泰州长江大桥钢箱梁弹性索锚腹板单元制作技术

 王岁利  常彦虎  祁宝金

 （中铁宝桥（扬州）有限公司，江苏扬州  225107）

摘要：泰州长江大桥是国内也是世界上首次建造千米级跨度的三塔悬索桥，其中中塔和主梁采用全钢结构，主梁在中塔处设纵向弹性索约束是该桥的亮点之一，弹性索锚腹板单元结构复杂，制作难度大。通过对制作难点的分析，对焊接接头形式进行了优化，并对制作工艺及效果等给予阐述。

关键词：弹性索锚腹板单元；制作工艺；焊接工艺；变形控制；平面度控制

DOI:10.13206/j. gjg201603022

1工程概况

 泰州长江公路大桥位于江苏省长江的中段，上游距润扬长江大桥约60 km，下游距江阴长江大桥约60 km，北接泰州市，南连镇江和常州市。其主桥为三塔连续钢箱梁悬索桥，其中中塔为钢塔，跨度为(390 +2 x1 080 +390)m，钢箱梁总长约2 160 m。2根主缆横桥向中心间距为34.8 m，吊索顺桥向标准间距为16 m。主梁为扁平流线形封闭薄壁钢箱梁，其壁板均为正交异性板结构，箱梁横断面为单箱3室构造，两侧边室为风嘴兼检修道。在中塔两侧设弹性索，一端固定在主梁上，另一端固定在中塔上，该约束可以提高主缆与中主鞍座之间的抗滑移安全系数、改善中塔受力、降低钢箱梁跨中挠度、并减小其纵向活载位移。弹性索锚箱设在钢塔两侧附近梁段的直腹板外侧风嘴内，上、下游各一对。弹性索锚箱是由厚板组成的焊接于直腹板上的箱形结构，具体形式见图1（直腹板长向仅示局部）。

2  结构特点和制作难点分析

 根据钢箱梁整体方案的要求，弹性索锚箱需与直腹板组成一个锚腹板单元来参与钢箱梁的总体拼装，弹性索锚箱是焊接于钢箱梁直腹板外侧的箱形结构，由锚座板、锚垫板、承力板、支撑板和锚隔板组成，直腹板、锚隔板、支撑板板厚均为30 mm，锚座板、锚垫板、承力板板厚均为40 mm，锚箱处于直腹板外侧面的中部，锚座板、承力板、直腹板之间互为全熔透角焊缝，其余焊缝为部分熔透（坡口）角焊缝或贴角焊缝，锚垫板的平面度要求控制在0.2 mm以内（使用中必须确保锚具与锚垫板紧贴），直腹板平面度要求控制在2.0 mm以内。

2.1  锚固面平面度控制

 根据设计要求，锚垫板与锚座板必须紧贴，锚垫板的外表面与后安装的锚具锚头必须紧贴，按标准要求其结合面平面度必须控制在0.2 mm以内，该要求需要通过机加工工艺才能实现。最理想的方法是结构制作完成后整体机加工锚垫板外表面，但加工面距离逐步形成腹板端头较远(13. 35 m)，无法选择可加工的设备，若单件加工，后续的焊接变形会导致最终的平面度较差，加工方法难以确定。

2.2  狭小空间的焊接作业

 由于弹性索锚箱为由厚板组成的格构式箱形结构，结构尺寸小，熔透焊缝多，焊接空间狭小，施焊作业人员无法进入箱形结构施焊内部焊缝，给组装、焊接带来难度。

2.3焊接变形控制

 承力板、锚座板与直腹板间互为全熔透角焊缝，支撑板与承力板、锚座板为部分熔透（坡口）角焊缝，焊缝密集，焊接变形大，特别是熔透角焊缝对锚垫板面和直腹板面平面度影响较大，且不能机械冷矫正，只能采用火焰热矫正，热矫正将会引起结构的收缩变形，对几何尺寸有影响。

