黄茅海大桥钢箱梁制作关键技术研究

李西亮

(中铁宝桥集团有限公司,陕西 宝鸡 721006)

1 工程概况

黄茅海跨海通道项目东连港珠澳大桥,西接西部沿海高速,是组成粤港澳大湾区的重要跨海通道,路线全长29.93 km,设计时速100 km/h。与港珠澳大桥、深中通道、南沙大桥、虎门大桥,共同组成大湾区跨海跨江通道群,形成世界级交通枢纽。

黄茅海大桥是黄茅海跨海通道的重要组成部分,项目位于珠海市境内。黄茅海大桥主桥长2 200 m,桥梁设计为(100+280+720+720+280+100) m的独柱塔双索面三塔斜拉桥,竖向采用全漂浮约束体系。桥梁主体为分体式钢箱梁结构,高跨比为0.25,边中跨比为0.53,满足通航要求。钢箱梁分为16类149个梁段。中跨和两侧边跨各设置1个合龙段,中跨合龙段长度7.5 m,边跨合龙段长度15 m,标准梁段长度15 m,结构主体采用Q355D钢材,桥梁总重约6万t。黄茅海大桥桥型布置图见图1。

2 结构设计

黄茅海大桥主桥采用分体式钢箱梁结构,钢箱梁节段由两个边侧钢箱梁及一个横向连接箱组成(见图2)。分体式钢箱梁具有自重轻、抗扭抗弯强、抗风稳定性好等优点,在大跨径桥梁中应用广泛。

黄茅海大桥横向连接箱顶部设计无横坡,两侧边箱沿箱梁与横向连接箱分界线向边侧设置2%横坡。纵向设计线形为两侧边索塔区为2.2%纵坡,中索塔区两侧各330 m范围为R30 000 m连续圆弧曲线。

钢箱梁梁高4.0 m,两侧拉索锚固中心横向间距44.792 m,单侧顶板宽17.088 m,风嘴宽2.798 m,平底板宽6.9 m,外侧斜底板宽5.62 m,内侧斜底板宽4.8 m,实腹式横隔板间距3.0 m。钢箱梁通长设置内腹板及外腹板,斜拉索锚箱设置在外腹板外缘。每个拉索位置对应横断面处设置横向连接箱,横向连接箱宽3.0 m,高4.01 m。钢箱梁除顶板U肋和板肋采用高强度螺栓连接外,钢箱梁环缝及横向连接箱与边箱接口均采用焊接连接。

3 制作难点分析

1)钢桥面板制作质量控制。为有效控制钢箱梁运行过程中在U肋与面板之间焊缝、纵横肋交叉的弧形缺口处出现疲劳裂纹,桥梁顶板U肋焊缝设计为内外双面焊接,要求外侧检测熔深不小于板厚的75%,钢桥面板U肋焊接质量控制是重中之重。

2)锚腹板制作精度控制。斜拉索设计为空间三向索,钢箱梁斜拉索锚箱设置于腹板外侧,与钢箱梁外腹板共同构成锚腹板单元,角度关系复杂,其精度关系到钢箱梁与斜拉索的安装,是保证钢箱梁桥位安装精度的关键。

3)分体式钢箱梁节段制作精度及线形控制。钢箱梁横截面尺寸大,单个节段设置一个横向连接箱,位于钢箱梁端部约1/3处,节段横向刚度小,焊接量和焊接变形大,如何保证钢箱梁节段截面尺寸和纵向线形及横坡是关键。

4)下稳定板的变形控制。下稳定板为薄板工型结构,兼有检查小车下轨道功能,其对变形控制要求高。两侧下稳定板平行设置,横向无连接,刚度弱。下稳定板与横向连接箱悬挑连接,吊运过程中稳定性差,易产生下挠和侧弯,影响吊运安全和桥位连接精度。

4 制作工艺

黄茅海大桥钢箱梁制作采用“钢板预处理→零件加工→板单元制作→总拼(预拼装)→桥位连接”的总体工艺流程进行,即钢板预处理完成后进行各类零件下料和加工,再制作板单元,然后分梯次总拼成钢箱梁节段,同步在总拼胎架上进行节段预拼装,最后解体完成节段打砂涂装[1-3]。

根据钢箱梁结构特点,结合钢材加工能力、运输特点、钢箱梁加工工艺、轮载等因素对钢箱梁进行制作分块。钢箱梁单幅顶板横向分为5块,底板横向分为6块,隔板横向分为5块,风嘴与横向连接箱单独制作,同时对塔区超长节段D(22.5 m),D1(28.5 m)梁段进行纵向分块。钢箱梁分块见图3,图4。

