超高变截面钢箱梁制造关键技术研究

王润国 （中铁四局集团钢结构建筑有限公司，安徽 合肥 230031）

1 工程概况

济南大西环黄河特大桥起点位于德州市齐河县，路线呈南北走向，终点位于济南市长清区。大桥主桥采用四塔钢-混组合梁部分斜拉桥，跨径布置为（140+3×240+140）m，桥面宽36m。桥塔采用顺桥向倒Y 形钢筋混凝土塔。每个塔设置15 对斜拉索，下部结构采用柱式墩、整体式承台及桩基础，全桥立面图见图1。

图1 全桥立面图

图2 主梁标准横断面

图3 拼装场布置方案

图4 钢箱梁顶板

图5 超宽顶板折弯工装模型

图6 零件碰撞审查

图7 零件数控排版

图8 胎架布置图

图9 制式胎架

图10 多功能抄垫工装模型

主梁为单箱三室大悬臂变截面钢-混组合梁，墩顶处桥面高8.5m，合龙段处桥面高度4.5m，钢主梁顶板总宽36.0m，底板宽15.2m。顶板在桥塔位置附近厚24mm，其余全桥顶板厚度为14mm。底板在桥塔位置附近厚度为24mm，其余全桥底板厚度为16mm。设置一定数量的水平、竖向加劲肋提高其整体和局部稳定性[1]。为保证支点处钢箱梁受压翼缘钢板不发生局部屈曲现象，在桥塔两侧的钢箱梁各18m 范围内灌注厚度为50～200cm 的C55 微膨胀混凝土[2]。为便于制造和运输，全桥共划分了S0～S20 和跨中梁段类型M 共22个梁段类型，各钢箱梁梁段之间采用工地现场焊接形成整体，并且挑臂通过栓焊结合与钢箱梁连接。

2 工程重难点

根据本工程特点，结合大量的方案验算比选[3-4]，主桥采用四塔同步双向悬拼架设的方案，高峰期八个悬拼作业面同时施工。为此制定了在工厂进行梁段单元块的加工制造，现场拼装场进行梁段吊装单元的总拼，钢梁桥位吊装完成后进行焊接的施工工艺。在方案的细化研究中主要难点如下。

①钢箱梁截面较大，梁高按二次抛物线变化，分段分块尺寸需严格控制，加工精度要求高；钢箱梁顶板设有S 型折弯区域，S 型顶板单元折弯精度要求高。②钢箱梁总拼施工工期紧、精度要求高，现场拼装质量需要严格控制。③倒运过程中梁段支撑体系过程转换的安全控制难度较大。④工程八个悬拼作业面同时施工，钢箱梁现场总拼焊接量大，钢箱梁焊接变形控制及总拼效率要求高。

3 大节段超高变截面钢箱梁制造技术研究

3.1 钢箱梁工厂制造技术研究

3.1.1 钢箱梁分段优化设计

根据现场实际情况及桥梁施工特点[5]，制定了以下两种钢箱梁制造拼装方案。①工厂进行钢箱梁板单元的下料、拼装，板单元汽车运输至现场拼装场组装成整体节段；②工厂内进行钢箱梁梁段单元块的加工制造，梁段单元块由汽车运输至现场拼装场进行钢箱梁总体拼装。

表1 从技术可行性、安全可靠性、经济合理性、工期可控性、环境适宜性五个方面对方案一和方案二进行综合比选，最终选择方案二进行施工。

表1 拼装场布置方案比选

钢箱梁按“工厂制作梁段单元，施工现场组拼吊装单元”的思路进行分段制作。由于钢箱梁超宽超厚的顶板，在综合考虑运输限制条件、钢锚箱及横隔板等关键受力部位的前提下，对核心箱、超大挑臂进行合理分段。钢箱梁按照桥长方向进行分段，分段处采取Z 字形对接，对接焊缝之间错开200mm。钢箱梁按照高度方向进行分段，分段处采取平口对接。分块情况如表2所示。

表2 梁段分块统计表

3.1.2 S型顶板单元制造工艺研究

由于单块梁段顶板单元最大宽度为3.5m，并且顶板边侧为双S 弯，市面上常规折弯机的标准宽度为1.2m、1.6m、2.0m、2.5m，无法满足厂内加工需求。因此本工程结合折弯机与三维千斤顶的结构组成研发出了“顶板折弯工装”[6]。该工装既可以完成板宽较大的梁板单元拼接作业，还可以确保S 弯顶板的折弯精度。

3.1.3 工厂数字化加工技术研究

根据设计蓝图核对全桥线形和轴线尺寸，利用Tekla软件对济南大西环黄河特大桥进行建模。建模放样过程中，通过3D 视野可直观地发现全桥尺寸的完整性、冲突杆件及零部件、空间狭小安装杆件及符合制造加工的工艺要求，便于设计图纸的审核工作。相比传统的手工作图，降低了图纸上的人为错误，有效地提高了加工图纸的准确度和出图效率。

同时，TeklaStructure 可以实现与ProNest 排版套料软件的协同配合，通过Tekla 将所有的零部件输出为NC 格式的文件并导入ProNest 排版套料软件，按照不同的板厚、材质以及异形零件的外形尺寸相互匹配优化套料，以达到最优的排料效果。

