大跨径悬索桥加劲梁加工制造与拼装技术研究

姜洪伟

（山东省公路设计咨询有限公司，山东 济南 250102）

1 引言

悬索桥作为目前大跨径桥梁的首选桥型之一[1]，跨径纪录一直被刷新，整体结构朝轻柔方向发展，钢材的“轻质高强”特性发挥的淋漓尽致。扁平钢箱梁作为悬索桥常用的梁截面形式之一，所采用的技术相对成熟。王鹏飞、韩金锁等[2，3]分别结合福建沙埕湾跨海大桥和福州长门特大桥详细阐述了扁平流线型钢箱梁的现代化制造工艺，具有借鉴意义。但由于这类加劲梁节段自重大，拼装单元件多，焊接接缝多，拼装精度要求高，导致单元件加工问题多，拼装施工过程复杂，因此，其制造工艺仍需不断优化和改进[4，5]。加工制造工艺从最初的人工焊接发展到现在的自动化焊接，未来将引入人工智能，使其朝着更加智能化的方向发展，给钢箱梁制造技术的发展带来革命性的变化。

2 工程概况

重庆长寿长江二桥工程位于渝怀铁路大桥下游1.85km、长寿长江一桥上游6.4km处。该工程北起化中大道转盘以北390m 处，往南下穿化中转盘，形成化中立交，并上跨川维铁路支线，跨越长江后，上跨重钢铁路太阳顶隧道，在江南钢城西南侧与江南循环经济地块道路形成重钢立交，终点止于茶涪路支线交叉口，设计路线全长约3833m，并配套建设道路、排水、照明、交通标识、绿化等附属工程。大桥作为重庆市交通枢纽骨架路网“四纵线”中的跨江关键节点，也是重庆长寿国民经济发展的重要客货运通道，对长江两岸经济社会进一步融合发展具有十分重要的意义。

大桥桥型采用双塔单跨悬索桥，跨径布置为（4×50+739+9×50）m，其中主桥为悬索桥，桥宽34.8m，桥面布置为1.9m（吊杆区）+2.5m（人行道）+12m（车行道）+2m（中央分隔带）+12m（车行道）+2.5m（人行道）+1.9m（吊杆区），如图1 所示。南北引桥采用混凝土连续梁，桥宽31m。双向六车道，设计时速60km/h，道路等级为城市主干路，桥梁设计荷载为城-A级。其中，钢箱梁约1.216万t。

图1 加劲梁梁段断面图（mm）

3 施工梁段划分

施工安排以确保节点工期为重点，合理配置资源和安排施工顺序[6，7]，组织平行流水施工，按照“重点先行、分段展开、统筹规划、均衡生产、突出难点、有序推进”的原则组织施工，以确保实现阶段性工期和总工期目标。

根据本工程分布特点，结合现场实际情况，本着统筹兼顾、均衡施工的原则，将工程划分为厂内制造、整节段运输及现场服务三个施工阶段。厂内制造主要包括钢箱梁的下料、单元件预制、厂内总拼、焊接以及涂装。整节段运输主要包括钢箱梁整节段吊装、船舶运输至桥位指定位置、精确抛锚定位和起吊。现场服务包括配合总包进行钢箱梁的焊接、栓接和涂装工作等。

主桥加劲梁根据施工条件共划分为62 个梁段，分别为56个12m标准段、2个12m合拢段、2个12.5m中央段和2个8.34m端梁段，见表1，相邻加劲梁节段采用焊接连接，如图2所示。

图2 主梁布置立面图及加劲梁梁段划分图（mm）

表1 主桥加劲梁梁段划分

根据桥位现场梁段的安装顺序（由中间向两端对称施工，即S0→S26，S30→S28，S27为合拢段），工厂制造设置两幅大拼胎架，以桥跨中心为基准往两侧对称制造，因此厂内梁段连续拼装全桥共分为6轮次，详见表2。