4.1 顶、底板单元制作工艺

顶、底板单元由面板、U形肋(板条肋)、隔板接板等零件组成,宽度2.6 m～4.06 m之间,是钢箱梁的主要构件。为控制板单元精度,减少焊接变形对板单元尺寸影响,顶、底板单元均采用二次切边工艺,即下料时预留二次配切工艺量,板单元组焊并修整完成后仅切割基准端预留工艺量,总拼完成后再进行二次配切端的切割,以保证钢箱梁节段接口尺寸和环缝间隙精度。

顶、底板单元从下料到完成制作全程在智能生产线完成,通过数控激光划线机、板单元自动组装定位机、U肋板单元矫正机等智能化设备的使用,极大提高了板单元的制作质量和效率(见图5)。顶板单元采用U肋内外埋弧焊专机从工艺上保证焊缝设计熔深要求,并采用超声波相控阵检测技术验证U肋焊缝熔深。底板单元U肋设计为单面贴角焊缝,采用门式多电极焊接专机在专用船型反变形焊接胎架上完成焊接。

4.2 腹板单元制作工艺

腹板单元分为内、外腹板单元,由纵肋、接头板等组成,采用长度方向二次配切工艺:零件数控下料完成后,在组焊平台上完成板单元组焊工作,拼装过程中控制接头位置、板肋垂直度等项点,焊后矫正焊接变形并修正基线后,划线切割基准侧短边和坡口。

4.3 锚腹板单元制作工艺

锚腹板单元由外腹板单元和锚箱单元组成,采用“外腹板单元+锚箱单元+锚垫板”的工艺:在制作完成并检验合格的外腹板单元上划线依次组焊锚箱单元、锚垫板,严格控制锚箱组装精度,焊后修整焊接变形,最后切割基准端预留量,完成锚腹板单元的制作。由于锚箱与腹板间焊缝均为厚板熔透焊缝,局部焊缝密集,因此焊接过程中需采取有效措施减小焊接变形,以保证锚腹板的整体制作精度。

锚箱单元制作工艺(如图6所示)如下:

1)钢板预处理后数控精切下料,下料时预留工艺量。对承压板与锚垫板接触面、加劲板磨光顶紧焊接边等位置进行机加工。

2)在组装平台上划线依次组焊锚拉板、承压板、外侧加劲板,严格控制磨光顶紧边组装间隙。

3)火焰修整焊接变形,控制锚拉板与承压板垂直度、锚拉板板边直线度。

4.4 横隔板单元制作工艺

钢箱梁隔板横向划分为5块,边侧两块以接板形式组焊到腹板单元上,中间3块单独制作。隔板单元由隔板、横向加劲、竖向加劲等部分组成。零件预留一定工艺量,数控精切下料后在平台上完成划线和组装定位,利用焊接机器人完成焊接,探伤合格后修整焊接变形完成隔板单元制作。由于隔板厚度主要为10 mm和12 mm薄板结构,且加劲肋为单侧设置,焊接变形较大,需采取必要的工艺措施有效控制隔板单元平面度。

4.5 抗风构造制作工艺

抗风构造主要有水平隔涡板和中央稳定板,由薄壁面板及加劲板组成,结构简单,其制作工艺与隔板类似。

4.6 横向连接箱制作工艺

横向连接箱为大截面箱型构造,主要由顶板、底板、腹板、隔板单元和横向连接箱接头等部分组成,板单元的制作工艺与钢箱梁板单元类似。横向连接箱主要采用“定位底板→组立隔板→组装腹板→组装顶板”的工艺完成组焊(见图7),检验合格后根据横坡预设工艺量配切两端头接口。

4.7 风嘴制作工艺

风嘴由顶板、斜顶板、底板、隔板单元组成,为槽型结构,板单元的制作工艺与钢箱梁板单元类似。风嘴截面为不规则四边形,在专用组装胎架上采用“定位底板→组立隔板→组装斜顶板→组装顶板”的工艺完成(见图8),需重点控制风嘴旁弯、扭曲、锚管孔位精度等项点。

4.8 钢箱梁总拼

钢箱梁总拼采用“9+1”节段立体、阶梯推进的方式整体进行,同步进行预拼装,每轮次设置一个复位段(见图9)。具体工艺如下:

底板单元定位:全面检测总拼胎架纵横线形,各检测项点符合图纸要求后以测量塔为基准,按规定次序依次铺设底板单元,控制纵基线与测量塔距离。内侧斜底板单元铺设前需先定位组装横向连接箱接头,保证接头中心位置精度。检测底板单元纵横基线位置和控制点标高并进行精调,符合要求后将底板单元与胎架进行定位焊接。

横隔板单元定位:以底板上纵、横基线和隔板位置线为基准依次组立定位横隔板,控制隔板垂直度、纵横向位置偏差等项点符合规范要求后进行定位焊接,并设置临时斜撑进行稳固。

腹板单元定位:以底板上纵、横基线和腹板位置线为基准分别组装内腹板、锚腹板单元,利用内、外侧测量塔辅助腹板单元进行精调,控制横隔板接头与隔板错台、锚点位置、腹板单元竖向角度偏差等重要项点符合规范要求。

