大跨度钢桁架结构桥梁的匹配制造技术

摘要：近年来，钢结构桥梁由于其跨度大，结构轻，外观新颖，在全国各地出现了大量的钢结构桥梁。天津市海河吉兆桥为大跨度变截面钢桁架形式桥梁，其跨度为55m+90m+55m，结构复杂，杆件类型多，制作及安装难度大，如何保证钢桁架桥加工精度，并有效控制施工成本，是一项重大的技术难题。采用钢桁架匹配制造的施工技术，成功控制了大跨度变截面钢桁架的制造精度，对以后同类型结构桥梁的工厂制造提供了有益的经验，具有明显的社会效益和经济效益。

关键词：钢桁架桥梁 匹配制造

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

一、工程背景

吉兆桥地处规划中的天钢柳林地区城市副中心，全长906.842m，其中3号墩与6号墩之间，跨越海河部分为钢桁架结构桥梁，海河中设4号墩及5号墩，吉兆桥主桥全长200m，跨径布置为55m+90m+55m，桥面为预应力混凝土桥面板。吉兆桥钢桁架由9榀变截面主桁及9榀主桁间的横纵向联接杆件组成（参见吉兆桥钢桁架平面图11.1-1，吉兆桥钢桁架立面图11.1-2），主桥横向共有9榀桁架组成，桁架横向间距为4.6m，一榀桁架由上弦杆、下弦杆和腹杆组成，上弦杆线形随道路纵断线形，下桁架线形为圆弧形，腹杆为斜腹杆，腹杆节点之间标准间距为2m。9榀桁架外形一致。

图1吉兆桥主桥钢桁架数控放样图（局部）

二.匹配制造技术

1、适用范围

结构复杂，杆件类型多，厂内分段制造，现场安装，预拼难度大的大型钢桁架全焊结构的加工制造。

2、技术特点

2.1 利用计算机辅助设计，对钢桁架整体结构进行三维建模，有效控制各杆件精确尺寸，连接位置，组装形式，确保施工详图的准确性。

2.2 采用钢结构焊接试板，模拟工况，确定各连接杆件焊接收缩量及焊接变形量，并形成相关记录。

2.3 将转化后的施工图纸，焊接、组装等工艺文件应用于施工，并在施工过程中全程监测，动态修正施工方法及加工数据，确保施工精度。

2.4 通过匹配制造，标准化生产，控制各类杆件制造精度及装配误差，有效节约场地，节省大跨度预拼费用。

3.工艺原理

采用钢桁架整体结构三维建模和焊接工艺试验，通过工装设计，匹配制造等工艺措施控制钢桁架加工精度。首先根据设计图纸对钢桁架结构进行三维放样，确定各类杆件外形尺寸及连接节点空间位置，通过焊接工艺试验，确定各类接头的焊接变形收缩数据，其次，根据起重运输能力进行合理钢桁架分段，确定各端口尺寸，然后，通过数控下料等精密切割手段，控制各单件外形尺寸，对主桁杆件通过预制胎架控制其组装精度，横连杆件标准化生产，各梁段匹配制造，严格控制其端口尺寸及自身线形，最后，对各类杆件进行统一编号，在明显位置进行标记，使钢桁架主体结构能够顺利安装。

4.施工工艺流程

5.操作要点

5.1 三维建模及放样

对设计图纸进行施工图转化，对整体桁架进行计算机辅助三维建模，建模过程中的具体要求有如下几点：

应对钢桁架各类连接形式分别进行转化，认真分析桁架的组合方式。

确定节点连接关系，各类杆件的位置、高程。

尤其要注意局部连接关系复杂节点及桁架内部隔板设置情况及其与横纵向连接杆件的位置关系。

5.2 焊接工艺试验

全焊结构钢桁架焊接接头型式多，焊接变形大，焊接收缩量大，为控制钢桁架制造精度，必须在保证焊接接头机械性能的基础上有效控制焊接变形。焊接工艺试验是编制焊接工艺作业指导书的依据，在钢梁制造开工前完成。根据本桥设计图纸和有关规定，编制《焊接工艺试验方案》。根据批准的《焊接工艺评定方案》编写各种焊接接头的施工作业指导书（焊接工艺）。根据焊接工艺评定所形成的工艺文件应在生产中进行跟踪、检查并补充和完善。选用工程使用同批号的母材制备试板。选用的焊接材料应使焊缝的强度、韧性高于母材。试板焊接时，要考虑坡口根部间隙、环境和约束等极限状态，以使评定结果具有广泛的适用性。焊缝等级要求以及坡口形式详见相关工艺文件。

