空间变截面钢拱肋加工工艺研究□文/孟庆胜 【摘 要】：文章以实际工程为例，论述空间既有弯曲又有扭曲，截面为渐变异形的钢结构钢拱肋的加工工艺，着重从具有复杂线形的钢拱肋模型的建立、空间三维板件到二维可数控下料的板材的处理、工装胎具的搭设等方面进行了研究，保证了空间变截面钢拱肋加工制作的精度。 【关键词】：空间；变截面；钢拱肋；钢结构；异形 1 工程概况杭州九沙大道跨运河二通道桥梁及接线工程主桥桥型为三跨连续无推力拱桥，桥梁全长145 m、宽42～50.0 m。主受力结构由两道边拱和一道中拱组成，辅以风撑连接。中拱和边拱分别采用不同的矢跨比。西侧拱脚伸入下部基础形成刚性连接，并辅以斜撑和拉杆，东侧拱脚和桥面梁体刚接，见图1。  图1 主桥断面 2 图纸分析中跨拱由3道独立的拱组成，中拱位于中央分隔带、边拱位于机动车道与非机动车道之间，钢箱拱肋采用三维曲线造型，尤其是边拱，其在平面的投影亦是曲线线形，由机非分隔带位置逐步过渡到桥梁外侧。中拱轴线距梁体最高约9.0 m、矢跨比约1/9，为竖向曲线变截面结构形式，采用倒梯形箱型截面。边拱是双曲线及扭曲变截面结构体形，轴线距梁体最高为15.75 m、矢跨比约1/5.25，截面在跨中位置采用两道分离的带有圆弧形顶（底）板的小箱型截面，在接近钢箱梁或拱脚的位置采用一道整体的带有圆弧形顶底板的大箱型截面。 通过对钢梁图纸的分析，为保证钢梁加工制作的精度，主要从以下几方面做工作：电脑建模、图纸转化、板材加工、工装胎具的搭设、钢梁组装焊接。 3 电脑建模利用电脑对钢拱肋建立准确的空间立体模型是保证加工制作精度关键的一个环节。通过准确的建立钢拱肋的空间模型，将钢拱肋的实际形状在电脑中反映出来，然后根据所建立的模型，对构成钢拱肋的每一块板件拆分并绘制施工详图，这样保证了构成钢拱肋的每一块板件下料的几何尺寸和线形的准确。 采用三维放样技术和三维展开图技术，根据设计给定的拱中线和断面形式、预拱度值完全模拟现场加工形式，绘制出三维加工模型，见图2。  图2 三维空间模型 4 图纸转化钢拱肋整体模型建立完成后，下一步所作的工作就是对构成拱肋的各构件进行图纸转化，转化成可以施工的零件图。 4.1 拆分箱梁 拆分钢拱肋的工作在模型内完成，根据钢拱肋的分段将拱肋模型拆分段。中拱肋分成10段，边拱肋分成9段，见图3和图4。  图3 中拱分段  图4 边拱分段 4.2 转化每段拱肋图纸 将模型拆分为单元段后，根据每段模型对构成模型的顶底腹板进行拆分转化。从模型中拆分出来的每块板件都是带有曲线形状的，是无法直接用来数控下料的，因此还需要对构成箱梁的这些板件进行图纸转化处理，即采用专门的电脑软件，对这些带有三维曲线线形的板件进行展开放样，将其转化成为具有二维曲线线形的板件，才可以用于钢板的数控下料。经过展开后的图纸，可以直接输入数控机床的电脑之中，这样再经过数控机床下出来的料就是非常准确的板件，从而可以准确的保证钢拱肋组装的精度。 5 板材加工钢拱肋制作过程中板材加工也是一项非常重要的工艺，从钢板的进场到组装成拱肋，板材的加工需要经过以下环节：板材复验、钢板的预处理、涂装底漆、放样（划线）切割、切割后板材的矫正等工艺环节。 6 工装胎具的搭设经过加工后的板材，在搭设好的工装胎具上组装成箱体，工装胎具是使下料后的二维板件组成三维箱体的胎具。本工程的钢拱肋构件结构形式复杂，为确保各节段构件截面尺寸准确，钢拱肋结构件的组拼焊接在工装胎架上进行，最大限度减小焊接扭曲变形影响。根据三维模型测量测量出工装胎具所有分段点、拐点、控制点的各个位置的三维坐标值，按照坐标值搭设工装胎具，精确控制钢拱的线型。本工程钢拱肋不同部位不同形式的钢构件需要搭设各种工装胎具。工装胎在施工中随时用水准仪控制三维坐标以确保制作精准度。 