倒梯形双层桥面钢桁梁制造关键技术

贺红星，邓运生，胡 鼎，朱金远，袁 达，刘雪成，谢 卫，田 浩

常见钢桁梁形式有矩形截面钢桁梁、单层桥面钢桁梁，其杆件、板单元件等构件的制造技术较成熟。不同于常见钢桁梁，蟠龙大桥主桥钢梁为倒梯形双层桥面钢桁梁，其空间弦杆、上下层桥面板等的制造及拼装存在一些难点，无法直接借鉴常见钢桁梁的制造技术。本文分析蟠龙大桥主桥钢桁梁特点，通过节段科学划分、下料精度严格控制、专用组装胎架等制造关键技术的采用，有效地解决了倒梯形双层桥面钢桁梁制造难题，保证了制造质量。

1 工程概况

赣州蟠龙大桥主桥跨越章江，共5 跨（54+63+108+108+63）m，全长396m。主桥上部结构为三塔单索面钢桁梁矮塔斜拉桥，主梁和主塔均为钢结构。蟠龙大桥主桥立面布置见图1。

图1 赣州蟠龙大桥主桥立面图

主桥含双层钢桥面钢桁梁组合梁和三座钢塔，总重约8300t。主梁为板桁结合钢桁梁，桁架为倒梯形（图2），主要由两片主桁、上层桥面板及下层桥面板构成，两侧桁片与上、下桥面板间连接为焊接形式，桁片均采用双节间全焊桁片结构型式。

图2 桥面系结构形式及组成

片桁设计节段长度为9m/段，每榀桁片由1根上弦杆、一根下弦杆和3 根腹杆全焊接而成，上下弦杆为闭口箱型截面，腹杆为矩形截面。腹杆为空间斜腹杆，外倾角度为15°。

上、下层桥面均采用正交异性钢桥面板，桥面结构由面板单元、纵梁、横梁组成（图3）。桥面板和片桁的上、下弦杆顶/底面焊接在一起形成板桁组合结构。

图3 主梁桁架结构示意图

2 主桥制造难点

与常见矩形截面钢桁梁、单层桥面钢桁梁相比，本桥主桥制造难点有以下几点。

1）钢桁梁设计沿纵桥向划分为44 个节段，其中上弦杆节点有6 种不同类型，下弦杆节点有8种不同类型，每一节点的弦杆与斜腹杆的夹角均存在差异，使得场内加工控制难度大；节点处腹杆接头内侧板与上、下弦杆底、顶板倾斜相交（图4）。上下弦杆拼装是内场制造难点。

图4 主梁结构部位示意图

2）主桥钢桁梁腹杆为空间杆件，与上下弦杆形成的夹角种类多，且存在外倾角度，对下料、加工精度要求高，难度大。保证弦杆节点精确安装制造，是内场制造难点。

3）腹杆分为上弦杆接头、下弦杆接头和腹杆中间段三段，上下接头与上下弦杆一起加工，中间段独立加工，分段断面采用熔透焊接的形式连接。在考虑焊缝以及温度变化的前提下，准确控制斜腹杆三段长度，也是钢桁梁内场及现场制造的难点。

4）钢桁梁为双层倒梯形结构，片桁安装时，由于重力影响，在焊接之前难以维持稳定，如何精确定位并临时固定片桁结构，是钢桁梁现场制造的难点及重点。

5）桥面板U 肋数量大，面板单元件成细长状，刚度较小，且本桥为双层桥面，板件数量多，如何控制桥面焊接变形，为钢桁梁双层桥面板制造难点。

3 总体方案

蟠龙大桥主桥片桁弦杆、腹杆及桥面板单元件采用工厂散件加工，现场拼装焊接的方式，钢梁首件制作完成后，首先在工场内进行总拼，对各构件尺寸进行检查验收，符合设计图纸要求后，开始批量制造。由于腹杆与上、下弦杆间的夹角不固定，为保证夹角准确，腹杆上下接头在工厂内同上下弦杆一起制作。制作好的单元件和片桁陆运至桥位处，进行总装匹配焊接。

采用工厂加工制造、现场拼装的方式，对钢结构制造精度要求高，一旦制造的几何尺寸存在误差将直接累积到实桥中，且无法消除，对现场顶推安装进度和精度将带来极大的影响。

4 倒梯形双层桥面钢桁梁制造关键技术

为解决倒梯形双层桥面钢桁梁制造遇到的难题，保证钢桁梁制造质量，在借鉴常见钢桁梁桥制造经验基础上，充分考虑本桥桁架杆件及桥面板特征，提出了倒梯形双层桥面钢桁梁制造关键技术。

4.1 弦杆节点精确制作技术

上下弦杆的节点板均在工厂内制作，节点板系统线种类繁多，腹杆的上下弦杆接头与上、下弦杆形成的夹角存在细微变化，按照上下弦杆与腹杆接头分开制作，然后进行焊接的方法，很难将节点板系统线的角度控制好，且腹杆接头与上下弦杆的平面均存在斜向相交的情况。

1）弦杆节点板精确制作技术，是将腹杆接头与弦杆之间夹角的空间问题转化为平面问题，使角度控制变得容易。将弦杆与腹杆接头作为一个整体下料，只需要下料前在钢板原材平面上画出每个节点板对应的轮廓和角度即可精确制造出与之对应的节点板的一个面（图5），使用相同的方法制作出节点板的另一个面，再将两个面板进行组装即可。

