王晨光 龙东利
(中铁山桥集团有限公司， 河北秦皇岛 066205)
摘 要：随着我国钢结构制作技术的成熟和发展，钢桥的设计理念越来越新颖，钢桥的结构设计标新立异给加工制作带来了很大的挑战。以北京通州北运河桥主拱肋的制作为例，着重阐述弯扭箱形拱肋中单元件制作的工艺要点、制作难点及整体组焊技术工艺控制；另外对主拱肋节段间的预拼装方案进行介绍。
关键词：拱肋； 弯扭； 胎架； 组焊； 制作技术
北京通州北运河桥采用“千荷泻露”设计方案，主桥为5跨上承式钢结构拱桥，跨径布置为(30+40+70+40+30)m，见图1。主桥断面宽为42.6～68 m，横向布置7根拱肋。外侧拱肋横向向内倾斜，以适合桥面的变宽；内侧向外倾斜，在拱脚处形成横向较大的间距，以实现景观要求的桥下空间。拱间设置横梁，用于加强拱肋的稳定性，同时作为上部结构桥面系的支撑。桥面系为车行道、非机动车道及第一层人行道。桥面系为钢箱梁形式，通过立柱支承在拱肋、横梁之上。第二层步道为坡道，第三层步道为梯道，均为钢结构。
图1 主桥主要构件三维关系示意(桥面系未示)
主桥为5跨上承式钢结构拱桥(见图2)，横断面上布置7根拱肋，拱肋法向均为矩形断面。为形成桥梁空间整体变断面效果，将拱肋设置成面向外弯曲空间拱。为满足受力要求，优化拱肋保证与横梁、立柱的连接，同时降低梁高，将竖向拱进行横向弯曲而形成空间拱，并非将拱肋进行水平推倒(刚体转动)形成的推倒拱，因此拱肋成为弯扭箱形结构。
图2 结构平面布置 m
根据桥梁结构特点，由于拱肋(包括钢筋混凝土结合段)为箱形弯扭构件，因此本桥所有构件均在专用的胎架或平台上组装焊接，因此胎架的制作必须满足要求，胎架的基础应有足够的承载力，以保证生产过程中基础不发生沉降。胎架应有足够的刚度，不能随钢拱肋拼装重量的增加而变形，从而造成钢拱肋变形或使钢拱肋产生较大的安装应力。普通箱形杆件组焊平台和拱肋节段组焊胎架平台设计示意见图3、图4。
1—顶紧装置；2—反力支座；3—拼装平台。
图3 普通箱形杆件组焊平台
1—胎架立柱；2—胎架联系纵梁；3—平台；4—端挡板调整卡固装置。
图4 拱肋节段组焊胎架平台
4.1 拱肋构造
拱肋为弯扭箱形结构，由顶板单元、底板单元、腹板单元、横隔板单元(普通横隔板、横梁处加劲横隔板等)、横梁牛腿；环形加劲板、承压板和钢过渡板(钢筋混凝土结合段)等组成，其中顶板、底板、腹板均为弯曲板件，如图5所示。
1—顶板；2—腹板；3—底板；4—环向加劲板；
5—承压板；6—隔板；7—牛腿。
图5 拱肋三维构造
4.2 拱肋制作工艺流程
拱肋制作工艺流程如图6所示。
图6 拱肋的制作工艺流程
4.3 单元件制作
板材下料前经过预处理线，通过“赶平”消除钢板的轧制变形(尤其是局部硬弯)和应力，从而减小制作中的变形，保证板材的平整度。下料时应根据焊缝接头形式及修整方法对板材的主要边缘和焊接边等预留加工量，顶底板及腹板预留二次切头量。为保证板材的制作精度，使其长、宽尺寸偏差控制在±1 mm，对角线差不大于2 mm。
对于弯曲板件和形状复杂的零件，先利用计算机建立三维模型进行1∶1放样，精确放出其几何尺寸和平面展开图形后，采用数控切割机进行精准下料。编程时，根据零件形状复杂程度、尺寸大小、精度要求等适当加入补偿量以消除切割热变形的影响。隔板、环形加劲板、钢过渡板、承压板等需要保证板件的平整度、变形量及对角线尺寸，防止杆件扭曲。在顶、底、腹板上划出折弯点控制线、横基线、横纵肋及横隔板位置线(图7)，误差不得大于0.5 mm，左右零件要成对划线，注意主板的方向。
1—折弯线；2—隔板中心线；3—肋板中心线；4—横基线。
图7 顶(底、腹)板划线示意
用计算机建立三维模型进行1∶1放样，根据三维轴线，标出各个点的三维坐标(图8)，利用坐标点的坐标在胎架上做出各点的相对位置，把顶(底、腹)板放上胎架进行折弯，用各折弯面之间的角度(图9)做出角度样板，利用角度样板检测每条折弯点控制线处的弯曲值，并拉线测量整体弯曲情况与理论值的差异直至钢板弯曲值满足制作公差要求。
图8 顶(底、腹)板三维坐标示意
图9 顶(底、腹)板折弯角度示意
由于主拱肋处于空间弯扭状态，要辨别清楚杆件以及零件的成对关系；需要加工坡口的，要注意坡口方向，并做好方向标记和杆件标记，以防止杆件方向和位置错误。
杆件外形复杂，焊缝多且分布不对称，杆件焊接后易导致变形，因此单元件的制作主要是精度对于整体尺寸控制至关重要，为此采用以下工艺措施来提高单元件的制作质量。
1)顶板单元、底板单元、腹板单元(图10)：将折弯后的各主板置于设置好拱度的组装胎架(精准隔板位置的空间相对拱度坐标)上，核实划线尺寸，组装纵肋，采用增加配重配合火焰加热的方法使主板与胎架、纵肋与主板密贴，并采用埋弧自动焊焊接，焊后在胎架上修整并检验，确保板面拱度符合要求。
2)隔板单元：主要是进行主板与人孔镶边的焊接，选用线能量小的焊接方法，以减小焊接变形；注意坡口方向，标记好组装壁板方向。
图10 顶(底、腹)板单元示意
4.4 整体组焊
