體平整度、U形肋的開檔尺寸等），這是本工程的一大難點。
2.2.3單塊橫隔板總寬為30m，被四塊縱向腹板分割成五塊，最小寬度為1.35m，最大寬度為12.25 m（上口分布了20個U形槽口，下口分布了15個U形槽口），橫隔板上還設置了豎向及水平方向的加勁板，橫隔板切割的精度以及裝焊后的加工精度是本工程控制的另一大難點。
2.2.4鋼箱梁在加工制作過程中，頂板單元的拼縫焊接導致箱體的變形，如何控制該變形是本工程需控制的另一大重點。
2.2.5橋面鋼箱梁分段與分段連接，頂、底板采用焊接，縱向腹板采用栓接，因分段寬度較大、高度較高，分段間截面尺寸的吻合以及焊縫間隙的一致性，是本工程加工制作過程中的第三大難點；另外腹板間對接高強度螺栓孔的穿孔精度是本工程控制的第三個重點。
2.2.6橋面鋼箱梁與兩側鋼桁架箱梁連接，頂、底板也采用焊接，橫隔板間采用了栓接，與上相同，橋面鋼箱梁與兩側鋼桁架箱梁對接口的截面尺寸及焊縫間隙是本工程加工制作過程中的第四大難點；另外橫隔板間對接高強度螺栓孔的穿孔精度是本工程控制的第四個重點。
3 加工制作的總體思路
3.1 鋼桁架部分
鋼桁架加工時首先在材料方面加以嚴格控制，確保其厚度、外形尺寸以及板面平整度。然后以各個分段為單元分別單獨進行制作，由板單元——中合攏的加工順序，在加工制作過程中，劃線均采用鋼針進行劃線，確保安裝位置的劃線精度；組裝時采用各種工裝確保裝配的精度；焊接時采用較小的線能量、對稱、分中的施焊方法盡可能的減小焊接變形；矯正時采用油壓機或火焰進行矯正；鉆孔時采用數控以及鉆模套鉆的方法確保高強度螺栓孔的精度，層層把關，精心制作，提高單件的加工精度，而后在整體預拼裝胎架上分區段進行預拼裝。
3.2 橋面鋼箱梁部分
鋼箱梁制造時，首先進行板單元的劃分（以節段A為例），根據截面形式同時結合材料板寬限制等因素，將頂板劃分為12個板單元，寬度為2400~2750mm不等；將頂板劃分為13個板單元，寬度為1850~2550mm不等。縱向腹板各自為一個板單元，共計4個；每檔橫隔板被縱向腹板分割成五塊，每塊為一個板單元，見圖10所示。
為了便于制作，各板單元均應分別進行編號，其編號原則為：所有節段板單元均以該節段字母開頭，底板單元以橋面中心線為準，中心線處單元板后綴為A0，從中向左依次為A1~A6、從中向右依次為B1~B6；頂板單元以橋面中心線為準，從中向左依次為C1~C6、從中向右依次為D1~D6；所有節段頂、底板單元劃分位置均相同，具體位置見圖11所示。
各節段板單元劃分后，分別預先進行各節段板單元（頂、底板單元、縱向腹板單元、橫隔板單元）的小合攏裝焊，合格后分區段在整體組裝胎架上采用正造法輪次進行中合攏裝焊。而后各節段分別與相對應鋼桁架箱形梁進行預拼。
圖10
圖11 此剖面為橋尾向橋中看
4 加工制作的關鍵技術及保證措施
4.1 材料
鋼桁架所用鋼材材質均為Q345QD，必須符合設計文件的要求和現行標準的規定，除有材料質量證明書外，還應進行復驗，復驗合格后方能使用。因本工程結構的特殊性，鋼桁架箱梁的板厚必須嚴格控制，以免加工過程中出現板邊差影向構件的加工質量以及高強度螺栓的連接質量。
4.1.1 鋼材的矯平
由于本工程加工制作精度要求高，任何的積累誤差都會影響到質量控制，為此鋼板進廠后先采用鋼板矯平機對鋼板進行矯平，達到每平米平整度不大于1mm，矯平的目的是消除鋼板的殘余變形和減少軋制內應力，從而可以減少制造過程中的變形，見圖12所示:
圖12七輥矯平機零件二次矯平
4.1.2 鋼材的預處理
采用專用鋼板預處理生產線對鋼板進行除銹，噴車間底漆和烘干，保證鋼材的除銹質量達到Sa2.5級，見圖13所示:所有鋼板均進行預處理，其過程為：矯平→拋丸、除銹→噴漆→烘干
圖13鋼板預處理
4.2 下料、切割、刨邊
構件放樣采用計算機放樣技術，放樣時必須將工藝需要的各種補償余量加入整體尺寸中，為了保證切割質量，厚板切割前先進行表面滲碳硬度試驗。
本公司吸收國外先進工藝，切割優先采用數控精密切割設備進行設割，選用高純度98.0%以上的丙稀氣加99.99%的液氧氣體，可保證切割端面光滑、平直、無缺口、掛渣，坡口采用專用進口切割機進行切割，見14圖所示。
圖14數控切割機數控直條切割機等離子數控切割機坡口專用切割機
箱形構件的上、下蓋板及橫隔板、H形構件的腹板及有磨光頂緊要求的接觸面等均采用刨邊機（見圖15）或銑邊機加工。
H形構件的腹板、箱形構件的上、下蓋板的加工寬度尺寸確定，除考慮焊接收縮量等因素外，還應考慮與其組裝的翼板或腹板的板厚偏差，以確保構件的截面尺寸精度。
