大跨度钢箱梁桥面板单元制作技术研究

王晓东 张丙东 张宝平

中国二冶集团钢结构工程技术分公司 内蒙古包头   014000

【摘要】：本文主要介绍了大跨度钢箱梁桥面板单元的制作技术，从原材料采购、检验、下料、装配和焊接等过程进行严格控制，通过采用合理的制作工艺和焊接顺序，最终保证了桥面板单元的制作质量，取得了良好的效益，为同类型产品的制作积累了宝贵经验。

【关键词】桥面板单元 U型肋 装配精度 焊接变形

一、前言

目前在大跨度桥梁结构中，多数采用箱型结构，其本身具有抗弯性能好，刚度大等优点；桥面板单元作为钢箱梁中重要承载部件，其制作质量的好坏直接影响到桥体受力的合理性、成桥的美观性、整个桥梁的使用寿命及行车的稳定性。

桥面板单元是由顶板和U型肋焊接而成，如图-1所示，由于顶板面积较大，板厚相对较薄，在与刚度较大的U型肋焊接后，桥面板单元会发生翘曲和扭曲现象，如果在制作过程中各工序不严格把关和控制，会导致桥面板单元出现报废的可能，造成重大经济损失，故为了保证桥面板单元的制作质量，本文主要从材料采购、检试验、下料、装配、焊接等主要环节，并结合公司现有设备能力来进行桥面板单元的制作技术研究。

图-1 桥面板单元结构形式

2. 技术研究依托项目

本技术研究是依托兰州柴家峡黄河大桥项目，该项目桥梁属于半封闭式双箱断面，桥体宽度为35.5m，梁高3.0m，全长603m，分为直线段和弧线段，顶板厚度为14~16mm，U型肋厚度为8mm，所用材质为Q345qD；由于该桥梁宽度较宽，为了方便运输，需将桥梁横向分为3.3m，纵向分为12m，故在制作过程中桥面板单元也分成了单独的制作单元，外形尺寸为3.3m*12m。

2. 桥面板单元制作

3.1桥面板单元制作流程

材料采购及检试验 顶板加工 U型肋加工 U型肋与顶板装配 U型肋与顶板焊接 桥面板单元矫正 桥面板单元验收

3.2材料采购及检试验

3.2.1根据桥梁设计图纸的分段尺寸进行钢板（原平板）的双向定尺采购，考虑切割和焊接收缩余量，钢板需在长度方向需留出30mm荒料，宽度方向留出20mm荒料。

3.2.2钢桥所用材料应符合设计文件的要求和现行标准的规定，除必须有材料质量证明文件外，还应进行抽样检查，合格后方能使用^[1]。

3.2.3钢材进场抽样检验应按同一厂家、同一材质、同一板厚、同一出厂状态每10个炉（批）号抽验一组试件^[1]。

3.2.4钢板进场后需用七辊矫平机对钢板进行校正，以消除变形和减少残余轧制应力，有助于在后续制作时减少变形，保证钢板的平整度。

3.2.5对于首次使用的焊接材料应进行化学成分和熔敷金属力学性能检验^[1]。

3.2.6连续使用的同一厂家、同一型号的焊接材料，实芯焊丝逐批进行化学成分检验，焊剂逐批进行熔敷金属力学性能检验，药芯焊丝和焊条每一年进行一次熔敷金属力学性能检验^[1]。

3.2.7同一型号焊接材料在更换厂家后，首个批号应按照相关标准进行化学成分和熔敷金属力学性能检验^[1]。

3.3顶板加工

顶板是采用双向定尺料，来料后采用数控切割机进行下料，长度方向的荒料暂不切割，待整体桥段预拼装时再切割；宽度方向切割时，切割尺寸应比实际图纸尺寸外廓加大5mm的焊接收缩余量，连同坡口一并切出。

3.4 U型肋加工

U型肋加工是桥面板单元制作中的重点和难点，因为U型肋属于不封闭截面，是采用钢板切割成板条后压制而成，在压制过程中会出现角度压制不符合图纸要求及扭曲现象，尤其是出现扭曲后，对于不封闭截面的构件是无法修复的，只能报废，如果强行与顶板进行装配，在顶板与U型肋焊接时，由于U型肋的扭曲会带动整个桥面板单元发生扭曲，以至于无法修理而造成严重经济损失，所以在U型肋加工过程中要严格控制各道工序。

3.4.1 下料

（1）由于U型肋板厚较薄，采用常规的火焰切割，热输入量较大，容易造成钢板变形严重，影响U型肋的加工精度，故U型肋下料必须采用等离子切割机，以减少钢板的切割变形量，控制板条旁弯≤2mm^[1]。