整体组装重点控制要素是拱肋的整体外形尺寸和空间扭曲角度，由于拱肋内部零部件数量较多，有效焊接空间狭小，为了确保焊接质量，利用组焊顺序来保证每一条焊缝的焊接都能在最大的焊接空间内进行。合理的组装和焊接顺序能最大程度地减小焊接变形和焊接残余应力，因此制定了详细的组焊工艺规程。
4.4.1 底板、隔板、钢混凝土结合段的组装
拱肋组装采用专用组装胎架、划线平台、焊接胎架，设置合理的反变形量，通过工装进行约束，确保胎架的空间相对拱度坐标。将底板单元置于胎架上，以纵向、横向基线为基准核实划线尺寸，组装横隔板单元(在组装钢混凝土结合段加劲板和钢过渡板时注意与横梁对应处隔板的位置关系，钢过渡板与横隔板碰撞的，需先组装钢过渡板，后组横隔板)，将隔板与底板点焊(图11a)。
a—底板和横隔板、钢混凝土结合段的组装;
b—内、外腹板的组装;c—顶板的组装;d—横梁牛腿的组装。
图11 箱体组装示意(钢混凝土结合段处)
4.4.2 内、外腹板的组装
组装内外腹板单元，将基准端基线对齐，调整隔板与腹板上的隔板位置线对齐(钢混凝土结合段的横向加劲板和横向钢过渡板组装与腹板上相应的线对齐)，使用顶紧装置将两侧腹板顶紧使之与隔板密贴，待槽形组装后，箱体外形尺寸检验合格，焊接隔板与底板和腹板焊缝(图11b)。
4.4.3 顶板的组装
组装顶板单元，组装时以基准端为基准，保证顶板与隔板、腹板密贴；箱体尺寸检验合格后，完成箱体四条主焊缝的焊接(图11c)。
4.4.4 组焊箱体外的横梁牛腿
组焊箱体外的横梁牛腿，组装前检测核实箱体腹板外侧组装位置线，按线组装。组装时注意牛腿与拱肋腹板相交处的角度，确保牛腿与拱肋的空间位置关系(与斜立柱相连的牛腿与顶底板顺接，需板件散拼，正箱形横梁牛腿组焊件与拱肋对接)(图11d)。
由于主拱肋受运输和工地吊装等外部因素的制约，主拱肋在制作时分成2～5个节段。主拱肋的各个节段在工厂内进行预拼装，将各个节段置于设置好空间线形的胎架上，以节段基准端为坐标系统基准面，通过立体放样计算拱肋节段的控制点空间坐标，量测实际的拱肋节段相应控制点几何参数，与理论坐标比较，进行调整，可适当加以火焰修整，保证拱肋的架设安装角度。修整检验合格后，按立体放样中腹板上各主要控制点间的弦弧长尺寸(图12)划线切割箱体配切端及工地坡口，确保杆件长度及空间扭曲角度的精准。
图12 腹板配切示意
北京通州北运河桥主拱肋结构复杂、焊接量大、焊接空间狭小，通过采取以上的工艺制作方案可保证拱肋外形尺寸和空间扭曲角度的准确，且可提高焊缝质量。本文介绍了弯扭箱形拱肋中单元件制作的工艺要点、制作难点及整体组焊技术工艺控制。
该桥的顺利架设，说明该方案是合理可行的，可为同类拱肋结构提供参考和借鉴。
参考文献
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Wang Chenguang Long Dongli
(China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co.Ltd, Qinhuangdao 066205, China)
ABSTRACT：With the development of the manufacturing technology for steel structure in China, the design of steel bridge become more innovative and this innovation has brought great challenge to bridge manufacturing as well. The manufacturing technology of main arch rib for Beijing Tongzhou North Canal Bridge was introduced in this paper. The processing key points, manufacturing difficulties and integral assembly-welding control technology were emphatically described. In addition, the pre-assembly scheme for the main arch segments was introduced.
KEY WORDS：arch rib; bending and torsion; assembly jig; assembly and welding; manufacturing technology
收稿日期：2015-10-20
DOI:10.13206/j.gjg201604017
第一作者：王晨光，男，1982年出生，工程师。
Email：283123400@qq.com
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