马鞍山长江公路大桥钢箱梁制作工艺及焊接变形控制技术

中铁宝桥集团有限公司 （陕西宝鸡 721006） 薛长利 谭敏刚 丁秀丽

1. 概述

马鞍山长江公路大桥位于安徽省马鞍山市境内，主桥为三塔两跨钢箱梁悬索桥。钢箱梁为扁平流线型设计，全宽38.5m，钢箱梁中心处高3.5m，主梁横向沿线路中心线设2.0%的双向横坡。沿桥轴对称设置两道直腹板和104道U形纵肋、10道板条纵肋，顺桥向设置横隔板，标准间距3.2m，沿桥轴线设置一道纵隔板。主桥全貌及横断面形式如图1所示。

图1 马鞍山大桥概貌及钢箱梁断面形式

2. 板单元制作及焊接变形控制

为控制钢箱梁整体结构焊接变形，保证产品整体质量，加快制造进度，钢箱梁按照顶板、底板、纵隔板、横隔板及腹板5个单元分别制作。下面将重点阐述5种板单元的制作及焊接变形控制过程。

（1）顶、底板单元 主要由面板、U形肋（或板条肋）组成，长度与钢箱梁一致，是组成钢箱梁的基本构件。

具体制作工艺如下：

将面板辊板后平辅于顶、底板单元组装平台，以平台上的基准线划出顶、底板单元的纵横基线及U肋组装线，将U肋修整调直后按照U肋组装线定位、组装。采用φ1.0mm的ER50—6焊丝，CO2气体保护焊定位。

根据板单元焊接过程中的热量输入、应力分布及变形趋势，总结焊接变形的规律，确定反变形量，设计制作焊接反变形胎架。在胎架上采用“反变形”技术控制板单元的焊接变形。板单元在胎架上采用机械夹紧固定，施焊时采用热输入较小的实芯焊丝CO2气体保护焊机船位同向施焊，以尽量减小焊接变形。顶、底板单元的焊接如图2所示。

图2 顶、底板单元的焊接

顶、底板单元在组装及焊接过程中，要注意以下四个方面：①组装时确保U肋相对纵、横基线的位置及U肋间的间距。②设计胎架时估算出合理的反变形量以减少顶、底板焊接时的焊接变形。③焊接U肋时，采用同方向、分散、分中对称焊的焊接方向及顺序，顶底板单元U肋的焊接顺序如图3所示。④顶、底板单元焊接完成后，不得马上松开反变形胎架上的卡兰，等最后一道焊缝自然冷却到工艺规定60℃以下时，逐步循环松开卡兰，以防止局部变形。

图3 U肋焊接顺序

（2）纵、横隔板单元 马鞍山长江公路大桥钢箱梁最大特点是纵、横隔板主要采用空腹式结构设计，这种设计可以减轻桥梁的自重，改善主梁内部通风条件和施工环境，体现了以人为本的设计理念。横隔板单元主要由面板、水平加加肋板、竖向加加肋板、支撑角钢及加强圈组成，纵隔板主要由横板、竖板及支撑角钢组成。由于横隔板断面尺寸较大，所以为提高横隔板单元制作过程起吊的刚性，将每个横隔板分为两块中间横隔板、两块边横隔板单元，横隔板分块如图4所示。

图4 横隔板分块示意

边横隔板：面板数控下料、调直后，在平台上划出纵、横基线及加肋板组装位置线，按照加肋板组装位置线组装加肋板。

边横隔板焊接时，考虑到面板较薄，极易产生焊接变形故采取多人对称、分散、同方向的焊接方法。在刚性固定平台上先焊接加劲肋的平位角焊缝，然后焊接加劲肋之间的立位角焊缝。在焊接过程中严格按规定的焊接顺序和焊接工艺执行，焊接完成后不能立即起吊、翻身等作业，待所有焊缝温度降至60℃以下时，方可进行。

中间横隔板、纵隔板：为了有效控制中间横隔板、纵隔板制作过程中焊接变形，将其分为四小单元分别制作。中间横隔板制作时，在平台上将面板、加强圈及加肋板分别组焊四个T形，修整后，在整体组装胎型上将其与支撑角钢组焊成整体，整体数控切割出U肋槽口，中间横隔板制作完成。纵隔板制作时，在组装胎架上将横板、竖板及支撑角钢组焊成整体，修整后，纵隔板制作完成，纵隔板如图5所示。

图5 纵隔板

中间横隔板及纵隔板焊接时，必须在专用焊接胎架，焊接时依次焊接支撑角钢与面板角焊缝、加肋板与面板及加强圈的焊缝、加强圈间对接焊缝，最后焊接面板间的对接焊缝。焊接时严格按照规定焊接工艺执行。

纵、横隔板单元在组装及焊接过程中，要注意以下四个方面：①制作时要保证对接焊缝坡口的精度。焊缝坡口过大时，焊缝填充量大焊接变形较大，焊缝坡口过小时，焊缝质量难以保证，焊缝返修时又引起焊接变形。②焊接时，制定合理的焊接顺序。③焊接面板对接焊缝及加强圈对接焊缝时采用码板码固，减小对接焊缝收缩引起焊接变形。④由于空腹式横隔板刚性较差，要减少制作过程中的起吊及移动，可减小焊接变形。