焊接工艺试验主要确定以下几方面内容：

1、钢桁架的主要接头形式。

2、焊接接头的机械性能。

3、焊接接头的横纵向收缩变形量。

4、焊接接头的角变形量。

5、焊接材料的选用。

6、焊接工艺参数的选用。

根据实验结果，得出以下实验数据

表1焊缝横向收缩量近似值（毫米）

表2焊缝纵向收缩率的近似值（毫米/米）

对接焊缝 连续角焊缝 间断角焊缝

0.15~0.3 0.2~0.4 0~0.1

注：1、角焊缝的横向收缩小于对接焊缝；断续焊缝的收缩量小于连续焊缝

2、多层焊时，第一层引起的收缩量最大，第二层增加收缩量大约为第一层收缩量的20％，第三层大约增加5~10％，最后一层增加更少。

5.3 钢桁架制造分段

由于大部分钢结构桥梁采用加工厂制造，现场安装的工艺方案，在施工前，必须对加工场地至桥位的运输路线进行实地考察，以便确定钢桁架制造分段。

确定分段应主要考虑以下几方面因素：

1、运输路线的路面宽度，沿途限高桥梁，电缆线路高度。

2、起重吊装能力。

3、加工厂场地情况。

4、河道过往船只情况。

5.4 主桁架结构件下料

零件下料采用预加补偿量一次下料的工艺方案。主要零件下料采用数控精密切割，坡口采用数控切割或铣边机进行加工。放样和号料应根据桥梁分段图、单件施工图以及工艺文件进行。放样和样板的允许偏差应符合表5.2.4的规定。钢料有不平直、锈蚀、有油漆等污物影响号料或切割质量时，应矫正、清理后再号料。本桥所有零件优先采用精密（数控、半自动）切割下料，手工气割仅用于工艺特定或切割后仍需加工的零件，精密切割允许偏差±1.0㎜，自动或半自动切割允许偏差±1.5㎜，手工气割允许偏差±2㎜。采用数控切割机下料的零件编程时，要根据零件形状、复杂程度、尺寸大小和精度要求规定切入点、退出点、切割方向和切割顺序。钢板切割下料时采取预放焊接收缩补偿量，一次切割下料成活。

表3放样和样板的允许偏差

5.5 工装胎架制造

工装胎架主要分为单元件胎架和钢桁架分段组装胎架。胎架的主要作用为以工装胎架为基础控制单元件及钢桁架分段的外观尺寸。

胎架设计应满足下列要求：

1、 胎架横向各点标高按钢桁架底面线形设计，纵向应考虑焊接变形和重力的影响，设置适当的上拱度。

2、胎架基础必须有足够的承载力，确保在使用过程中不发生沉降。胎架还要有足够的刚度，避免在使用过程中变形。

3、在胎架上设置纵、横基线和基准点，以控制钢桁架各段的位置及高度，确保各部尺寸和立面线形。胎架外设置独立的基线、基点，以便随时对胎架进行检测。

5.6匹配制造

由于钢桁架桥梁有跨度大，宽度大，结构件数量多的特点，采用匹配制造的工艺方案，可有效控制其各分段的制造精度，缩短工期，同时节约预拼费用。

匹配制造的工艺主要有以下步骤：

1、确定对主桁架线形起到关键作用的单元件，吉兆桥钢桁架以变截面腹板单元作为关键单元件进行匹配制造。

2、对关键单元件进行数控下料，精密切割。

3、制作关键单元件的组装胎架。

4、进行不小于3个分段的关键单元件的组拼焊接。

5、保留已组拼单元件1段与后续分段单元件进行组拼，并依次进行全桥关键杆件的组拼。

6、对组拼后的单元件进行编号记录。

7、利用分段胎架对经过组拼的单元件进行钢桁架分段组装。

8、测量焊接后的分段端口尺寸，并进行记录。

7.质量控制

7.1所有杆件下料应严格控制其下料尺寸精度。

7.2所有工装胎架应检查各定位基准线，标高控制点位置，每组装完一轮次，在组装下一轮次前应进行复测调整。

7.3上岗焊工必须持有劳动部门颁发的安全上岗操作证，并从事证书规定范围的焊接操作。

7.4保证各类电焊机、CO2流量计、烘焙箱等设备的计量指示准确，保温筒保温性能良好。

7.5焊接材料在专用库房内储存，按规定烘焙、登记领用；

7.6根据焊接工艺评定确定焊接方法、焊接规范和相应的焊接材料规格；严格控制焊接顺序、焊接方向和焊接规范；综合控制焊接变形。

7.7在环境温度不低于5℃且相对湿度不高于80%的条件下进行施焊；否则应采取防雨、防风、局部预热等方法。

7.8焊缝无损检验严格按相关“技术规范”质量标准执行，在外观检验合格24h后进行。

三、总结

吉兆桥采用关键单元件匹配制造技术，由于匹配制造占用的场地小，场地易于布置、工程进度快、干扰因素少、有利于文明施工、各种资源能较好地利用，能确保钢桁架的制造精度，确保施工人员安全，节约了大量吊装运输、地面场地占用等费用，同时施工工期有效缩短，形成了良好的社会效益及经济效益。

引用文献：

1、《公路桥涵施工技术规范》F50-2011

2、《铁路钢桥制造规范》TB10212-2011

3、《焊接手册》第2版机械出版社

作者简介：马国华，男（1979.10~），天津市政公路设备工程有限公司，吉兆桥项目总工，工程师。