3工艺措施

3.1  锚固面平面度控制措施

 1)将锚座板与锚垫板先组焊成一个刚性较大的合件（两板各加厚10 mm，总板厚度达100 mm），再对合件双面铣削加工，锚垫板外表面留2 mm修磨量。

 2)锚座板与锚垫板的合件参与整体组焊后，再对锚垫板外表面由于焊接变形引起的平度超差部位通过机械钳工进行配研磨平，使其平面度不大于0.2 mm。

3.2  焊接质量控制措施

 1)合理确定组装、焊接顺序，既使关键受力焊缝处于较好的作业环境下焊接，又使整体无法施焊的焊缝分步焊接。

 2)设计合理的焊接坡口形式，既要减小焊接金属填充量，又要尽量避免在狭小空间的焊接。

3.3  焊接变形控制措施

 1)先将直腹板与其内侧的板式纵组焊成腹板单元，并在弹性索锚箱位置的背面加装工艺加劲板，增加直腹板的面内刚性，防止在焊接锚箱时直腹板的局部变形。

 2)选择线能量小的半自动CO2气体保护焊焊接。

 3)预留工艺收缩量来抵消焊接、热矫正收缩变形。

 4)采用分步组装、焊接、矫正，使焊接变形逐级得以矫正，避免变形积累。

4  制作工艺设计

 针对弹性索锚箱结构特点和难点，以确保施工安全、结构质量安前提，采取合理的制作工艺。

4.1  主要焊接接头的坡口设计及焊接方法

 焊接坡口设计是焊接工艺制定过程中非常关键的一项内容，首先要考虑焊接的可操作性、组装顺序及所采用的焊接方法，其次要尽量减少焊缝金属填充量，还要尽可能地使接头两侧热输入平衡，以达到焊后结构变形和残余应力小的目的。对于这种几何尺寸小、板件厚、全熔透焊缝多而密集的结构，应选用线能量小、焊接空间不易受限的半自动C02气体保护焊焊接方法，焊接位置应以构件摆放安全、焊接操作方便为原则，应尽量使关键焊缝处在横位或平位焊接。

 1)锚座板与直腹板的全熔透角接：考虑到锚座板较厚(40 mm)，且可以较先组装，不受其他件的空间限制，为减少焊接金属填充量和焊接变形，锚座板采用不对称K形坡口横位焊接，清根后保证两侧热输入相同，以减小焊接变形。

 2)承力板与直腹板、锚座板的全熔透角接：由于4块承力板间距较小，双面焊无法实施，只能实施从中间向两侧分步在外侧单面焊接，所以承力板与直腹板、锚座板的焊缝采用单侧V形坡口横位焊接，坡口背面贴钢衬垫，留间隙焊接。

 3)锚隔板与直腹板的全熔透角接：由于承力板先于锚隔板组装，内侧空间很小，只能在外侧单面焊接，所以此焊缝采用单侧V形坡口横位焊接，坡口背面贴钢衬垫，留间隙焊接。

 4)承力板与锚隔板的部分熔透（坡口）角接：同样由于4块承力板间距较小，双面焊无法实施，只能实施从中间向两侧分步在外侧单面焊接，所以承力板与锚隔板的焊接边采用带钝边的单侧J形坡口立位焊接。

 5)支撑板与锚座板、承力板、锚隔板的部分熔透（坡口）角接：支撑板属于封箱板，只能在外侧单面焊接，支撑板与锚座板、承力板、锚隔板的3条焊缝采用带钝边的单侧J形坡口平位焊接。

具体焊缝接头形式见图2。

4.2零部件加工工艺设计

 直腹板采用门式火焰切割机下料，纵向留焊接收缩工艺量，周边及坡口采用刨边机加工，锚座板、锚垫板、承力板、支撑板和锚隔板全部采用数控火焰切割机下料，焊接边及坡口采用刨边机加工，对承力板横向留焊接收缩工艺量，锚垫板板厚留单面加工量（增加厚板）。为了减小锚箱在整体组装、焊接过程中锚垫板面的变形，先将锚座板、锚垫板组焊成锚座板合件，增加其面内刚度，再对合件的锚垫板外表面进行铣削加工，平面度控制在0. 05  mm以内，并留2 mm的二次研磨量。

锚座板合件的制作工艺流程见图3。

4.3整体制作工艺设计

 结构形式及空间尺寸对各焊缝作业有影响时，在组装顺序上应为关键焊缝的施焊创造较好的施焊条件，确保焊接质量。弹性索锚箱和直腹板的焊接质量尤为重要，但由于空间位置狭小，给拼焊作业带来很大困难，采用将锚箱从内向外、由下向上分步进行组装焊接的原则进行。具体工艺如下：

