钢桁梁桥整体节点弦杆加工精度控制

钢桁梁桥整体节点弦杆加工精度控制

摘要：根据整体节点杆件的特点，通过优化焊接工艺，减少焊接变形，控制杆件的整体尺寸，建立立体划线体系，改进钻孔工艺，确保弦杆的钻孔精度。

关键词： 整体节点弦杆 精度 控制 一概述

钢桁梁桥具有较高的承载能力和跨越性，已广泛地应用到公路和铁路建设中，如武汉长江大桥、南京长江大桥、九江长江大桥、芜湖长江大桥以及大胜关长江大桥等在我国建桥史上具有里程碑意义，它们的主梁结构均采用钢桁梁结构，可见钢桁梁在我国建桥领域具有重要的地位。

钢桁梁桥的主体结构由主桁、联结系、桥面系、制动联结系组成。如图1

图1 钢桁梁桥结构示意图

主桁是钢桁梁桥的主要承重结构，由上弦杆、下弦杆和腹杆组成；联结系是主桁之间的联接结构，分为纵向联结系和横向联结系；桥面系的作用是承受由桥面传来的竖向和纵向荷载，并传递给主桁节点，分为纵横梁体系和正交异型板体系；制动联结系主要应用在纵横梁桥面系中，通常由四根杆件组成，设置在于桥面系相邻的平纵联的中部。

在钢桁梁桥结构体系中，杆件之间均采用螺栓连接，对杆件的加工精度要求非常高，尤其是主桁上、下弦杆的精度直接影响到钢桁桥的线性、拱度以及安装精度。而上下弦杆均采用整体节点的结构型式。如图2、图3

图2 上弦杆件示意图图3下弦杆件示意图

整体节点的采用，在很大程度上减轻了钢桥的重量，但由于杆件之间的连接均交汇在整体节点处，使整体节点弦杆在纵向、横向、竖向均设有连接节点，而且栓接的型式也多样化，如：在弦杆之间为内外拼接板拼接的方式，而腹杆与弦杆之间为腹杆向弦杆插入的方式；为满足整体节点的受力要求，上下弦杆的腹板采用等厚或不等厚的厚钢板对接，在弦杆箱体内布置有隔板和筋板，使整体节点区域的焊缝较密集，因此整体节点弦杆的加工，既要保证杆件的尺寸精度，又要保证焊缝的质量。

图4 弦杆与腹杆连接示意图

二整体节点弦杆加工难点

1、焊接变形控制

整体节点弦杆为箱型截面，腹板与上下盖板的四条主焊缝为深坡口的棱角焊缝，局部为熔透焊缝，焊接变形较大，焊接变形控制及焊后校正难度较大。尤其是在整体节点处，由于钢板厚、刚性大，焊接角变形较大，保证弦杆箱口尺寸和插入连接间隙等几何尺寸的精度是工艺上的难点。

2、孔群连接精度控制

整体节点弦杆各孔群的钻孔精度关系到杆件的连接精度，是保证桥位安装顺利进行及保证安装精度的关键，杆件钻孔不但要消除焊接变形引起的偏差，而且还要控制钻孔模板定位、钻孔的精度。尤其是纠正焊接变形的偏差在杆件钻孔过程中难度较大。

三加工工艺和措施

1、总体加工方案

为了保证弦杆的加工精度，根据弦杆的整体节点特点，从零件、单元件到成品的整个加工过程，分析影响杆件加工精度的各种因素，确定采用“两次组装、两次焊接”基本方案，基本流程为“零件 一次组装、焊接、校正二次组装、焊接 、校正 整体划线钻孔 成品”。将整造的焊接变形在零件、单元件、部件的制作过程中分级分步控制，以降低整作过程中焊接变形控制的难度，确保整体几何尺寸精度以及孔群连接精度，满足规范要求。

2、整体节点弦杆焊接变形的控制

由于整体节点弦杆的四条主焊缝采用深坡口的棱角焊缝，焊接完成后，弦杆就会不同程度地产生收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形，影响到弦杆的结构尺寸和外观质量。

