常泰长江大桥主航道桥整节段制造线形控制技术研究

摘要 大跨度钢桁梁桥的线形控制是桥梁能否顺利安装完成并达到设计要求线形的关键，主要取决于加工制造的精度和预拱度控制。常泰长江大桥主航道桥为主跨1 176 m的双塔双索面斜拉桥，空间构造复杂，拼装线形控制难度大，通过对此桁梁桥整节段制造线形控制技术的研究分析，结合技术创新，采用主梁标准吊装段两节间为一个节段在工厂整体制造的工艺，以控制杆件制造、节段拼装精度等措施确保制造质量，并采用数字化技术模拟验证其制造及拼装工艺的可行性。经过实践验证，按照工艺措施方案制作整节段满足精度要求，线形控制良好，希望可为此类桁梁桥的加工制作提供参考。

关键词 钢桁架桥；精度控制；整节段制造；拼装线形

中图分类号 U445.4文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）14-0114-03

0 引言

近年来，随着我国桥梁建设技术的快速发展，桥梁跨径不断提高，对于一般跨径的钢桁梁，由于其跨径不大，多采用带应力起拱的方式，杆件制造为直线杆件，架设时在杆件接口位置通过调整杆件伸长或缩短实现，制造精度的控制难度不大，后续二次恒载对线形的影响也不大，线形偏差的发散对于整体来说影响小。但大跨径钢桁梁因其跨度大，结构重要，所以，线形控制要求更加严格。施工单位在制造过程中需要采用无应力起拱方式，即杆件在制造时本身需要带线形，后续二次恒载对线形的影响大，杆件的线形制造偏差在后续架设过程中的发散影响十分严重。因此，在大跨桥梁中，对杆件及节段拼装的线形控制提出了更高要求[1]。

1 工程概况与结构特点

1.1 工程概况

常泰长江大桥位于泰州大桥与江阴大桥之间，主航道桥采用双塔斜拉桥方案，主跨跨度1 176 m，全桥总长

2 440 m，孔跨布置为（142+490+1 176+490+142）=2 440 m。

采用两片主桁结构，标准段主梁桁高为15.5 m，桁宽35.0 m，主桁采用“N”形桁，标准节间距为14 m，在主塔位置设有非标准节间，长度分为13.8 m、13.3 m、14.7 m、15 m四种，如图1所示：

主梁上层桥面采用正交异性整体钢桥面板，在节点处设置组合式横梁，组合式横梁由节点横梁与桁架式横联杆件组成。下层桥面采用钢箱整体桥面，上层桥面和下层钢箱均参与主桁共同受力[2]。上弦杆上、下水平板均为平坡，与桥面的纵向拼缝距弦杆中心线水平距离为0.95 m，桥面宽度33.1 m，设2%双向横坡。下弦杆上水平板设2.0%横坡、下水平板为平坡，与桥面的纵向拼缝距弦杆中心线水平距离为1.12 m，桥面宽度32.76 m，在公路行车道和铁路范围内分别设2%双向横坡。

1.2 结构特点

该项目桁梁节段具有空间杆件多、节点构造复杂，其制造精度与预拱度控制难度大等特点，要保证项目的高质量完成，需要针对这些难点问题加以研究。

通过对该项目的结构特点和节段间拼装线形的精度要求分析，控制好该项目制造线形精度的关键是：

（1）如何保证构造复杂的弦杆整体节点的加工和组装精度。

（2）节点处的焊接结构复杂，焊缝类型多样，焊接变形难于控制。

（3）栓接节点位置多空间交叉的高强螺栓连接精度如何保证。

经过多方案反复论证和数字化技术创新应用的思路指导下，提出严格控制三个关键环节精度，即杆件制造精度、桁片拼装精度和整体大节段的拼装精度，通过分工艺、分阶段控制精度的方式来保证成桥安装线形的方法。

2 制作方案研究及项目创新点

2.1 制作方案制定

对于该项目的大跨径钢桁梁，为减少工地架设调整工作量，高精度地控制钢梁的制造和架设尺寸，确保安装后成桥线形与设计一致，制作方案拟采用大节段整体架设拼装。整体节段内部杆件之间采用焊接。整体节段间上下弦杆及腹杆采用高强螺栓连接，上下层桥面之间采用焊接。整体节段的制造一般分为三个步骤，即杆件制造→桁片及桥面板块拼装→整体节段拼装。

2.2 项目创新点

2.2.1 加工尺寸精度及焊接变形控制

焊接变形的控制，是保证杆件精度的关键环节之一，为保证构件单元的加工尺寸精度和制作质量，下料采用数控切割，制作过程设计采用满足刚度要求的专用胎架来保证平面度，杆件采用数控后钻孔的螺栓孔制孔方案，以确保制孔精度。此外，杆件单元之间的对接采用在专用组装胎架上拼装完成，采用了预变形、马板约束等措施，并且通过优化制作顺序和减少或消除焊接残余应力的方式来控制焊接变形。通过确定合理的组装工艺，采取必要的焊接变形约束措施，从而保证了杆件的焊接质量。