顶板单元定位:以纵、横基线为基准按照规定次序依次组装顶板单元,并根据线形、横坡进行微调,各控制点标高检测合格后码固定位。

风嘴定位:以钢箱梁纵横基线为基准,吊装风嘴,严格控制风嘴纵向位置,确保锚管位置精度。

横向连接箱定位:以横基线为基准组装横向连接箱,注意控制横向连接箱箱口与横向连接箱接头错台,符合要求后组装接口嵌补段并定位焊接。

抗风构造定位:以纵横基线为基准,组装水平隔涡板和中央稳定板。为保证下稳定板稳定性,避免下挠,用型钢对其设置横向临时支撑,增强其整体刚度。检测组装定位等项点符合要求后进行定位焊接。

焊接与修整:按照工艺进行焊接,焊缝探伤检测合格后修整焊接变形。

接口匹配:全面检测预拼长度、纵向线形、横坡、锚固定位点位置及钢箱梁节段尺寸,并进行调整,检查并修整节段接口间隙、错台,各项点均检测合格后安装匹配件并解体出胎,移交打砂涂装。

5 关键技术与措施

5.1 钢箱梁精度控制技术

1)由于斜拉索设计为空间三向索,钢箱梁锚箱角度定位关系复杂。为此,利用CATIA软件进行三维建模,结合制造线形对锚箱等关键结构进行精准放样,根据转换的二维图纸确定零件下料轮廓,保证零件尺寸精度。

2)顶板纵肋孔群精度控制:钢箱梁顶板U肋、板肋节段间为高强螺栓连接。为避免因施工误差过大而导致的高强螺栓孔群超差使桥位连接困难,拼接板采用“先孔法”与“后孔法”结合的工艺,即部分拼接板采用先孔法钻制两端全部孔群,其余部分则仅钻制一端头孔群,另一端头桥位测量后配钻。

3)设计专用组装胎架:根据锚箱、横向连接箱、风嘴等结构特点和尺寸分别设计专用组装胎架,对板单元组装定位进行精确控制。

4)横向预拱设置:钢箱梁制作时,横向连接箱横向水平放置,通过整体旋转两侧边箱设置0.15%的横向预拱,抵消焊接反弹量和桥位施工载荷影响,保证了成桥后钢箱梁设计横坡2%的验收要求(见图10)。

5)纵向线形控制:钢箱梁纵向制造线形=设计线形+桥梁恒载预拱+1/3车道荷载预拱。根据分体式钢箱梁[4]截面特点和几何尺寸,设计制作专用总拼胎架。总拼胎架主体固定,横梁上设置活动牙板,牙板标高可根据钢箱梁底板纵向线形进行调整。根据高程控制点要求在钢箱梁顶板、底板上设置测量控制点,利用经纬仪测量辅助调整标高,保证钢箱梁总拼各阶段整体线形符合设计和规范要求。总拼线形和高程控制如图11所示。

6)节段长度控制:板单元制作时以索塔为中心,远离索塔侧设置为配切端,板单元制作时预留配切工艺量。钢箱梁总拼后,根据梁段设计长度、弹性压缩量、焊接收缩、焊接间隙等计算配切量,按线进行钢箱梁节段环口的配切。

7)合龙段设置:为消除施工误差和温度影响,保证钢箱梁整体长度,根据架设方案,边、中跨各设置1处合龙段,全桥共设置合龙段3个。合龙段制作时预留充足配切量,根据桥位架设时测量的数据进行配切,保证合龙接口精准就位。

5.2 测量监控措施

结合钢箱梁截面尺寸大等特点,分幅设置外、中、内测量塔共6个,与横向基线形成“六纵一横”测量网,配合板单元基线定位,控制各板单元、横向连接箱、风嘴等组装时的位置和标高(见图12),以避免过程累计误差,保证节段制作精度。

5.3 焊接变形控制措施

1)设计合理的焊接接头坡口形式。根据接头构造形式、焊接空间,尽量采用金属填充量小、尺寸对称的坡口形式。

2)选用焊接线能量小的焊接方法。厚板焊缝采用多层多道焊接工艺;通过焊接试验选用合理焊接参数,减小焊接过程热输入。

3)采用焊接反变形措施,在反变形胎架上进行板单元焊接。

4)采用合理的焊接顺序和焊接方向,横向连接箱等箱型构件纵向主焊缝同方向焊接,隔板焊缝宜从中间向两边焊接。

6 结语

根据黄茅海大桥分体式钢箱梁结构特点,通过在板单元制作、节段总拼、线形控制等过程中结合智能生产设备和生产线,采取合理有效的工艺方法和质量控制措施,能保证钢箱梁节段的制作精度,满足钢箱梁验收质量的要求。同时,通过对黄茅海大桥分体式钢箱梁的制作工艺和关键技术的总结,也为同类型钢箱梁的制作积累了经验。