柳州官塘大桥钢拱肋节段制造技术研究
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【摘 要】本文首先对提篮式拱桥的基本结构做了简明阐述，然后从钢拱肋节段的制作难点入手，重点论述了钢拱肋节段的制造及焊接关键技术，以及在制造过程中的焊接变形控制方法。具有实际应用的意义。
【关键词】侧装法；刚性约束；全位置焊接
一、工程概况
柳州官塘大桥为提篮式无系杆拱桥，其跨径为450米，净矢高为100m，是目前世界第一大跨度有推力拱肋桥及世界第九大跨度拱肋桥。
主拱肋分为横梁、横撑和拱肋制造节段。拱肋划分为27个吊装节段，主拱为变截面钢箱结构，拱肋采用八边形截面，由顶板、底板、腹板、角壁板、隔板单元及锚管单元等组成，每个板单元上都设置有纵向板式加劲肋，截面宽度为5m，高度为6.0～10.575m。拱肋间采用焊接方式连接，纵向加劲肋间采用栓接连接方式。（见图1）
拱肋之间共设置8道一字横撑，横撑沿拱肋径向设置；拱肋之间各设置一道横梁。横撑采用等宽变高钢箱结构，截面宽度为2.5m，高度为2.8～6.283m，与拱肋焊接连接。拱肋两侧各设置一道肋间横梁，横梁采用等宽变高钢箱结构，肋间横梁宽3.024m，高3.5～4.5m。
拱肋主体材质采用Q370qD钢材，全桥单片拱肋总重约6100多吨。
二、制造难点分析
（1）拱肋为变截面箱型结构，节段焊缝密集，焊接质量要求高，其中顶板、底板、腹板连接处均为熔透焊缝，拱肋节段几何精度要求高，箱口允许偏差为±2mm，对角线扭转允许偏差为±3mm。所以拱肋节段的箱口尺寸及扭曲变形的控制有一定的难度，焊接完成后整体线形尺寸精度控制难度较大。
（2）拱肋节段结构形式复杂，且组成板件多，需多次作业才能完成节段整体组装工作，所以组装方案的制定须更加合理。
（3）拱肋角壁板为空间曲线结构形式，采用CAD计算机建立实体模型精确放样，确定零部件制造尺寸。是拱肋制造线形控制的重要环节，是桥位架设线形顺利实现的关键。
（4）拱肋所有吊杆与主桥中心均倾斜布置，致使拱肋杆件吊索处隔板设置存在多种角度，为箱体的拼装、焊接工作带来极大困难；拱肋锚管与箱型底板为斜交设置，锚管的角度精度控制困难。
（5）由于拱肋节段较重，最大节段吊装重量约为：312.153吨。设计专用组装胎架进行拱肋的拼装、焊接。所以在组装焊接过程中，对起重设备要求高，需要翻身作业，作业难度大。
三、制作工艺
针对拱肋节段特殊结构，生产过程中制定的工艺方案为：在拱肋组装焊接胎架上组装块体，以拱肋杆件的外腹板单元作为基准，依次组装隔板、内角壁板、顶底板、外腹板、及外角壁板形成箱型结构，纵横基线准确对位后，四角用胎型码板固定。拱肋节段制作按照：板块制作→板单元对接→块体组装（槽型）→箱体组装的工艺流程，成为箱型节段。
（1）板单元制作
将顶、底板、腹板、角壁板分别划分为2～6个单元件，顶、底板单元最大规格：3988X12866，腹板单元最大规格：4180X12866。由于拱肋节段轮廓尺寸较大，且存在不等厚对接，因此在组装焊接板单元时根据不同板厚预设不同的反变形量，在专用反变形焊接胎架上进行焊接，以控制焊接变形。
锚管单元由锚管、锚垫板、加劲板、连接板组成。锚管锯切下料，钢板辊板后数控精切下料；焰切连接板两长边坡口，焰切锚管周圈坡口；将锚垫板置于平台上，组装锚管和连接板，焊接、探伤、修整焊接变形；组装加劲板，焊接、探伤、修整焊接变形。
拱肋隔板为空腹式结构，为了提高钢板的利用率，将隔板划分成3-5个单元件。拱肋隔板由隔板、加劲板、人孔加强圈、吊点加强圈、锚管单元等组成。钢板辊平后数控精切下料；组装加劲板、人孔加强圈、吊点加强圈，焊接后修整焊接变形；在焊接平台上将几个隔板单元件组装成整体，焊接、探伤、修整板块焊接变形，重点修整边缘的波浪变形，满足制造规则的要求；组装锚管单元，焊接、探伤、修整焊接变形。
（2）槽型制作
在拱肋组装焊接胎架上进行块体组装，组装工序为：组装→加固→焊接→探伤→修整。组装公差要求按带锚箱节段块体制作要求执行。在组装焊接胎架上按纵横基线放置内腹板单元，内腹板单元定位后与胎架上的垫块密贴，检测腹板单元的平面度，要求平面度控制在2mm以内，检测合格后与胎架码板固定连接。依次就位其他腹板单元，先进行纵向对接，再进行横向对接，探伤后修整腹板单元的焊接变形，满足规则要求。然后按线组装隔板单元（隔板位置线在腹板单元上已划出），重点控制隔板单元的垂直度，尤其控制锚管部位隔板的垂直度，保证锚管的组装精度。锚管部位的焊缝焊接时可采用刚性约束，控制焊接变形。以纵横基线为基准组装内角壁板单元，并进行横向对接，探伤后修整焊接变形。组装顶、底板单元，并进行横向对接，探伤后修整焊接变形。焊接隔板单元与顶板、底板、内腹板、内角壁板之间焊缝，探伤后修整焊接变形。焊接内腹板与内角壁板之间焊缝，顶、底板与内角壁板之间焊缝，探伤后修整焊接变形。
