鱼腹形横梁工艺降耗技术研究

陈 敏

（中铁山桥集团有限公司，河北秦皇岛 066200）

1.工程概况

北口大桥跨江主桥位于浙江省温州市瓯江入海口之上，是甬台温高速公路复线和南金公路两大项目在温州市内跨越瓯江的重要过江通道。主桥采用2×800m 的三塔双层桥面钢桁梁悬索桥，规模宏大，技术复杂，结构新颖独特，充分体现创新、协调、绿色、开放、共享发展理念，设计使用寿命为100 年。大桥于2016 年1 月4 日动工兴建、2021 年12 月30 日实现合龙、2022 年5 月27 日正式通车运营，实景与设计布置图如图1 所示。

图1 北口大桥跨江主桥实景图及设计立面

2.结构特点

横向两片主桁间距为36.2m，标准节间长为10m、梁端节间长为11.8m，全桥总计208 个节间，如图2 所示[1]。

图2 北口大桥跨江主桥BIM模型与设计横断面图

上、下层公路桥面采用正交异性板整体钢桥面结构，由桥面板和倒T 形横梁组成，如图3 所示。

图3 上、下层公路桥面板块布置图

倒T 形横梁在标准10m 节间顺桥向间隔3.33m、3.34m、3.33m 各设一道，在梁端11.8m 节间顺桥向间隔2.95m 设一道。共分为节点横梁和节间横梁两种。

节点横梁布置在主桁节点处，横梁腹板厚14mm、中心高2.465m，竖向加劲肋宽150mm、厚12mm。水平加劲肋宽120mm、厚12mm。底板宽800mm、位于跨中区域板厚为36mm，其余位置为26mm，单重15.811t，如图4 所示。

图4 节点横梁构造图

节间横梁为鱼腹形，布置在节点横梁之间。横梁腹板厚14mm，由中心高2.469m 渐变至主桁处1.2m，每间隔1.8m 布置一对竖向肋加劲，宽150mm、厚12mm，在竖向加劲肋之间，在横梁受压翼缘腹板高度的1/4 ～1/5 处布置一道水平加劲肋，宽120mm，厚12mm。节间横梁底板板厚为32mm，宽600mm，单重12.686t。如图5所示。

图5 节间横梁构造图

3.横梁损耗率失控要因分析

倒T 形横梁长34.1m，因超出国家公路运输规定、钢厂轧制能力和工厂加工能力，在工厂制造环节必须采用分段制作工艺[2]。所以节点横梁、节间横梁均选用了产生1道焊缝的2 段制作（16600+17500）工艺方案[3]（见图6）。

图6 节间横梁划分2段制作工艺示意图

在北口大桥跨江主桥钢结构工厂制作的技术备料环节，发现了横梁钢材损耗率失控的问题。依据当前横梁各部位的损耗率情况绘制了上、下横梁各部位损耗率占比排列图，如图7 所示。根据主次因素分析法，将北口大桥跨江主桥上横梁各部位损耗率曲线的累计频率分为4 级，并将与之相对应的因素分为两类。其中：A 类因素为节间横梁制作工艺，发生累计频率为0%～90%，因此是主要影响因素；B 类因素为节点横梁制作工艺，发生累计频率为90%～100%，因此是一般影响因素。

图7 北口大桥跨江主桥横梁各部位损耗率占比排列图

4.节间横梁工艺降耗方案研选

针对横梁消耗失控的要因，开展节间横梁制作工艺方案研选工作。

4.1 镜像叠合备料新技术

节间横梁与节点横梁唯一的不同点是腹板呈鱼腹形。当横梁同样采用16600+17500 的两段制作工艺方案时，节点横梁腹板的钢材损耗率为1.97%，但节间横梁的鱼腹形腹板钢材损耗率却高达24.83%（见图8），所以确定其为消耗失控的症结所在。

图8 采用两段制作工艺方案的腹板备料图

只有去除图8 两侧（鱼尾侧）产生的大量余料，才可能降低损耗率。而合理的排板规划及下料管理有利于提高钢材使用效率[4]。如果把腹板分为3 段，通过中段鱼腹处单独备料、两侧短节的鱼头和鱼尾实现嵌套的镜像叠合备料新技术，才可以消除余料。如图9 所示。

图9 镜像叠合备料技术对应的腹板备料图

4.2 确定三段制作工艺方案

实施镜像叠合备料技术的前提是确定最经济、最有效的节间横梁三段制作工艺方案。因此，运用计算机三维模拟实验进行方案比选，寻找把钢材损耗率降到最低黄金分割点，如表1 所示。

表1 鱼腹形腹板制作工艺方案比选评价表

根据比选数据分析，鱼腹形横梁划分3 段进行制作的工艺方案可使钢材损耗率降至最低。具体划分位置：上桥面节间横梁为10790+12520+10790；下桥面节间横梁为10180+13740+10180，如图10 所示。

图10 节间横梁3段制作工艺方案示意图

5.经济效益分析

在大桥BKGL-03 标段工厂制作环节，鱼腹形横梁全部采用了三段制作工艺方案，成功地将钢材损耗率降低了12.37%。全部422 道鱼腹形横梁共实现节约钢材662.227t，节约成本307.216 万元，达成了工艺降耗的目标。

6.结语

伴随着我国由“桥梁大国”迈向“桥梁强国”的坚实脚步，未来将会自主设计与建造更多形式的钢桁梁悬索桥。通过北口大桥跨江主桥鱼腹形横梁工艺降耗新技术的研发与实施，为国内钢桥制造企业找寻降本增效新方向提供参考与借鉴。在全面推行绿色可持续的高质量发展战略之际，全体造桥人将秉承自信自强、守正创新、踔厉奋发、勇毅前行的精神品质，助力中国桥抢占国际高端市场。