沪通长江大桥大节段连续钢桁梁制造预拱度控制工艺研究

李维强，赵泽华，关 勇，刘春凤

（1. 中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066205；2. 中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司，湖北 武汉 430000）

1 工程概况与结构特点

随着我国大跨度钢桥建设的快速发展，为了更有效地控制钢桥制造和架设质量，减少工地架设工作量，大型钢桥梁的大节段预拼装已经由桥址逐渐转移至工厂，这对于大跨度钢桥的工厂化制造工艺与精度控制提出了前所未有的挑战。与大跨径钢箱梁制造相比，大节段连续钢桁梁空间杆件多、节点构造复杂，其制造精度与预拱度控制有其自身特点需要加以研究。

沪通长江大桥是世界上首座跨径超过千米的公铁两用斜拉桥（如图1 所示），大桥为双层钢桁梁结构，下层为4 线铁路、上层为6 车道高速公路，其主 航 道 桥 跨 径 布 置 为（140＋462＋1092＋462＋140）m，全长2296 m。主航道桥采用3 片主桁结构，采用“N”形桁式。标准节段主梁边桁桁高16.0 m，中桁桁高16.308 m，桁宽2×17.5 m，每个主桁节点均设横联，全桥共划分为95 个节段。标准节段公路桥面采用正交异性整体钢桥面板结构，铁路桥面采用整体钢箱结构。公路桥面、铁路桥面与主桁共同受力。弦杆顶板、底板均为平坡，公路桥面设2%单向横坡，铁路桥面设2%人字坡［1-3］。沪通长江大桥采用整体节段架设方案，标准梁段的2 个节间为1个整体全焊接节段。整体节段内部杆件之间采用焊接，整体节段间的上、下层钢桥面顶（底）板的工地连接也采用焊接，整体节段间的上弦杆竖板和底板、下弦杆竖板、斜腹杆工地连接均采用高强度螺栓连接。

针对大桥的结构特点和节段间拼装线形精度要求，分析研究认为，钢桁梁厂制预拱度控制具有以下难点：整体双节点弦杆结构复杂，制作难度大，组装精度不易控制；焊接结构复杂，焊缝类型多样，焊接变形难于控制，难以保证高强螺栓的连接精度；整体节段尺寸及重量大，对胎架制作精度及三维测控网的布置要求高。为此，在总结同类钢桥加工经验的基础上，提出重点控制以下项点精度来保证厂制预拱度：（1）整体双节点弦杆的制作精度控制；（2）桁片拼装精度控制；（3）三维测控网的精准布置；（4）整体大节段的拼装精度控制。

2 整体双节点弦杆制作精度控制

大桥弦杆为整体双节点弦杆，为了有效的控制焊接收缩量、制造变形量，保证杆件几何尺寸、栓孔精度及孔群相互关系等关键项点质量［4-5］，制作过程中应重点控制以下四点。

2.1 内隔板精度控制杆件扭曲

内隔板作为箱形杆件几何精度控制的一种胎型存在于箱体之中，其是控制杆件箱口尺寸、保证弦杆近端与远端扭曲变形在≤2.0 mm 范围内的重要零件，尤其要保证其板边垂直度偏差控制在≤0.5 mm范围内。为了严格控制内隔板的加工精度，制作时采用精密切割下料+机加工的工艺。内隔板组装时必须划线组装，同向对称施焊，以此保证竖板的直线度。

2.2 竖板单元精度控制杆件挠度

竖板单元由整体节点板、竖板及纵向板肋组成，其制作按照：零件下料→机加工→接料→组焊纵肋3 个步骤进行，其控制关键在于节点板精度控制与接料直度控制。对于宽度较大的节点板，应先完成钢板接荒料再整体数控下料来确保节点板外形尺寸，通过五接一接长而成。接料位置按规范注意避开孔群及杆件主要焊缝位置，节点板下料赶平后精确划线，包括斜杆、竖杆轴线、水平中心线及对接端机加工线。

按照杆件L＞8 m，旁弯f≤3.0 mm 的允许偏差对竖板单元进行机加工控制，同时确保下弦杆的两个节点板中心距满足±2.0 mm 范围内的精度要求，在组装箱体过程中，避免其在与上、下水平板无间隙组焊时，随弯就弯。