邊緣的刨銑加工深度不應小于3mm(當邊緣硬度不超過HV350時，其加工可不受此限制)，加工 面粗糙度不高于25μm，頂緊傳力面加工粗糙度不應高于12.5μm，頂緊加工面與板面的垂直度偏差，應小于板厚的1%，且不得大于0.3 mm。
圖15機加工銑邊
4.3 鋼桁架加工難點及重點的控制措施
4.3.1 桿件幾何尺寸精度的保證
為保證桿件拼裝時拼接板與桿件間的間隙符合規范要求，保證桿件端口尺寸的一致性，制作時同一接口采用同批次同厚度材料下料，端口采用機加工工裝隔板進行控制，大大減小了對接口的板厚錯變量，見16圖所示。
圖16箱梁組裝
4.3.2 桿件焊接變形的控制
桿件板單元焊接變形的控制是桿件制造的基本要求，也是桿件制造的關鍵點，板單元小合攏焊接完成后有規律的輕微焊接變形可通過機械矯正措施解決，因此，桿件焊接變形的控制是鋼桁梁桿件制造的重點也是關鍵點，見17圖所示。
圖17板單元的校正
4.4.3 鋼桁架箱梁分段間栓接精度的控制
這種特殊的全栓接鋼桁梁的制造鉆孔精度是保證結構整體受力及整體成橋線型精度的關鍵所在。首先將鋼桁架箱梁無節點板一端采用高精度數控機床制作專用鉆模（螺栓孔徑及孔距偏差控制在5絲之內）進行套鉆鉆孔（分段間連接板與之相同）。
圖18上弦桿端口的預先鉆孔圖
而后將鋼桁架分段采用分輪次循環預拼裝的方法，將分段間的連接板采用工裝銷軸螺栓進行固定，合格后采用磁座鉆進行鋼桁架分段節點板端螺栓孔的全位置一次性配鉆出孔。
圖19 箱梁的循環拼裝
圖20相鄰分段端口的鉆孔
圖21 螺栓孔的驗收
4.5 鋼箱梁加工難點及重點的控制措施
4.5.1 板單元精度控制
板單元制作時，整體鋪板，采用鋼帶統一劃線、安裝U形肋（U型肋內部應預先進行涂裝），同時采用樣板檢測，合格后各板單元分別在專用反變形焊接胎架上進行施焊，確保其精度。
圖22 板單元的組裝
圖23 板單元的焊接
4.5.2 底板的整體平整度及U肋開檔尺寸控制
為了有效的控制底板板單元間U形肋的開檔尺寸，中合攏前可將相鄰兩塊板單元預先拼接（預放 一定的焊接收縮量以及角變形，待焊了幾塊后也可掌握拼板間實際的焊接收縮及角變形量），而后再進行拼裝（各板單元間縱縫按實際焊接收縮量進行加放），適當矯正，從而控制住底板U形肋的開檔尺寸以及板面的平整度。
4.5.3 橫隔板單元精度的控制
橫隔板下料時采用數控等離子切割，切割后采用專用樣板進行檢查，加勁板與橫隔板焊接時采用 CO2氣保焊配以小電流、小電壓的焊接方法進行施焊，有效減少焊接變形，控制橫隔板單元的質量。
4.5.4 橋面鋼箱梁角變形的控制
頂板單元縱縫焊接會造成一定的焊接角變形，此焊接角變形的解決方法是：在確保胎架制作精度的基礎上，另外在胎架上另外增設墊板，制作出一反變形，以抵消頂板焊接所造成的變形。
圖24 角變形的檢查
4.5.5 橋面鋼箱梁分段間的接口保證措施
（1）橋面鋼箱梁制造時，采用幾個分段一起整體拼裝，組裝及焊接均采用相同的方法進行，另外在分段接口處預留一段不焊，待分段組對合格后進行施焊，確保分段間對接的平齊。
（2）兩分段接口處一端正作，另一端加放余量進行配切，確保接口焊縫間隙。
（3）分段間縱向腹板的螺栓孔，正作端預先鉆孔，另一端可在相鄰分段制作合格后采用現場連接板進行配鉆，確保腹板栓接的質量。
4.5.6 橋面鋼箱梁與鋼桁架箱梁間接口保證措施
（1）橋面鋼箱梁在裝焊過程中，兩側開口處適當加設臨時支撐予以加強，確保與鋼桁架箱梁間連接的開檔尺寸。
（2）橋面鋼箱梁兩側預留配切余量，待箱體焊接、矯正合格后再進行切割，確保與鋼桁架箱梁間接口的焊縫間隙。
(3）橋面鋼箱梁與鋼桁架箱梁相連接的橫隔板，安裝時先進行初定位，待預拼時再精確定位，而后施焊，同時采用現場連接板將其螺栓孔進行套鉆（鋼桁架連接板已經制孔，現場連接板也預先制孔，橋面鋼箱梁邊側連接板后鉆），以保證橫隔板連接的精度。
5、結 語
通過無錫匱大橋鋼結構工程的制造實踐，在總結了以往大型公路、鐵路橋梁鋼構件制作經驗的基礎上，制定了一套適合本工程鋼桁架、鋼箱梁結構特點、施工條件的工藝技術方案和質量保證措施，鋼桁架、鋼箱梁的焊接質量、幾何尺寸精度、穿孔率等均滿足了設計要求，此種下承式鋼桁架+鋼箱梁結構體系的制作工藝技術為今后類似橋梁的設計和制造提供了新的思路和經驗參考。
參考文獻
[1] JTJ 041-2000 公路橋涵施工技術規范[S]
[2] TB 10212-2009 鐵路鋼橋制造規范[S]
作者簡介：李翠光（1965-）江蘇滬寧鋼機股份有限公司，高級工程師，
聯系地址：江蘇省宜興市張渚鎮百家村（214231）。
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