2.2.2 节段拼装及精度管理

采用大节段制作时，节段重量大，对多节段预拼装中的拼接位置控制、环境温度和移位变形等均提出了较高要求。数字化建造技术在该项目中发挥了重要作用。项目节段拼装过程中，通过采用先进的激光跟踪测量仪、制作前的计算机模拟仿真等综合应用，实现了钢桁梁大节段的整体预拼装。通过数字化模拟，可以大幅度地提高质量管理水平，节约成本、缩短工期。此外，通过理论研究和试验验证，形成了一套误差累积管理方法，将每个钢桁梁节段的实际拼装精度在计算机中进行模拟预拼装，分析预测钢桁梁节段轴线的偏位数据。发现问题，可以及时进行节段端面的加工前修正，采取主动调整策略实现对钢桁梁节段桥位安装后整体线形的精度控制，避免由于加工精度累积误差造成线形控制项的超误差情况。通过在各个环节中运用多项先进制造技术，确保项目加工制作和现场安装的顺利完成。

3 線形控制关键技术

3.1 杆件制造

该项目桥梁采用无应力线形的设计理念，即通过对杆件在节点处进行折弯来达到理论线形。因此，杆件在制造时需根据线形放样在杆件节点位置对杆件进行折弯，而后对杆件进行螺栓孔的钻制[3]。孔群的制造精度及杆件的折弯尺寸将直接决定钢桁梁的起拱精度。项目杆件节点板为整体节点，为保证节点板的加工精度，采用精密数控切割机床对节点板进行下料。由于整体节点弦杆断面大，孔群数量多，为保证孔群的整体加工精度，采用双龙门三维数控钻床配合机械样板的钻孔方式，即在杆件组焊完成以后，通过双龙门三维数控钻床同时对杆件两端头钻制定位孔，如图2所示，可自动检测杆件旁弯和扭曲，保证两侧竖板栓孔的同心度偏差控制在1.0 mm范围内。定位孔钻制完成后，采用机械样板通过样板对线口及杆件定位孔在杆件上完成定位，再通过摇臂钻床完成其余栓孔的钻制，杆件拼接板则直接按照理论数据进行栓孔钻制，通过先进数字化设备的应用保证了杆件的加工制作精度。

图2 双龙门三维数控钻床

3.2 桁片拼装

项目进行桁片拼装时是通过完全无应力的状态来实现桁片的线形，故桁片拼装对于节段整体线形来说至关重要，桁片状态的线形直接决定了节段的拼装线形。桁片拼装精度控制的关键是控制桁高、节间长度、对角线尺寸、上下弦杆相对位置尺寸、拼装长度等重要尺寸。在拼装之前首先要根据图纸要求通过高精度水准仪严格控制胎架的位置精度以及平面度，并确保支墩有足够的刚度，避免拼装过程中由于支墩刚度不足而引起胎架发生沉降或变形。拼装前需严格检查杆件尺寸及杆件安装位置，确保杆件结构安装位置符合图纸要求。拼装时，必须保证板层的密贴，根据《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10091—2017）要求，试拼装时所用的冲钉严格按照常泰长江大桥（跨江段）主体工程钢桁梁、钢桁梁制造项目制造规则，冲钉数量不少于螺栓孔总数的10%，螺栓不少于螺栓孔总数的20%。为了达到更高的要求，冲钉使用的冲钉直径≥33.0 mm时，可充分保证连接关系。温度对钢结构的变形影响敏感，为避免温度对测量结果的影响，在桁片试拼装完成测量后，检测工作均避开高温时间段，选择温度相对稳定的时间段进行，钢盘尺测量数据均按检定修正值进行修正计算。

由于桁片拼装采用的是标准拼接板，在桁片拼装时无可调整的余地，但在桁片连续匹配拼装时由于累计误差等影响，可能会导致两桁迈步、桁片线形偏差、节间长度误差等问题。为解决上述问题，项目采用在几个轮次拼装过程中选择合适时机配制拼接板以消除误差。

3.3 节段拼装

整体节段的拼装线形直接影响到桥址架设的成桥线形，是整个钢梁制造过程中最为重要的环节[4]。项目能否最终顺利完成桥址架设，保证线形与设计一致，一直以来是大跨度桁架桥的重难点问题，以往的现场安装问题也主要体现在节段的错台、误差偏大以及拼接后的线形与设计线形有一定的偏差。该项目为解决以上问题，结合先进的设备和数字化智能建造技术，节段的拼装方案采用多节段连续匹配拼装与焊接方案，按照“下层桥面就位→两侧桁片拼装→横联片体拼装→上层桥面板块拼装”的工艺顺序进行，在实体预拼装前，根据设计的拼装方案在计算机中进行模拟预拼装，设置拼装控制点并对拼装节段的轴线偏差进行计算，通过分析其误差，优化拼装方案。此外，在实体预拼装时，在节段拼装过程中设置三次质量控制点，实现对拼装全方位的监控。