表2 主桥加劲梁安装轮次划分

4 加筋梁制造拼装工艺

主跨加劲梁采用单箱单室封闭钢箱梁结构，外形为扁平流线形，桥面板、桥底板均为正交异性板。每个节段均包含顶板、平底板、斜底板、腹板、横隔板以及风嘴等部分，通过焊接连接的方式进行拼装而成，如图3所示。

图3 加劲梁梁段构造图

梁段整体组装与焊接是整个钢箱梁制造的关键[8]，其工艺的合理与否直接关系着钢箱梁的制造质量和进度，因此，在充分借鉴以往钢箱梁制作经验的基础上，梁段整体组装采用立体、由内向外推进的方式生产，按“正装法”进行组焊，即以总拼胎架为外胎，以横隔板为内胎，依次组焊梁段的底板单元件、斜底板单元件、横隔板单元件、腹板单元件、顶板单元件、风嘴单元件及其它零部件，从而在胎架上形成整个梁段。

4.1 组装胎架的制造

4.1.1 总拼胎架的制作

钢箱梁的拼装是以专用胎架为建造平台和以底板外表面为建造基面进行的。其中，专用胎架一般采用线形胎架，并要求胎架有足够的强度和刚度，具体流程如下：

①根据钢桥设计线形、预拱度、竖曲线、横坡、纵坡等因素叠加设计总拼胎架，并将桥梁控制点、系统线进行放样。

②按照工艺图，在硬化地面上对钢桥的控制点、系统线进行放线，并在硬化地面上对钢桥的制造线型进行放线。

③按照图纸和地样线搭设胎架，胎架的标高（控制梁底线形）采用水平仪控制。

为确保加劲梁外轮廓尺寸及部件位置的准确性[9]，在结合本桥结构特征的基础上设计多组钢架式梁段总拼胎架。胎架高度1.2m，宽度34.8m，包括立柱、纵梁、横梁及支撑板等构件，能够一次拼装5个梁段，实施“4+1”模式进行总拼，可一次性完成4个节段和匹配节段的制作。

总拼胎架每道横隔板处设置一道由型钢制成的横梁，并通过纵向连梁将相邻横梁形成框架，从而实现结构稳定。此外，横梁下设置若干根将钢箱梁荷载传递至胎架基础的竖向钢立柱；横梁上设置若干支撑板，支撑板顶以钢箱梁的底板、腹板外形为基准面设置，保证钢箱梁的拼装要求。

4.1.2 总拼胎架的检测

钢箱梁总拼胎架制作完成后，必须经过全面检测合格，并经监理工程师复检批准后方可投入使用。每轮钢箱梁总拼前，应对胎架的精度复检一次，发现不合格部位必须经过整改后才可进行总拼作业。

4.2 钢箱梁总拼作业

板单元及其他零件制造完成后，总装场地按纵、横基线就位，并采用“正装法”进行梁段连续匹配组焊和预拼装[10]。各单元件制作经检验合格后进行总拼，同时清除干净其边缘、孔边飞刺、电焊熔渣及飞溅。总拼作业详细流程如下：

①在组拼胎架内将多块底板单元组拼焊接成整体底板单元。

②按基线对横隔板单元、腹板单元、风嘴隔板单元以及内部加劲肋进行组装。

③完成内部焊缝的焊接工作并经检测合格后，进行抗风支座连接螺栓孔的划线和制孔工作，安装封嘴内的水槽。

④水槽焊接完成后，从桥中线向两侧依次对称安装顶板单元并完成焊接工作。

⑤安装风嘴斜顶板单元并焊接。

⑥首节段焊接完成后经检测合格，报监理、发包方、业主进行首节段验收。按同样的方法安装后续梁段，并完成焊接工作。

⑦首轮次焊接完成后经检测合格，报监理、发包方、业主进行首轮次钢箱梁的验收。经检测合格后安装节段间的临时匹配件、制作各节段的临时吊点连接螺栓孔并安装临时吊点。留下匹配母梁，其他节段脱胎转涂装工序。

