恩施至来凤高速公路忠建河特大桥上弦杆制造工艺技术研析
2017-04-12
1工程概况
恩施至来凤高速公路忠建河特大桥主桥全长760m，为（46+134+400+134+46）m双塔双索面钢桁加劲梁斜拉桥，如图1所示。钢桁加劲梁设计为N形桁架，两片主桁，主桁中心间距26m，桁高6m，节间长度分为6、5、4m三种，主桁采用焊接整体节点结构形式。主桁上弦杆采用箱形截面，顶面设置2%横坡，斜腹杆及竖腹杆采用H形截面。
2上弦杆特点及制造工艺方案分析
主桁上弦杆采用整体节点箱形结构，其主要特点是：单杆设两个大型节点，且上弦杆在节点位置设锚固结构。为此如何保证两大型节点间距以及与两端栓孔的关系，是制造方案解决的关键。上弦杆及箱内锚箱构造如图2及图3所示。
上弦杆结构比较复杂，由上下水平板、竖板、隔板、肋板、腹杆接头板以及锚固结构组成，每根弦杆设有两个节点，且每个节点均设有锚固结构，由此增加了杆件的制造难度。杆件在两端设高强度螺栓孔，完成桁片之间的连接。为此，上弦杆制造须采用专用的胎型组装、可靠的钻孔工艺，严格控制组装和制孔精度，保证杆件的制造质量符合规范要求。
3制造工艺流程
（1）下料。板材经过预处理线完成预处理后，对于不规则形状零件，采用数控切割机下料。下料时对主要边缘和焊接边等预留机加工量。
（2） 机加工。1）节点板：节点板完成下料并经赶板机赶平后，进行精确划线，包括腹杆轴线、水平中心线、锚管投影线、对接头机加工线等。以系统中心线为基准机加工对接头，划线考虑焊接收缩量。如图3所示。2）竖板划竖板平直段水平中心线，机加工对接头及坡口，并保证对接头与水平中心线的垂直度。两节点间竖板以及基准头端竖板加工两头及坡口，长度预留焊接收缩量。非基准端竖板加工一头及坡口，另一头留二切量。3）上、下水平板：采用分段下料的方法，机加工两边、基准头和对接头及坡口，确保两边与基准头垂直。 4）隔板：横隔板对控制杆件的断面尺寸、防止扭曲变形至关重要，加工精度必须严格控制。以槽口为基准用样板划线加工四边，确保槽口位置及相邻边垂直度。5）锚腹板及其加劲板：预留焊接收缩量，划线加工焊接边及坡口；加劲板机加工焊接边。
（3）接料。接料包括水平板和竖板单元的接料，要求严格控制各方位尺寸关系，偏差在合格范围内再进行焊接。严格保证焊接质量及接料直线度。接料前对焊接边进行加工，竖板接料保证节点板与竖板平直段的直线度。
（4）钻孔。杆件的制孔精度是钢桁梁杆件的关键控制项点，直接关系到桥梁的架设安装精度，其制孔的工艺方案的制定也显得尤为重要。
根据构件的结构特点，非组焊件和结构较为简单且几何尺寸较小的构件可采用先孔法钻制，如拼接板、横梁腹板接头板等板件采用平板数控钻床或样板钻制。
（5）组箱体。杆件的结构决定了必须采用倒位组装，以保证组装精度，完成箱内上水平板与竖板角焊缝的施焊。组装在专用组装胎型上完成。组装流程示意如图4所示。1）组装箱内横隔板：上水平板基准头由组装胎端头定位挡座定位，上水平板的中心线与胎型中心线找正对齐后，两侧用挡角卡紧固定，然后划线组装箱内隔板。2）组装两侧的竖板单元：在定位端将竖板用端头定位挡座定位，调整胎型顶紧装置并顶紧。竖板用端头定位挡座定位，通过端头定位挡座来保证两竖板的内口尺寸；完成箱内主角焊缝、隔板焊缝的施焊，焊后火焰修整。 3）组装下水平板：以基准端定位组装，保证杆件两竖板基准头平齐，竖板与内隔板密贴。4）组装锚箱单元：划线组焊锚箱单元，严格控制锚箱的位置和角度，焊接检验合格后，依次组焊锚箱其余件。严格控制焊接变形。