（2）U型肋与顶板之间的角焊缝属于半熔透焊缝，具体坡口形式如图-2所示，在压制前应先将坡口加工完成，并将加工区域的毛刺清除干净，加工设备采用刨边机。

图-2 U型肋与顶板角焊缝坡口形式

3.4.2压制及接长

U型肋的压制采用压力机单刀压制成型，根据现有设备能力，最大压制长度为4m，而U型肋成型长度为12m，故需分为3段接长，在压制和接长过程中需注意以下事项：

（1）在压制时，应根据U型肋的外形尺寸（图-3所示），制作专用胎具（图-4所示），胎具在加工时应考虑回弹值，在压制工艺中最难控制的就是回弹现象，板料卸压后会产生弹性变形，从而影响工件的外形；虽然回弹值可以通过理论计算出来，但是由于材料的性能及施压外力的不同，造成压制出来的角度还是存在一定的偏差，经过多年在钢结构行业中的实践经验，为了克服工件压制过程中的回弹量，我们做了大量的试验，回弹量的大小主要取决于凸模的R值，R值越小回弹量越小，反之，回弹量越大，根据材料的不同，低合金钢凸模R值一般取产品R值的0.8倍，这个经验值基本可以满足压制构件的尺寸公差，但制作好的胎具必须进行试压，角度不满足要求时应对胎具进行修磨，直到满足公差要求后方可进行批量压制。

图-3 U型肋外形尺寸 图-4 压制胎具外形尺寸

2. 成批压制时，应在U型肋展开面上画出压制线，在压制线上两端部打上“样冲眼”，以便在操作时更容易找到定位点；在凹模一侧焊接限位挡块（图-4所示）。压制线的作用主要用于压制时的定位基准，而限位挡块的作用又能起到定位的作用，还能防止板料在压制过程中发生位移而导致U型肋出现扭曲现象。

（3）U型肋角度压到位后需保压一定时间，用外卡样板检验外形尺寸，如图-5所示，合格后，从压力机上取下，放在测平的检验平台上，检查U型肋的翘曲和扭曲程度，满足公差要求后方可进行接长工序。

图-5 U型肋检验样板

（4） U型肋尺寸允许偏差见表-1^[1]

表-1 U型肋尺寸允许偏差（mm）^[1]

序号	项目	简图	允许偏差	说明
1	开口宽度b1		+2.0 -1.0
2	底宽度b2		±1.5
3	肢高h1、h2		±1.5
4	两肢差|h1－h2|		≤2.0
5	旁弯、竖弯		＜L/1000或6， 取较小值	全长范围 （L为肋长）

（4） U型肋在接长时，应进行挑选，选择各压制节段外形尺寸相同的U型肋进行接长，接长时应在测平的胎具上进行，采用直接对接，留2mm^[2]间隙，在内侧加陶瓷衬垫，外侧焊接，接长后的外形尺寸应满足表-1的规定。

3.4.3 U型肋曲弧

在桥梁制作中，有直线段，也有弧线段， U型肋本身加工出来时成直线形，在装配时需要把它弯制成弧形，目前尚未有专门弯制U型肋的机械设备，这就给U型肋曲弧造成很大难度，我们采用了很多曲弧方法，但是由于U型肋属于不封闭结构，且板厚较薄，在弯制过程中稍有不当，就会出现局部塌陷，甚至还会出现扭曲和翘曲现象，很难加工出合格的产品，造成此道工序成了桥面板单元制作的瓶颈，为了解决这一难题，我们专门研制了一套简易U型肋专用弯制胎具，如图-6所示，采用此胎具即提高了生产效率，又能100%的制作出合格产品。

1. 根据U型肋的外形尺寸制作支座和夹持装置，支座是由数根热轧H型钢组焊而成的框架结构平台；夹持装置是由内模板和外压模组成。

2. 在支座上安装导轨，将内模板推入导轨中，将U型肋放入内模板中，将外压模放在U型肋上，采用连接螺栓将内模板和外压模固定在一起，将U型肋压紧锁牢。

3. 利用千斤顶推动夹持装置，使U型肋预弯曲，达到所需要的弯曲线型，用烤枪对某一断面全加热，这时这一断面在附加应力的作用下发生屈服变形；用同样的方法对U型肋按一定间隔进行加热，使各个断面在高温下屈服，并逐个冷却，使变形固定下来，释放外力后，U型肋的曲弧变形不在回弹，可有效保证U型肋的弯曲质量。