（3）腹板单元 腹板单元为马鞍山长江公路大桥钢箱梁组成最简单的单元件，由锚拉板、外腹板、加强圈及加肋板组成。制作时在平台上将锚拉板、加强圈及加肋板组焊成锚拉板单元，将外腹板与加肋板组焊成外腹板单元。

焊接时，要同方向、分散、分中、多人对称焊的焊接顺序焊接完锚拉板单元及外腹板单元。锚拉板与两外腹板采用埋弧焊的焊接方法，焊接时两台埋弧焊机同方向对称焊接。

3. 总拼制作及焊接变形控制

总拼是指将零部件、板单元组装成钢箱梁整体的过程。要有效地控制焊接变形，保证总拼精度，必须设计合理的总拼胎架、组装工艺及控制焊接变形措施。

（1）总拼胎架的设计 保证钢箱梁的外轮廓尺寸及部件位置的准确，针对该桥结构特征设计钢架式梁段总拼胎架1组。胎架总长130m、宽42m，胎架高为1.3m，可一次总拼8～9个标准梁段。以底板、斜底板外形为基准面确定胎架形状，并预留一定的焊接反变形工艺量，利用型钢制作支承钢架与基础预埋件焊接，支承钢架分横向钢架和纵向连杆，每3.2m设一横向钢架，用纵向连杆将横向钢架连接起来形成框架结构，使其具有足够的刚度，不会随使用时间的延续发生变形。在胎架两端设三对与胎架分离的测量塔，在每段梁下设与胎架分离的横向基准点。马鞍山长江公路大桥钢箱梁总拼胎架如图6所示。

图6 马鞍山钢箱梁总拼胎架

（2）钢箱梁的组焊 结合该桥的特点，梁段整体组装采用立体的生产方式，在总拼胎架上采取“正装法”拼装，即以总拼胎架为外胎，横隔板及直腹板为内胎，依次将梁段的底板单元、斜底板单元、纵、横隔板单元、腹板单元、顶板单元及其他零部件在胎架上组焊成箱体梁段整体。

其组焊的工艺如下：

首先，底板、斜底板单元组焊。以中间测量塔和总拼胎架对应横基线为基准定位桥轴线处的底板单元（即基准板单元，宜在无太阳直射时定位），再按纵、横基准线为基准对称组装桥轴中心线向两侧的底板单元、斜底板单元。底板单元、斜底板单元用弹性码板与胎架弹性焊连接固定。

焊接底板单元、斜底板单元间纵缝时采用对称施焊的焊接方法。

其次，纵、横隔板的组焊。以中间测量塔为基准，交替定位组装中间横隔板单元、纵隔板单元，再以中间横隔板单元基准线为基准组装边横隔板单元。在组装过程中辅以顶拉工具控制隔板位置精度和垂直度等项点。焊接时，先焊接纵隔板与横隔板角焊缝，再焊接横隔板间对接焊缝。

焊接横隔板间的对接焊缝时必须采用码板固定，以减小对接焊缝收缩所引起变形。

第三，腹板单元组焊。以边测量塔和横基线为基准组装腹板单元，重点控制腹板与桥轴中心线的距离，耳板与纵基线间距。待耳板中心距（含工艺量）及其他项点合格后，点焊定位，检测合格后施焊。

焊接时，先焊接腹板与斜底板角焊缝，再焊接腹板与横隔板间的熔透焊缝。这样的焊接顺序可以避免熔透焊缝收缩引起的腹板移动。

第四，顶板单元组焊。先以中间测量塔为基准组装桥轴中心线处顶板单元，并从中间向两侧对称组装两边顶板单元，最后配装封箱顶板单元。组装时以中间测量塔为基准组装，纵向对接焊缝位置采用马板控制横向收缩。

顶板间纵缝对接焊接时，先将顶板单元两两焊接形成二拼单元，再将二拼单元间焊接完成，最后完成斜顶板与顶板焊接。以上所有焊缝均采用码板固定的工艺。

为了有效地控制总拼过程中的焊接变形，设计总拼胎架时续估算合理的反变形量，对接焊缝预留合理的焊接收缩量及反变形量，熔透焊缝采用码板刚性固定。

4. 钢箱梁整体检测

为了验证制作工艺及焊接变形控制措施的可行性，首轮钢箱梁总拼结束后，对8个梁段中的4个进行随机检测，检测腹板间距、钢箱梁总宽度、桥轴线处的高度及钢箱梁桥轴线两侧顶板2%的斜坡等主要项点。按照马鞍山长江公路大桥制造验收规则要求，钢箱梁的腹板间距、钢箱梁总宽度及桥轴线处高度公差为±2mm，桥轴线两侧顶板斜坡a值为2.0%≤a≤2.05%。检测数据如附表所示。

钢箱梁主要项点检测数据

从附表不难看出，各个项点控制良好，所有数据均满足钢箱梁制造验收规则要求。

5. 结语

2011年11月11日，马鞍山长江公路大桥钢箱梁首轮8个梁段总拼专家评审会在江苏扬州举行，与会专家首轮总拼的质量控制给予了很高的评价，一致认为马鞍山长江公路大桥钢箱梁板单元、总拼制作工艺及焊接变形控制措施制定合理，可以作为批量生产依据。