（6）箱体钻孔：杆件焊接修整后，箱形钻孔采用数控钻床钻制定位孔，然后再用样板接钻的方法。以节点系统线为基准，利用数控钻床定位钻制一端定位孔。数控钻床精度可以保证两侧竖板定位孔的相对位置准确。利用大型覆盖式组合样板以定位孔为基准钻制竖板其余栓孔。如图5所示。
4整体节点杆件制作关键环节控制
本桥上弦杆采用整体节点结构，从制造工艺角度看，主要零件机加工、接料、组装、钻孔、焊接则是整体节点杆件制造的关键环节。
4.1零件机加工控制
（1）箱形杆件隔板机加工控制。隔板切割下料后，机加工四边，保证加工角度与尺寸精度。同批次机加工的隔板在同一边缘作标记，在划线组装时根据标记同向组装隔板，以保证杆件直度，防止杆件扭曲。
（2）节点板机加工控制。节点板数控切割下料，完成下料并经赶平机赶平后，进行精确划线，包括斜腹杆轴线、水平中心线、竖腹杆轴线、对接头及基准头机加工线等。如图6所示。
机加工与竖板平直段对接的端头，使之与水平中心线垂直，以保证与竖板平直段对接焊。
以竖腹杆轴线为基准加工基准头，严格控制基准头至竖腹杆轴线的距离及与水平中心线的垂直度，使基准头能够可靠的作为杆件组装、钻孔的基准。
4.2接料控制
严格保证焊接质量及接料直线度。特别是保证节点板与竖板平直段的接料直线度。将两板水平中心线重合，并检查上边缘直线度，确保A、B、C、D、E五点在同一直线上。如图7所示。
4.3组装、整体节点内宽控制
为确保腹杆插入顺利或对拼及栓接面的密贴，需采取技术措施严格控制弦杆整体节点间腹杆插入部位内宽。
隔板、水平板及节点内撑板的边缘机加工，严格控制宽度公差。
精确预留焊接收缩量，以消除焊接收缩的影响。
杆件组装焊接完成后，进行必要的火焰矫正，使整体节点内宽符合标准要求。
整体节点内宽控制要充分考虑摩擦面漆膜厚度影响，以确保腹杆顺利插入。
4.4焊接变形控制
箱形弦杆组焊成整体后，刚度又很大，变形极难修整，尤其是扭曲变形，矫正十分棘手。对变形的控制，主要是对容易造成变形的环节采取措施。
（1）零件加工精度必须严格控制。
（2）钢板接料、单元件组焊修、箱体组焊修、附属件组焊修均在胎型或平台上进行，防止或减少热加工中因杆件自重影响而产生变形。
4.5 杆件钻孔控制
杆件钻孔的最关键所在就是如何保证两相对面孔的同心度和相邻两面孔的相对位置。杆件钻孔尽可能采用数控钻床。
整体节点弦杆由于结构的不对称性，焊接时易产生弯曲、扭曲等焊接变形，如果采用先钻孔后组焊的工艺，将会导致因焊接变形及修整收缩而使栓孔精度无法保证，尤其是不能保证杆件各个平面栓孔的相对位置。因此，必须采用在组焊为箱体后再钻孔的工艺。且杆件组焊后难以出孔，故采用在组焊前钻孔然后以孔定位组装的方案。
5结语
针对恩施至来凤高速公路忠建河特大桥上弦杆制造特点和制造难点，同时结合以往数座桁梁桥制造的成功经验，通过以上工艺方案的研究及关键环节控制和生产过程中的不断完善，有效地控制了上弦杆杆件各部位的尺寸精度，组装位置及角度，保证了杆件的质量。实际生产表明，忠建河特大桥上弦杆的制造工艺能够满足设计规范要求，达到了预期目标。