2.3 弦杆孔群精度保证起拱精度

弦杆在两端设置连接孔群，孔群精度直接决定钢桁梁的起拱精度。整体节点弦杆的节点部位断面大，采用传统的制孔方法工序多，工艺复杂，立体划线等人为因素影响较大。故采用双龙门三维数控钻床（如图2 所示）同时施钻弦杆两端的螺栓孔［6-7］，以其精准联动，具有自动检测杆件的旁弯、扭曲等功能，可以保证竖板极边孔距偏差在1.0mm 范围内。该设备具备X-Y-Z三轴同时施钻，可以确保不同平面栓孔的纵向、横向不错位，同时保证两侧竖板栓孔的同心度偏差控制在1.0 mm 范围内。

2.4 双节点弦杆保证拼装线形精度

大桥的拼装线形主要是通过折线形双节点弦杆来实现拱度控制，即，竖板接料时是以系统线为基准，同时注意两个节点板与三个竖板的上端对齐，使纵向各基准点成一条折线，线形在节点处有角度改变，由于该线形是组装箱体的纵向基准线，所以竖板对接时直线度及其折点位置、折线角度尤为重要，以某节段边桁上弦杆为例，系统线形如图3 所示。对于不同位置的节段折角方向及其角度大小都是各不相同的。

3 三维测控网的构建

为了对节段拼装过程、节段尺寸精度进行随时监控调整，构建包括水准测量网、平面线形控制网及全站仪测量基站等在内的三维测量控制网，如图4 所示。使用全站仪和经纬仪，通过测量控制网对胎架及节段的所有测量点进行直接、准确地监测，避免累计测量的误差。拼装拱度值按照设计、监控给定线型确定，拱度依靠承重支墩上的垫板及调节块的标高调节，利用水准仪、水准控制点进行测控。

4 整体大节段的拼装精度控制

4.1 桁片组装精度要求

主桁桁片为全焊接结构，焊接收缩量和变形量为控制重点，因此需要对其尺寸进行严格控制，既要保证桁高、对角线差，又要保证主桁与横梁的连接，同时还要避免箱口对接发生错口情况。参照如图5所示的主桁尺寸，主桁尺寸允许偏差如下：桁高H允许偏差+2.0～+4.0 mm；1/2 斜杆接口位置H1允许偏差+1.0～+2.0 mm；斜杆中心线长度L5允许偏差0～+3.0 mm；锚点与节点中心水平距离L0允许偏差0～+3.0 mm；对角线差│L2－L3│允许偏差不大于3.0 mm；节点中心距L1允许偏差－1.0～+3.0 mm；弦杆端部孔与节点中心距L0允许偏差0～+2.0 mm；极边孔距L允许偏差0～+2.0 mm；斜竖杆盖板接口错位不大于1.5 mm；平面度不大于3.0 mm；桁片平面外弯曲不大于4.0 mm；桁片扭曲不大于3.0 mm；相邻整节段的上下弦杆及斜腹杆的中心线匹配偏差控制在不大于±0.5 mm。

4.2 连续匹配拼装工艺

桁片组装采用多节段连续匹配拼装的方案，桁片组装与试拼装同时进行，要求每一轮不小于4 个桁片，在上一轮拼装完成后留下一段作为下一轮的母段参与拼装，从而保证相邻桁片之间的顺利连接；其拼装顺序为定位上下弦杆→拼装腹杆→焊接腹杆与下弦节点之间焊缝→焊接腹杆与上弦节点之间焊缝。4 个节段主桁组装示意如图6 所示，拼接板制孔采用平板数控钻床钻孔。

为避免误差累积，每个节段桁片组装完成后均要测量，测量合格后方可焊接。桁片组装过程中除对本项目制作规则上列出的各控制项点进行控制测量外还需对图6 所标注的项点进行测量控制。

4.3 整节段拼装精度控制

在主桁桁片、公路桥面板块、铁路钢箱桥面以及横联片体拼装焊接并检测合格后，进入整节段拼装，整节段拼装采用多节段连续匹配拼装，首轮首段拼装顺序与其他整节段稍有不同，首段是按照一侧铁路钢箱桥面就位→中间桁片拼装→另一侧铁路钢箱桥面拼装→两侧桁片拼装→横联片体拼装→上层公路桥面板块拼装的工艺顺序拼装，而后续整节段则是在已拼装完成的整节段上首先定位拼装中间桁片，然后再拼装两侧铁路钢箱桥面，后面顺序与首段相同。