施工时在拱顶离接头1 m处布设了3个标高控制点，在拱肋预拼装及现场安装时用来控制拱肋标高；又在拱肋上下弦靠外侧离接头0.5 m处各布设标尺，用来进行拱肋轴线的观测控制，防止其上下扭曲，便于控制角度。 7 钢拱肋组装焊接将加工后的各段钢拱肋腹板、底板及横隔板和加劲板等构件在修磨并清除铁锈及污物前提下，分别在不同的组装胎上进行组装焊接作业。 7.1 箱梁组装 根据钢拱肋的结构形式，确定组装顺序为：底板单元定位→横隔板、锚固构造定位→腹板单元定位→顶板单元定位→箱体焊接→矫正→接口调整→连接板配钻孔、焊接临时连接件。 在组装时，应该与工装胎具的线形保持一致，为此需要提前在工装胎具上做好限位点和控制点。在空间变截面钢拱肋装配前首先在顶、底板上将腹板位置用线划出来并在定位前重新检查尺寸，使用直角钢尺来检查腹板与顶、底板的垂直度，在垂直度满足要求时方可点焊，同时可在钢箱内侧用形为“◣”的钢板（500 mm一道）和配套使用型钢（1 000 mm一道）将腹板与底板相连，这样既可以保证垂直度，又可以增强截面刚度。采用塞钢尺检查构件间隙，间隙超标的，重新采用自制夹具和小型千斤顶（手摇式）的方式顶紧，再点焊定位。 在空间变截面钢拱肋加工中首先控制其结构线型，精准约束各构件在装配焊接中的位置；在焊接过程中，遵循先焊次要焊缝，再焊主要焊缝的原则，从而有效控制焊接变形以最终达到设计及规范精度要求。 7.2 焊接变形控制 为减小钢拱肋组装焊接过程中的变形，在焊接过程中采用合理的焊接工艺。 1）箱拱肋构件组装就位，经检查各项尺寸合格后，先采用定位焊的方式进行固定，定位焊顺序从中间向两侧实施。 2）编制合理的《焊接工艺评定指导书》，焊接过程中电流、电压参数的选择应根据焊接工艺评定指导书进行。 3）对于对接接头、T形接头和十字接头坡口焊接，在工件放置条件允许或易于翻身的情况下，宜采用双面坡口对称顺序焊接；对于有对称截面的构件，采用对称于构件中和轴的顺序焊接；对双面非对称坡口焊接，宜采用先焊深坡口侧部分焊缝、后焊浅坡口侧、最后焊完深坡口侧焊缝的顺序。 4）对长焊缝宜采用分段退焊法或与多人对称焊接法同时运用，在焊接采用跳焊法，避免工件局部加热集中。 7.3 焊接变形校正 在组装及焊接过程中，对钢构件发生形变的部位可采用火焰法矫正，在对称构架中轴面或中性面进行矫正时，相邻不同刚性的构件，应先矫正刚性大的构件。矫正时不允许使用铁锤直接锤击矫正面，经常校对尺寸，确定修正值。 8 钢拱肋预拼装钢拱段分段加工完成后在工厂内进行整体预拼装。预拼装时在工厂内以钢板及型钢搭设起预拼装胎架，模拟安装现场，每段钢拱放到工装胎上后检查拱肋构件表面是否与预拼胎架紧密贴合，使用水准仪测量拱肋线型，根据每节段的坐标值对接口位置进行调整，去除加工余量，接口调整到理论位置和尺寸后进行下一段预拼装，直至整条钢拱拼装完成。 9 结语在杭州九沙大道跨运河二通道桥梁及接线工程主桥中钢拱肋加工制作过程中，通过精确的电脑建模和图纸转化，在板材加工、工装胎具的搭设和钢拱肋组装焊接等工艺中，采用合理的加工制作工艺，最大限度减少钢箱梁加工制作误差，保证了钢梁加工精度。经过试拼之后的钢拱肋其线形和外形尺寸完全符合国家相关规范标准、达到设计要求，美观流畅。 参考文献： [1]GB50755—2012，钢结构工程施工[S]. [2]JTG/TF 50-2011，公路桥涵施工技术规范[S]. □中图分类号：U448.22+2 □文献标志码：C □文章编号：1008-3197（2017）01-48-03 □DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2017.01.016 □收稿日期：2016-12-12 □作者简介：孟庆胜/男，1984年出生，工程师，天津天佳市政公路工程有限公司，从事技术质量管理工作。 |
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