图-6 U型肋专用弯制胎具

3.4 U型肋与顶板的装配

3.4.1 U型肋与顶板的装配工艺

以往U型肋与顶板的装配方法是将顶板放于测平的平台上，在顶板上将U型肋外侧定位线画出，将U型肋根据定位线的位置至于顶板上，然后在顶板相应的位置焊接门式夹具，采用斜铁进行U型肋与顶板位置的调整，从而达到U型肋与顶板的装配目的，这样的装配方法会在顶板上留下许多焊点，并且装配效率低，装配完成后的修磨量较大，为了提高效率，保证装配精度 ，在此项技术研究中，为了节省设备的资金投入，我们专门研发了一种顶板与U型肋装配的专用胎具，从而提高了装配效率，无需再顶板上焊接粘点，避免了顶板的修磨量，如图-7所示。

1. 根据顶板的外形尺寸制作操作平台和门型钢架，操作平台是由纵梁和连梁焊接而成；门型钢架是由立柱和横梁焊接而成，在立柱的下端焊接底板，并在底板上开孔。

2. 在纵梁上根据底板开孔的对应位置开长孔，并通过螺栓将操作平台和门型钢架连接在一起，螺栓不能拧紧，使门型钢架可在操作平台上自由推动。

3. 将顶板置于操作平台并在其上画出各U型肋的位置线，将U型肋根据对应位置进行就位，利用千斤顶一端与门型钢架接触，另一端与U型肋接触，调节千斤顶，对U型肋施加外力即可完成顶板与U型肋的装配。

图-7 顶板与U型肋装配专用胎具

3.4.2 U型肋与顶板的装配允许偏差见表-2^[1]

表-2 U

型肋与顶板的装配允许偏差（mm）^[1]

序号	名称	简图	项目	允许偏差
1	桥面板单元		U型肋与顶板组装间隙Δ	0.5 局部允许1.0
			S1 S	±1.0端部
				±2.0其他部位

3.5 U型肋与顶板的焊接

3.5.1直线段焊接

（1）直线段焊接时，应采取 CO₂气体保护焊：焊丝ER50-6^[2]，直径Φ1.2mm^[2]，电流100~160A，电压26~28V。

（2）焊接顺序是从中间向两端对称施焊，在反变形胎具上进行，如图-8所示，选择相同焊接参数，控制焊接变形。

图-8 控制U型肋与桥面板焊接变形胎具

2.5.2弧线段焊接

（1）弧线段焊接时，必须在测平的平台上进行，并将顶板与平台进行刚性固定，以免焊接时产生翘曲变形，固定点的位置以1500mm布置一个点，4个角必须固定，以4个角为基准进行分布，待焊接完成冷却后方可将固定点松开，具体固定点位置如图-9所示。

图-9 刚性固定点位置图

（2）顶板与U型肋的焊接顺序为：2人同时对称施焊，从中心向两边由里向外施焊，应采取 CO₂气体保护焊：焊丝ER50-6^[2]、直径Φ1.2mm^[2]，电流100~160A，电压26~28V，具体焊接顺序如图-10所示。

图-10 弧线段U型肋与顶板的焊接顺序

3.6 桥面板单元的矫正方法

U型肋与顶板焊接完成后，由于焊接收缩变形会使桥面板单元出现线性凸起，为了保证桥面板单元的平整度，需采用火焰加热的方法对其进行矫正，对于直线段，可以采用多嘴头数控切割机进行加热矫正，如图-11所示，只需将数控切割机的割嘴换成烤嘴即可实现，将焊接完成的桥面板单元放于平台上，调整每个烤枪的距离，使烤枪距离与桥面板单元每道加劲肋距离相等，启动门式切割机向前或向后行走，采用此方法可以实现多条线性凸起同时矫正。

图-11 桥面板单元矫正示意图

3.7桥面板单元验收

将制作完成的桥面板单元置于测平的平台上，分别对桥面板单元的各项检验项目：长度、宽度、对角线、旁弯、平面度、扭曲度进行了验收，总共检查了20块桥面板单元，每块桥面板单元各项公差均满足规范要求，具体检查数值见表-3。

表-3 桥面板单元检查记录表（mm）

序号	检验项目[1]	允许偏差[1]	测量平均值	实测点数	说明
1	长度	±8	+5	40
2	宽度	±5	-1	100
3	对角线	3	2	40
4	旁弯	L/5000	2	20	桥面板单元长度L=12m
5	平面度	纵向≤3mm 横向≤1.5mm	纵向2mm 横向1mm	120 160
6	扭曲度	10	5	200	每米1mm，且不大于10mm

2. 结束语

通过对大跨度钢箱梁桥面板单元制作技术的研究，并采取合理的制作工艺和焊接顺序，有效的保证了桥面板单元的制作质量，为桥梁制作提供了良好的施工技术，也为国内同类型工程的施工提供了借鉴的经验。

参考文献

[1] Q/CR9211-2015，铁路钢桥制造规范.

[2] GB 50661-2011，钢结构焊接规程.

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