钢桁梁整体拼装在大型专用拼装胎架上完成，外胎的制作精度直接影响节段的拱度。在胎架制作完成后对节段节点与环口处支墩标高进行测量，严格控制胎架标高在±1 mm 以内，每轮次整节段拼装完成后进行整节段预拼装检测，主要包括：

1）测量整节段接口尺寸（桁宽、桁高、对角线差、桥梁中线位置、主桁中心距、拱度、面板坡度，如图7 所示），要求同一整节段的两片整体桁片桁高偏差方向一致，且保证桁片垂直度在允许偏差≤3.0 mm 的范围内。保证桥位栓孔通过率及连接质量；钢桁梁整体拼装线形靠胎架来保证，拱度值利用可调楔形支墩进行调整（如图8 所示），节段与中轴线偏差利用胎架支墩的滑移支座调节（如图9所示）。

2）进行整节段预拼装长度、节间长度、旁弯、轴线及锚点间距的测量，测点布置在主桁中心线上，利用全站仪测量各点三维坐标，保证整节段拼装几何尺寸精度；利用精密水准仪在节段拼装完成后对桥面节点和环口处的标高进行测量，测量整节段拱度及面板坡度，与测量的接口尺寸共同组成一整套准确的拼装数据，确保拱度值在制造验收规则要求范围内［8-9］，拱度测点示意如图10 所示。即：当计算拱度f≤60 mm 时，允许偏差±3 mm；当f＞60 mm 时，允许偏差±5f/100，且≤10 mm。对整个节段进行轴线偏差测量，确保拼装误差在允许偏差的±1.5 mm 范围内，整节段预拼装项点测量如图11 所示。

3）整节段拼装完成后将主桁架中心线（横、纵向）、拱度、桥梁中心线等测点清晰的刻划在整节段表面，作为桥位安装定位以及连接施工的基础［10］。

4.4 焊接变形控制

整体桁片在拼装过程中，焊缝为熔透焊缝，易产生焊接变形，而一旦焊接成整体桁片后刚度又很大，变形极难修整。为保证主桁片桁高和螺栓孔连接精度，在主桁桁高方向预留3 mm 焊接收缩量，桁片组装时腹杆与上弦杆用限位档角限位不要点焊，待腹杆与下弦杆焊缝完成后再定位焊接，使之在下弦节点焊接时腹杆在长度方向上有自由伸缩的空间，减少焊接收缩对桁高的影响。采用多节段连续匹配拼装，利用工艺拼接板预先用冲钉螺栓拼接后再进行焊接，在焊接、矫正完成后，更换成成品拼接板复位连接验证接口栓孔通过率，确保栓孔率达100%；采用随时监控跟踪反馈修整预留量，选用高级焊工、机器人焊接焊缝，确保焊缝一次合格率。焊接过程严格按照焊接工艺规定的焊接参数进行焊接，采用线能量小的焊接方法；多层多道焊，要做到双面对称施焊，尽量减少焊接变形，确保杆件尺寸。

5 结 语

现代大跨径连续钢桁梁桥越来越多地采用大节段整体制造和架设工艺，本文结合沪通长江大桥的钢桥制造实践，提出了大节段钢桁梁的厂制预拱度及高精度拼装的控制工艺，主要包括以下三方面：

（1）通过加强对内隔板、竖板单元的制造精度、弦杆制孔精度、弦杆系统线形精度的控制，保证了上、下弦杆件的扭曲、挠度、线形拱度满足设计规范要求，从而实现整体双节点弦杆的高精度制造。

（2）三维测控网的精准布置，可以对拼装胎架以及大节段的整个拼装过程进行直接、准确的监测，以便随时监控调整，避免因测量不及时产生的累计误差影响拼装精度。

（3）采用连续匹配拼装工艺，加强对桁片拼装、整节段拼装尺寸精度、拱度、轴线精度以及焊接变形的控制，实现整体大节段的高精度拼装。

通过上述关键项点的控制，保障了大桥的高精度合龙，表明了厂制预拱度控制工艺实用可行，为类似钢桁梁预拱度的控制提供了理论依据和实践经验。