⑧根据总拼图纸要求，对每个节段进行逐个拼装，经检验和调整合格后，再进行下一节段拼装。

⑨总拼完成后，对各节段逐一编号。

⑩总拼结果应有详细的检查验收记录，包括局部和总体尺寸、对角线尺寸、拼装间距、挠度平曲线型及组装过程情况等，合格后方可出厂。

4.3 总拼过程中停止点的设置

钢箱梁在制造过程中，为保证钢箱梁的制造质量，在不同的拼装阶段设置相应的停止点[11]，检查矫正合格后方可进行下一步工序。本桥钢箱梁在总拼施工中共设置三处停止点，具体的停止点设置情况如下：

①第一停止点：斜底板与底板单元焊接完毕后，必须根据地样线按图4进行检查并核对标高，检查合格后斜底板必须与胎架支撑点固焊。特别是注意观测斜底板与底板对接收缩值，及时反馈加以调整。

图4 钢箱梁横向第一停止点检查示意图（mm）

②第二停止点：待锚腹板组装完毕后，必须按图5检查腹板是否与地样线重合，吊点是否与吊点横基线一致，并核对相应标高是否满足要求，着重检查横坡、吊点标高，检查合格后方可进行后续焊接。

图5 钢箱梁横向第二停止点检查示意图（mm）

③第三停止点：待以上单元件之间焊接完毕后，必须按图6检查边腹板焊后是否与地样线重合，并核对相应标高是否满足要求，着重检查横坡、吊点标高，检查合格后方可进行下一步。

图6 钢箱梁横向第三停止点检查示意图（mm）

5 加劲梁制造重难点分析

①钢箱梁线型较复杂，设置了竖曲线。主桥钢箱梁自重、钢箱梁上部、检查设备等构件重量以及主缆索力均会对钢箱梁线形造成影响[12]。因此，施工时充分考虑这些因素对箱梁线形的影响并加以合理控制是本桥的施工难点。

②钢箱梁在支座处设计紧凑，具有空间小、构件多、质量要求高、焊接热变形大等特点，此处的焊接质量控制和变形控制为本桥的施工难点。

③加劲梁架设采用缆索吊机对整节段进行吊装，对加劲梁横断面的尺寸精度要求高，对锚固系统的安装精度要求高。因此，控制加劲梁横断面尺寸和锚固系统的安装精度是本桥的施工重点。

④加劲梁吊点处结构复杂，构成刚性极大的封闭体，焊缝密集，纵横交叉，拘束应力、焊接残余应力以及不连续焊接造成应力集中，应力状况非常复杂，消除这些应力对加劲梁的影响也是难点。

⑤端梁下部抗风支座采用螺栓连接，定位精度要求高，准确定位抗风支座的位置、降低累计误差是施工的难点。

⑥加劲梁现场拼接时，顶板U肋间的连接为螺栓连接，这对螺栓孔的定位精度要求高，因此需严格控制。

⑧由于底板厚度较薄，存放过程中容易产生变形。因此，场内堆放支点应与横隔板下的存梁支点加劲处位置保持一致，并应尽量避免出现偏载情况而造成各支点受力不均匀。运输装船采用双层存放，梁体与船体支撑间、梁体与梁体间适当增加木块数量，确保在运输过程中钢箱梁不产生变形。

6 结语

宽截面钢箱梁是悬索桥加劲梁的常用形式之一，其加工制造质量将影响整个桥梁结构的安全性和耐久性，因此，应根据质量要求严格控制顶板、斜底板、平底板、腹板、横隔板以及U 肋等部位的加工工艺，确保加工质量。

本文对重庆长寿长江二桥钢箱梁的胎架制作和总拼制作过程进行了总结，并对制作中的重难点进行了分析。通过采用“正装法”组焊和“4+1”模式的预拼装，能够确保梁段整体组装与焊接的质量和加劲梁外轮廓尺寸及部件位置的准确性，确保单元件间和梁段间的拼接精度，使大桥的成桥线形和结构受力满足设计要求，达到预期的质量控制目的。针对加劲梁制作过程中的重难点采取相应的技术手段，确保了设计的可实现性和施工质量的可控性，可为国内同类桥梁的建设提供参考。