图5 节点板处面板下料示例

2）得到两个角度准确的面板后，只需要控制好斜腹杆的外倾角度即可制作出腹杆接头与弦杆间角度准确的节点板。

采用专用槽型组装胎架，以横基线为基准，先进行底板、U 肋和底板纵向条肋焊接，然后划线组装隔板，隔板总体为平行四边形，锐角为75°，边长以弦杆闭口箱的内边为准，在隔板四面上根据条肋宽度和厚度开设4 个条肋卡槽，先将剩余三面条肋与腹（顶）板焊接完成后，再进行组装。

下弦杆顶板组装时，由于与内侧腹板上的腹杆接头存在斜向相交情况，无法直接进行安装。为此根据腹杆接头尺寸在顶板上进行开孔，使腹杆接头能够直接穿过顶板，顶板安装到位后，对相贯线孔洞进行焊接。

顶板开孔时，根据腹板倾斜角度（15°）控制好开孔内壁坡度，以满足后续坡口焊接要求。为尽量减少开孔长度，腹杆接头末端在顶板上的投影长度不得大于顶板于腹板相贯线长度，开孔长度为相贯线长度+4cm。所有斜腹杆外倾角度均为15°，采用一套槽型胎架即可适用于所有上弦杆或下弦杆制作，节省材料并能最小化偶然误差。弦杆节点板制造过程示意见图6。

图6 弦杆节点板制造示意图

4.2 空间斜腹杆制作安装控制技术

蟠龙大桥主桥钢桁架空间斜腹杆为闭口箱型，截面为矩形截面。斜腹杆中间段单独制作，现场焊接安装，上、下接头与上、下弦杆一起制作。斜腹杆的制作和安装存在的问题及措施如下。

1）制作 由于上下腹杆接头同上下弦杆一起制作，且安装时是以上下弦杆之间净距作为依据，接头之间的部分即为斜腹杆中间段，在正式拼装前，中间段下料长度虽可控制在一定区间内，但要在考虑焊缝宽度以及焊接变形的前提下控制精确却很难。

中间段长度精确控制是空间斜腹杆安装控制技术主要措施之一，其原理为在同一节段上下弦杆接头制作完成后再进行中间段制作。在焊缝宽度不能精确到毫米时，在计算出腹杆中间段和焊缝总长度的前提下，按较小值（约2cm）预估两端焊缝宽度，下料原则为“宁长勿短”，这样可将斜腹杆中间段制作长度控制在+5cm 范围内，稍长部分采用现场打磨切割处理即可。

2）安装 由于桁架斜腹杆为闭口箱型，在对接焊接时，箱内焊缝没有作业空间，无法实施。

空间斜腹杆安装控制技术是在斜腹杆上下弦杆接头处各取下一块40cm 宽钢板为闭口箱型内部焊缝提供作业空间，在内部焊缝施工完成后，再将两块钢板复原（图7）。

图7 腹杆内部焊缝施工

4.3 倒梯形钢桁架安装临时固定技术

对倒梯形钢桁架结构来说，腹杆除与上下弦杆间存在不同夹角外，还存在15°外倾角度，空间斜腹杆拼装时难以精确定位；在片桁安装时受自身重力Gtan15°的外倾力，难以临时固定。

钢桁架安装临时固定方式为：①采用专用拼装胎架将空间斜腹杆拼装转换为平面卧拼，降低安装定位难度；②在安装时采用专门设计三角支架抵抗倒梯形片桁重力引起的外倾力。

1）应用专用组拼胎架，上、下弦杆均在专用组装胎架上采用卧拼工艺组装（腹杆平面保持水平状态，上、下弦杆成设计角度进行组装和焊接）。组拼胎架采用型材制造，按杆件结构外形设计，能有效控制杆件的外形结构特点。胎架斜撑板按杆件倾斜角度设计，与胎架立柱采用焊接连接，腹杆杆件拼装时，上、下弦杆通过加板点焊与胎架临时固定，有效保证腹杆与上、下弦杆间的角度。在胎架上设置纵、横基线和基准点，以控制杆件的位置和高度，确保各部位尺寸。胎架外设置独立的基线、基点，以便随时对胎架进行检测和校正。

2）应用专门设计的临时桁架作为片桁安装时临时受力构件。拼装好的片桁重量大约为80t，设计临时支撑桁架时充分考虑片桁安装时的外倾力，临时桁架由[20 型钢焊接而成，断面为三角形，以四根∅325×10 钢管桩作为基础，分别从水平和竖直两个方向连接片桁，保证片桁在完成与桥面板的焊接前处于稳定状态（图8）。

图8 临时支撑桁架

5 结语

蟠龙大桥倒梯形双层桥面钢桁梁制造关键技术的研究与应用，有效解决了其钢桁梁空间斜腹杆下料精度控制、安装定位困难的问题，也提出了倒梯形桁架安装临时固定、钢桥面板现场拼装解决方式。上述关键技术的顺利实施，保证了主桥钢桁梁及桥面板的制造精度及施工效率，为主桥顶推落梁提供了保障，该桥于2021 年9 月1 日开始场内加工制作，2022 年3 月20 日完成第三轮顶推，期间施工过程顺利，钢桁架和桥面板拼装质量良好，拼装工效高，验证了蟠龙大桥倒梯形双层桥面钢桁梁制造关键技术的可行性，为今后类似桥梁建设提供了有益经验参考。