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[原创] 【技术】精准于毫厘之间 ——大型携锚箱下弦杆制造技术 [复制链接]

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yaqin 发表于 2018-3-19 10:25:53 |显示全部楼层 |          |
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新建商合杭芜湖长江公铁大桥项目是世界上首座高低塔公铁两用斜拉桥,全长5442.3m。大桥位于已建芜湖长江大桥上游3.5公里处的芜湖市弋矶山附近,跨江主桥为斜拉桥,桥跨布置为99.3m+238m+588m+224m+85.3m,桥面采用双层设计,上层为6车道公路,下层为4线铁路。

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图1 芜湖长江公铁大桥跨江主桥横截面

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芜湖长江公铁大桥跨江主桥采用双塔双索面高低塔钢箱钢桁组合梁斜拉桥,两桁为三角形桁架,上层桁距33.8m,下层桁距(锚箱中心)38m,桁高15.0m,节间长度14m。桥面上层为板桁结合,下层为箱桁结合,全桥不设横联,只在支点处设板式桥门架,斜拉索锚固在下弦杆件内。采用Q500qE、Q420qE、Q370qE三种材质。


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下弦杆结构特点

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图2 下弦杆结构图


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典型的下弦杆是由节点板、腹板、上水平板、下水平板、横隔板、窄隔板、桥面横梁接头板、斜杆接头板、钢锚箱单元等构成。下弦杆上、下水平板内侧与铁路桥面的顶板、底板对接,外侧与风嘴焊接。节段间的上、下水平板及中腹板采用焊接,外腹板则用高强螺栓连接。外腹板与中腹板之间设置锚箱,节点板设置于上水平板外侧与短腹板、中腹板对应焊接。箱高3.6m,宽5.25m,标准杆件长14m,重90t~160t。

因为杆件超重、超宽,节点处熔透焊缝多,焊接变形不易控制;杆件间既有栓接又有焊接,两种连接对各板件的精度要求不同;锚箱承压板和锚座板孔及板束厚度要求使用高精度的机床加工。而杆件多方位孔群连接及三维索管角度控制等都给杆件制造增加了难度。如何攻克这些难点,将是保证杆件制造精度的关键。

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方案研究


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首先在材料方面,杆件超宽,上、下水平板宽度均为5.25m,而钢厂轧制宽度有限,考虑外腹板和中腹板间的上水平板有锚管孔等因素,订料时将上、下水平板的宽度接缝设置在中腹板和短腹板内侧。

其次,组装顺序方面通过综合分析杆件的结构特点,兼顾连接关系、组装顺序及生产效率等诸多因素,提出了以下制造思路:下水平板单元→窄隔板单元→中腹板、短腹板单元→横隔板单元、横梁腹板接头板→锚箱单元→外腹板单元→上水平板单元→节点板→斜杆腹板接头板→锚管及补强板等。箱型主角焊缝需平位焊,因此焊接吊耳用以组装过程中杆件翻身,满足焊接要求。

最后出孔方式,下弦节点板与斜杆、外腹板之间的连接和上水平板及腹板部分纵肋间的连接均为高强螺栓连接。考虑到杆件间的连接精度,原则上采用后孔法出孔,后出孔不方便时才采用先孔法,但前提是必须采取一定措施保证孔群位置的精度。下弦杆出孔的难点是确保节点板孔与外腹板孔位置精度。经过分析对比,杆件采用先孔法、后孔法钻孔设备的工作能力,并综合考虑设备损耗、人力时间等方面,最终确定节点板孔采用先孔法出孔,外腹板孔在组焊成板单元后,再卡样板进行后出,并且相应地采取具体措施确保先孔法出孔板件焊后位置精度。

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图3 下弦杆节点板样板

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杆件制作


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下弦杆制作总体工艺流程为:零件制作→单元件制作→箱体制作→节点板组焊→组焊锚管等。

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样板制作


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下弦杆制作中的关键点为节点板样板制作。本桥节点板接斜杆孔与斜杆系统线间距有80mm和100mm两种,孔的起线距下弦系统中心线不尽相同,孔的行数和列数多种多样,接竖杆孔也如此,另外部分节点处有节点板间连接的小孔。但因多数节点板系统线的斜方相同,制作样板时通过统计分析设计出了一个长宽为4914x2434mm的样板,该样板综合考虑节点板与上水平板间熔透焊接的收缩量,涵盖各种孔群,且制作了对线口及瞄准孔用于大小不同的节点板。节点板制作采用数控设备进行精密切割成形后,画出系统中心线,加工坡口后对齐底边和系统线,卡样板出孔。


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图4 锚箱单元结构图

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单元件制作


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下弦杆单元件包括上水平板单元、下水平板单元、腹板单元、隔板单元及锚箱单元。其中,上水平板单元、中腹板和外腹板单元以及锚箱单元制作精度是保证杆件制作精度的基础。

1. 上水平板单元制作

上水平板分成两个板单元制作,然后进行板单元的二拼一。每个板单元均由上水平板和纵肋组成,制作分两个步骤:零件下料→组焊纵肋。以有锚管孔板单元为例进行介绍。

因上水平板节点板位置上下均是熔透焊缝,容易产生撕裂,原材应无缺陷,故号料后首先划线探伤该位置,探伤合格后方能进行后续工序。上水平板节段间为焊接,为精确控制节段长度,板件非基准端需采用长度预留二切量的方式。板外形采用火焰切割,板上长圆孔和斜椭圆孔划线后采用数控精密切割,划线时以节点中心线为基准划椭圆孔长短轴线及轮廓线并留样冲,用于后续组装。纵肋两头有孔,下料时考虑板单元焊接、后续组装收缩及修整量,两极边孔中心距离留出+4mm的公差。