3.2 钢箱梁现场总拼方法研究

3.2.1 总拼试拼一体化技术研究

针对钢箱梁结构特点，结合现场实际情况，对一套通用型拼装胎架进行优化设计，研究出适用于本工程的总拼试拼一体化施工方法，即总拼与试拼同时进行的施工方法。施工时预留前一轮次组装好的最后一块用于下轮次组装的匹配段，并依次进行拼装，直至钢箱梁全部完成，成功实现钢箱梁试拼、总拼一体化施工，有效控制钢箱梁拼装的精度，缩短了施工工期。

梁段单元块在钢梁拼装场主要采用“X（X 最大为3，最小为1）+1”轮次进行组拼。总拼装胎架为双排立杆，每排立杆计20 个，胎架布置于80t 龙门吊覆盖范围内。

“制式胎架”由立柱、调节钢管及支撑杆组成，总拼区胎架附加设置横向及纵向支撑确保稳定。胎架构件均为工厂加工，其中立柱尺寸固定，调节钢管根据箱梁底部相对高差配切，拼装完毕后，立柱及调节钢管可循环利用。遇软弱地基，胎架底部相应设置扩展基础。

3.2.2 多功能抄垫工装研究

针对曲线形桥梁或底板设有坡度的桥梁，传统抄垫设施在施工过程中难以做到标准化，安装过程中需要不断调整抄垫高度和角度，极大地增加了安装难度。基于此，本超高变截面斜拉桥钢箱梁工程研发出多功能抄垫工程装置。该装置由上下两部分组成，上部是用于调整角度的铰轴式调节器，下部是用于调整高度的丝杠螺母装置，可以实现高度可调节、角度自适应的功能。

该工装实现了抄垫作业标准化，方便控制精度，极大地提高了作业效率，适用于变截面钢箱梁桥、变桁高钢桁梁桥、钢拱桥等曲线形的桥梁。

3.2.3 梁段倒运支撑体系转换技术研究

由于拼接好的钢箱梁段支撑体系过程转换的安全控制难度较大。本工程在进行梁段支撑体系过程转换时，创新性地采用“抄垫工装+模块运输车”完成对支撑体系过程的转换。

钢箱梁在总拼胎架上拼焊为成品梁段，提前在模块运输车上安装抄垫工装，并行驶至梁底就位。通过起顶方式，将胎架上的成品梁段转至模块运输车上，然后落梁至胎架上，将梁底由抛物线转变为水平状态，再次利用模块运输车将梁段起顶，使梁段与胎架脱空后运输至存放区胎架上存放。

图11 梁段倒运流程

结合钢箱梁自身结构特点及施工需要，“抄垫工装+模块运输车”运输模式大大降低了梁端体系过程转换的安全控制难度，节约了时间成本和经济成本，提高了施工效率。

3.3 大节段超高变截面钢箱梁焊接变形控制研究

针对项目焊接工作量大、焊接变形控制难度大的问题，通过科技攻关[7]，采用有效的焊接变形控制措施进行施工，取得了良好的实施效果，具体的控制措施如下。

焊接收缩量的控制：根据焊接工艺评定的焊接参数和施工图的坡口形式及间隙进行试验，得出焊接收缩余量的数值，在加工时给予补偿。

箱体焊接顺序：①先焊内部焊缝，后焊外部焊缝；②先采用间断焊定位，后进行满焊；③对称施焊；④先焊短焊缝，后焊长焊缝；⑤先焊接受焊接影响变形较小的零件，后焊接变形较大的焊缝；⑥顶板的对接焊缝、腹板和顶底板的焊缝均要求同向焊接。为保证对接处箱口尺寸，焊接前在箱口处增加支撑固定，另外，箱口距里边的纵向焊缝预留200mm不焊接。

焊接变形控制措施：①对接头焊接时，应保证焊接方向相同，匀速焊接；②加引弧板焊接对接头时，引熄弧应在引熄弧板上；③多层焊应连续施焊，每层焊道焊完后及时清理，清除缺陷，每层焊道厚度不大于5mm；④多层焊的接头应错开，每段焊缝的起始段应呈阶梯状；⑤焊接过程中应随时检查结构的位置，发现偏差及时调整焊接顺序。

变形矫正：焊缝焊接完成后对钢箱梁变形位置进行火焰矫正，矫正温度控制在750～800℃之间，观察控制钢板加热颜色为樱红色或淡樱色。板单元面凸起的矫正采用圆点加热校正法，加热点的直径选择在50～60mm 之间，加热点的相互间距为80～150mm，先矫正凸起处，后矫正顶起或揪起的凹处。顶板面不平整矫正采用线加热校正法，火焰在构件上沿直线加热，加热宽度不超过40mm。

4 结语

针对钢箱梁结构特点，综合考虑安全、经济效益等方面的因素，并结合实际情况，研究出适用于本工程的超高变截面斜拉桥钢箱梁制造技术。运用本研究成果进行施工，优化焊接工艺、控制焊接变形；严格控制钢箱梁加工制造、安装的质量、精度和运输梁段安全性，确保超高变截面斜拉桥钢箱梁八个悬拼作业面的连续施工，提升了施工过程的安全性，提高了施工效率，节约了时间成本和经济成本。本工程已于2022 年12 月竣工，社会经济效益显著，为类似工程提供了重要的参考价值。