（3）箱体制作
在拱肋组装焊接胎架上组装外腹板单元，定位后，先进行纵向对接，再进行横向对接，探伤后修整腹板单元的焊接变形。组装外角壁板单元，并进行横向对接，探伤后修整焊接變形。焊接隔板与外腹板和外角壁板之间焊缝，探伤并修整焊接变形。焊接外腹板与外角壁板之间焊缝，顶、底板与外角壁板之间焊缝，探伤后全面修整箱体焊接变形。修整纵横基线，参与预拼装，检测各项点满足规则要求后，配钻加劲肋拼接板，并做好标记。组焊前需要对角壁板进行加固以增大刚性，为保证焊接质量，将角壁板与外腹板的焊接处用码板固定。
在箱体焊接过程中，按对称原则施焊，这样在焊接主焊缝时节段已有较大的刚性，可有效抑制焊接变形，也保证了箱型节段的焊接质量。为保证箱体组装精度，每次组装前应对胎架进行检测，严格控制胎架平面度。 四、焊接关键技术
在钢拱肋节段整体组装、焊接一次作业（槽型）时，顶、底板单元与角壁板的棱角焊缝为双面坡口熔透焊缝，焊接过程中焊缝填充量较大，焊接变形难以控制，且需要仰焊，焊接操作难度大。因此，我们通过焊接实验工艺评定，对顶、底板单元与角壁板的焊接坡口进行了优化，并在焊接过程中首次采用大节段无翻身全位置焊接技术，避免了仰焊，从而降低了焊接操作难度，提高了工作效率，节约了成本，为后续钢拱肋的制造提供条件。见图2
五、焊接变形控制
对焊接变形的控制，通过预留收缩量、采用刚性约束及选择合理的组装、焊接顺序和焊接方法等措施实现。
1、预留收缩量
预留收缩量的目的是控制焊接产生的收缩变形，根据经验公式求得收缩量，并考虑热矫正和结构的约束情况，结合实际经验制定零部件的预留收缩量。
在钢拱肋节段整体组装一次作业（槽型）时，内腹板单元与角壁板单元的棱角焊缝为坡口熔透焊缝，角壁板单元与两侧顶、底板单元的棱角焊缝为双面坡口熔透焊缝，所以焊接收缩较大。根据此收缩变形特点，在组装槽型时，对顶底板单元、腹板单元、角壁板单元预留了不同的焊接收缩。
2、刚性约束
在钢拱肋节段整体组装一次作业（槽型）时，由于锚管连接板与锚管及锚垫板的焊接三边采用双面坡口熔透角焊缝，由于该处产生角变形较大，使其垂直度无法保证，将影响后续作业组装精度。所以焊接时在该处设置钢板约束其角变形，控制锚管连接板垂直度。见图3
在钢拱肋节段整体组装二次作业（箱型）时，由于角壁板与腹板单元及顶底板单元为坡口熔透焊缝，角壁板上收缩变形较大，将影响拱肋整体线形无法保证，并影响后续作业组装精度。所以焊接时在端部棱角焊缝处设置刚性支撑，约束收缩变形，确保箱口尺寸满足要求。
3、选择合理的组装、焊接顺序和焊接方法
（1）组装时采用“侧装法”由内向外分步组装的方法，以内腹板单元为基准进行定位组装其余板单元，对每次作业的精度加以严格控制，保证整体的组装精度。
（2）箱型杆件的顶、底板与腹板八条主焊缝为开坡口的熔透焊缝，当焊缝具备自动焊施焊条件时，采用CO2气体保护焊打底，埋弧自动焊填充盖面的工艺进行焊接。焊接过程中适时调整焊丝的对正，严格控制四条焊缝的焊接方向一致，以防杆件产生扭曲变形。端部采用一定的工艺措施控制箱口的焊接变形，确保箱口尺寸满足要求。
（3）在专用的胎架上进行组装、焊接、修整、检测，对每次作业制定检验标准，以确保各工序作业精度。
六、结语
通过以上技术的应用，有效地控制了钢拱肋节段的收缩、扭曲、角变形等焊接变形，减少了焊接后修整工作量，使钢拱肋节段几何尺寸精度、整体线形、空间角度、锚管连接板平面度等指标得以保证，满足了现场安装精度要求。
参考文献：
[1]《公路橋涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）
[2]《铁路钢桥制造规范》（Q-RC 9211-2015）
[3]徐亮、李军平《提篮拱桥钢拱肋线型控制技术》钢结构，2017年02期
（作者单位：中铁宝桥集团有限公司）
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