组对时以节点中心线、杆件中心线为基准划线组对板肋,划线包括板肋位置线、横隔板位置线、腹板位置线。

2. 腹板单元制作

中腹板单元和外腹板单元均由腹板和纵肋组成,其中外腹板有纵向连接孔,以外腹板单元为例,制作步骤:零件下料→组焊纵肋→板单元出孔。

斜拉桥与锚箱相连的各构件特别是腹板要加厚且加劲,以满足传力要求,本桥外腹板节点中心钢锚箱位置就是如此,不仅板厚加厚且有Z向性能要求。因此腹板需先接料,再以接料缝为准划线探伤后火焰切割成形。划线包括节点中心线、杆件中心线、锚箱组装位置线。外腹板节段间为栓接,应一次切割成形,长度不再二次加工。板肋为长方条且无孔,节段间纵向不连接,火焰切割成形即可。

组对板肋后进行板单元出孔,需预留一定的收缩量来保证整个下弦杆组焊完成后腹板孔位置的精度,考虑到后续组焊步骤(包括腹板与上下水平板焊接、与隔板焊接、与锚箱单元焊接等)的焊接收缩量及可能的修整量等,划线以节点中心线为基准极边孔距理论值+3mm,然后对线卡样板出孔。

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图5 锚箱单元制作示意图(从左到右)

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3. 锚箱单元制作

锚箱单元是全桥的重要传力构件,因此它的制作精度要求也非常高。锚垫板、锚座板与承压板垂直,而锚垫板下表面需倾斜以垂直于斜拉索受力方向,锚箱支撑板和加劲板布置均沿受力方向。因其精度要求高,从零件加工到组装需严格控制。

在零件加工方面,承压板、支撑板和加劲板均采用数控精密切割外形,切割时预留刨边量,成形后再将其与锚座板的焊接边进行刨边处理后加工坡口;锚座板孔加工时周圈预留机加工量,组焊后机械镗孔;锚垫板则需机加工平面后机械镗孔。

组焊时以承压板底边为基准划中心线、支撑板位置线、锚管轴线并将支撑板位置线返到另一侧表面,两承压板成对划线。组装顺序为:组支撑板、承压板、加劲板成组焊单元→组锚座板和承压板两头钢衬垫→机加工承压板钢衬垫两边、锚座板镗孔→组锚垫板等。组焊中需要注意的事项:组钢衬垫时应注意两边留机加工量;组锚座板以锚管轴线定位;承压板、支撑板和加劲板与锚座板磨光顶紧焊接;修整保锚座板下表面平面度;以锚管轴线为基准机加工锚座板孔和钢衬垫两边等。


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图6 上水平板组装前下弦箱体


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箱体制作

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将二拼一后的下水平板单元置于平台上,以节点中心线为基准划线组装窄隔板、中腹板、短腹板、横隔板、锚箱、外腹板等各单元。

组锚箱前应检查中腹板锚箱的位置线,确认无误后方可组装。组节点板时,利用定位样板,先将两节点板固定,确保栓孔同心,再以节点板中心、上水平板节点中心线、腹板位置线进行对线,并将节点板组对,确保节点中心与外腹板孔相对尺寸公差±1。

节点板与上水平板为熔透焊接,且端部有锤击要求。焊接及探伤完毕后,焰切节点板端头并锤击,再以节点板孔为基准,将斜杆腹板接头板和中间竖向加劲板进行组对。

锚管补强板在组装前,需检查补强板上椭圆孔样冲点,划出十字中心线,并根据两表面椭圆孔中心间距将中心线返至下表面和厚度断面上,同时检查上水平板椭圆孔样冲、十字中心线,无误后以上水平板十字中心线为基准,组补强板。

锚管的上端头为直头,下端头为斜头,斜头与锚箱座板焊接,以达到锚管要求的角度。在锚管组装前,应先划出四条母线,其中两条是锚管斜头椭圆长短轴对应的母线,另外两条是锚管在对应补强板上椭圆孔长轴和短轴方向上的母线。锚管安装时,使锚管对应补强板孔的两条母线与椭圆孔长短轴对应。

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图7 上水平板锚管方向线及补强板锚管划线

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结论


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1. 对于超宽、超重且含锚箱的杆件,应充分考虑杆件的结构及受力特点,板块分块应既经济合理、切实可行,又不影响结构的受力要求。组装时的顺序应考虑主焊缝及锚箱相关焊缝的翻身及熔透要求,尽量少焊或不焊辅助工艺板。

2. 对于栓焊结合或者全栓接的桥梁,样板制作非常重要。样板制作是否成功,不仅影响出孔效率和生产工期,还直接影响成本,因为样板及钻孔套的数量越少,则越经济。本桥在综合考虑样板、钻孔套的数量和生产效率的基础上,巧妙地制作节点板样板,不仅满足了生产需求,而且提高了经济效益。

3. 为确保组装后成品的精度满足要求,应考虑从单件制作到组装焊接的全过程,且最好采用逆向思维,从焊接收缩、组装精度往回推,先确定单件制作需要的公差,并严格按照此公差标准所要求的工艺步骤进行制作,首轮制作完成并验证其公差的合理性后,方可批量生产。

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