最终确定节段拼装方案主要关键步骤如下：

（1）根据胎架上设置的纵、横基线和基准点及桥面板块系统线定位桥面板块；在端横隔板处的桥面板顶部选择四个测量点，根据设计标高值，使用水准仪配合调整四点标高满足规范要求。

（2）按照胎架上定位基线定位拼装一侧桁片，安装方位调整稳固装置，确保拼装安全以及可调整，以便于控制拼装精度及临时固定。

（3）按照胎架上定位基线定位拼装另一侧桁片，安装桁片的方位调整稳固装置等，关键控制桁片垂直度、两侧桁片相对位置尺寸（平、立面对角线差）、主桁中心距、控制点标高等。调整各部位尺寸直至满足规范要求。

（4）横联片体就位后辅以临时支撑措施；横联片体拼装完成后，进行质量停止点检测，包括主桁中心距、横断面对角线差等，同时严格控制横联片体上节点标高。

（5）根据胎架上设置的纵、横基线和基准点及桥面板块系统线定位上层桥面板块，上层桥面板块就位后进行质量停止点检测，包括水平面对角差，上桥面标高、主桁中心距等[5]。

（6）按照下层桥面块体→两侧桁片→横联片体→上层桥面板块的顺序依次定位拼装后续节间杆件。焊接过程中严格执行焊接工艺，两侧对称同时施焊接，减少焊接变形。焊接顺序如下：

①对称焊接下层桥面钢箱块体与下弦杆间焊缝。先焊接横梁与下弦杆接头板对接焊缝，再焊接桥面板、底板纵向对接焊缝。

②对称焊接上层桥面块体与上弦杆间焊缝。先焊接横梁与上弦杆接头板对接焊缝，再焊接横联片体上节点与横梁下盖板间熔透角焊缝，再焊接桥面板纵向对接焊缝。

③对称焊接横联片体边节点与主桁腹杆间熔透角焊缝。

④焊接其他焊缝。

超大节段试拼装是项目的一个创新应用，结合数字化建造基地的先进设备和技术，采用“4+1”模式，大节段试拼长度超过100 m，即采用一个轮次桁片拼装结束时，为保证节段连续匹配拼装，需预留一个节段作为母段参与下一轮次的拼装。母段的恢复要严格按照上个节段的状态进行恢复，不可出现轴线、高程上的随意调整；焊接操作上严格控制焊接顺序，确保桁宽可控；焊接顺序从下到上、从中间到两边、从中间到两端，便于应力释放。

4 结语

大跨径连续钢桁梁桥制造线形复杂，精度控制难度大，起拱方式多采用无应力方式。该文依托常泰长江大桥的钢桥制作工艺进行实践，提出了采用大节段钢桁梁的线性精度控制方法，即拼装工艺，主要包括以下两方面：

（1）通过采取的数控加工工艺，提高弦杆制孔精度，严格控制弦杆制作精度，保证了上、下弦杆件的扭曲、挠度、线形拱度等尺寸，从而实现整体节点杆件的高精度制造。

（2）采用大节段连续匹配拼装工艺，通过先进的数控制造技术、数字化模拟技术，建立一套高精度误差累积控制方法，控制桁片拼装、整节段拼装的精度，实现整体大节段的高精度拼装。

常泰长江大桥节段制造过程采用了多项国内先进加工设备和数字化测量技术，通过对其拼装线形精度控制工艺的深入研究，提出了各工序的控制要点及关键技术。在依托项目中经过实践检验，證明是高效率、高质量的工艺方法，达到了预期的目标精度要求，验证了该创新技术及工艺的科学性、合理性，为后续钢桁梁桥预拱度的控制提供了借鉴，为未来大跨径钢桁梁桥的高精度智能化建造起到了推动作用。

参考文献

[1]铁路钢桥制造规范： Q/CR 9211—2015[S].北京：中国铁路总公司， 2015.

[2]章登精.南京长江第三大桥钢塔工程控制技术[J]. 中国铁道科学， 2007（4）： 133-140

[3]王建国， 唐勇.沪通长江大桥主航道桥钢桁梁制孔精度控制[J].世界桥梁， 2017（1）： 66-70.

[4]宋红飞.矮寨大桥钢桁梁节段立体试装技术[J].世界桥梁， 2013（6）： 16-19.

[5]李维强， 赵泽华， 关勇， 等.沪通长江大桥大节段连续钢桁梁制造预拱度控制工艺研究[J].现代交通与冶金材料， 2022（4）： 25-30.