 1)在平台上以直腹板纵横向中心为准在内侧面（桥轴线侧）划出纵横基准线，并返划在板厚侧；再以纵横基线为准组焊纵横加劲肋，并在背面待装锚箱对应位置组装工艺加劲板（约束劲板），对焊接变形进行热矫正。

 2)翻身后置于平台上，将板厚侧所划纵横返划在上表面，并以该纵横基准线为准划弹性索锚箱各零部件组装位置线，即锚箱定位基准线。

 3)按线组装、焊接锚座板合件，采用双面CO2手弧焊工艺，小坡口侧清根，确保熔透，并对焊缝进行无损检测、焊趾超声波锤击处理。

 4)组装、焊接内侧2块锚箱承力板和锚隔板，其中承力板与直腹板、锚座板采用钢衬垫留间隙单面CO2手弧焊，保证熔透，承力板与隔板接板采用单面坡口角焊缝焊接，并对所焊焊缝进行无损检测。

 5)组装、焊接外侧2块锚箱承力板，焊接方法和工艺同前，无损检测合格后组焊底层支撑板，采用单面坡口角焊缝焊接。

 6)组装、焊接上层支撑板，焊接方法及工艺同上；切除背面工艺加劲板，并对焊接变形进行全面矫正，使结构各项控制要求均满足技术标准的要求；最后，对锚固面进行磨研处理，使其平面度达到0.2 mm的要求，锚固面机加工工艺同上。具体工艺流程见图4。

4.4锚固面机加工工艺设计

1)将锚座板与锚垫板先组焊成一个刚性较大的合件（两板各加厚10 mm，总板厚度达100 mm），再用平面铣床对合件双面铣削加工，锚垫板外表面留2 mm修磨量。

2)按结构工艺将锚垫板合件及其他锚箱零件分步组焊于直腹板上，形成锚腹板单元，对焊接变形进行矫正，使各结构几何尺寸满足技术标准的要求。

3)用轻型钢轨加工一个长500 mm、宽50 mm的基准平尺，平面度控制在0. 03 mm以下。

4)对已组焊成锚腹板单元的锚固面进行磨研处理。其原理和方法类似于机械钳工的平板刮研。具体方法是：在已组焊成锚腹板单元的锚固面上涂抹红丹油，用特制基准平尺研磨锚固面，找出相对高点，再由机械钳工用细质砂轮对高点进行逐点打磨，注意控制打磨量，以“宁欠勿超”为原则，再对锚固面涂抹红丹油，用特制基准平尺研磨锚固面，再次找出相对高点进行修磨，如此多次重复以上步骤直至将整个锚固面平面度修磨到0.2 mm以内为止。

5效果分析

 按照所制定的制作工艺流程，顺利地完成了全桥弹性索锚腹板单元的制作任务，解决了制作中的锚固面平面度加工、狭小空间焊接和焊接变形控制三大难题。通过单件铣面加工、整体磨研处理，使锚箱锚固面的平面度达到了TB  10212-2009《铁路钢桥制造规范》要求，经用平尺和塞尺检测，任意测点均不大于0.2 mm；通过设计合理的焊接坡口形式和焊接方法，采取从里向外分步组装、焊接、无损检测方法，解决了格构式箱形结构焊接空间狭小、无法施焊和无损检测里侧焊缝的难题，焊缝外观无裂纹、未熔合、夹渣、未填满和焊瘤等缺陷，成型较好，超声波检测全部达到TB 10212-2009的要求，一次探伤合格率达99. 97%，交验合格率为100%；通过采用小线能量焊接参数、刚性它约束条件下焊接、预留反变形工艺量和分步矫正等工艺措施，使弹性索锚腹板单元的平面度、几何尺寸均达到了TB 10212-2009的要求。首制件( F Cl)检测数据见表1。

6  结束语

 根据泰州长江大桥钢箱梁架设安装的信息反馈，弹性索锚箱位置及角度准确，锚固面接合紧密，达到了验收标准，现已建成通车，运营状况良好，证明了三塔两跨悬索桥在中塔处设弹性索的合理性，也验证了制作所采用的分步组装、刚性它约束焊接、重要焊缝焊趾超声波锤击处理、锚固面二次机械钳工研磨加工工艺的可行性，可供类似工程借鉴。