收缩变形：因四条主焊缝收缩，使弦杆沿焊缝方向和垂直焊缝方向产生收缩变形，导致弦杆的几何尺寸发生改变，而且焊接完成后难以修正。

弯曲变形、波浪变形、扭曲变形：主要是因为组装不规范和施焊顺序不合理造成的杆件外形的变化，焊接完成后可以通过后期校正进行修正。

角变形：主要是由于焊缝不对称而造成的，影响到插入式连接的插入间隙，而且因钢板的厚度较大，后期校正很难保证插入间隙符合规范要求。

焊接收缩变形和角变形，在焊后校正很难达到修整的目的，为保证其尺寸精度，在弦杆加工中采用多种工艺控制以减少焊接变形：

(1)优化焊接工艺参数，减少焊接变形。焊接变形与焊接参数有很大的关系，通过焊接试验选择比较理想的焊接参数：

①在保证焊缝性能的前提下，采用U型坡口代替V型坡口，减少熔敷金属的填充量，从而减少焊接热输出。

②)以保证熔深和不烧穿为前提，选择合理的焊接参数以及焊道排列组合，焊接道数根据坡口大小来确定，尽量避免焊缝根部出现尖角。

(2)预留收缩量，弥补焊接收缩。考虑到整体节点杆件四条主焊缝均为深坡口焊缝，焊接变形大，为了保证杆件整体时孔边距公差，盖腹板单元长度方向预留焊接收缩量。

(3)弦杆组装在专用胎型上进行，保证盖板和腹板垂直度，焊接四条主焊缝时严格按工艺规定的方向施焊．以避免出现扭曲变形。

(4)防止焊完后节点板内收，影响腹杆插入，在隔板和上盖板宽度方向预留了一定的焊调收缩量；并对整体节点板进行预变形处理，以抵消焊接变形的影响。

3、整体节点杆件钻孔精度控制

由于整体节点弦杆连接接头多，空间角度复杂，常规的划线、制孔工艺已不适合整体节点弦杆的加工精度要求，为了确保孔群连接精度，采用立体划线、小模板钻孔的工艺，即以弦杆中心线为基准，采用三角形划线法，分别划出各个孔群的定位线，最后通过定位钻进行钻孔，从而达到钻孔精度以保证孔群的精度，确保桥位架设安装精度要求。

图5 下弦杆孔群布置示意图

⑴改进划线工艺

划线的精度是保证孔群精度的关键，为保证整体节点弦杆的划线精度，建立以弦杆腹板中心线、盖板中心线和整体节点中心线为基准的立体划线体系，以此基准，结合划线监控点，利用激光经纬仪，依次划出所有孔群定位线。如图6

图6 立体划线体系示意图

⑵提高操作人员的技能

立体划线工艺在精度控制上优于常规的划线工艺，但工序复杂，使用的仪器多，要求操作人员有较高的技能，通过加强技能培训，使操作人员掌握立体划线的操作要点并熟练掌握各种仪器、工具的使用。以此保证划线正确、准确。

⑶控制模板加工、定位精度

小模板虽然具有重量小，安装轻便，加工难度低，整体质量容易保证的优点，但是在钻孔的过程中容易发生移位，从而造成孔群位置偏差，因此控制钻孔模板

的定位，是保证孔群精度的关键。

①改变传统的钻模加工方法，采用自动化程度高，性能稳定的数控加工工艺，一次完成钻模定位、修边、划线、铣孔、刻槽，最后镶套，从而保证钻模的加工质量。

②常规钻模的对线槽通常采用“U”型对线槽，由于对线槽的根部呈圆弧形，很难保证钻孔模板的对线精度，将“U”型槽对线方式改为“V”型槽对槽，不但方便了操作，而且提高了模板的对线精度。

③采用三点定位法代替卡具卡紧的方法，即按照三角形“∴”的布置方式，预先钻出定位孔，然后使用精制螺栓将模板与杆件栓接在一起，这样就防止了钻孔时，模板因扰动而偏位，从而保证孔群的位置精度。

⑷加强过程监控

在整体弦杆的钻孔过程，经过划线、定位以及钻孔几个环节，每一个环节都影响到整个杆件钻孔质量，对各个环节加强监控是保证弦杆钻孔质量的前提。

①弦杆划线复核，采用与划线不同的方法以验证划线的准确性，防止错划或漏划。

②模板定位复核，主要检查模板对线槽与定位线的偏差情况，保证模板定位准确。

③钻孔过程抽检，主要检查模板是否偏位以及定位螺栓是否松动。

④钻孔过程中应尽量防止扰动模板，若有扰动或中途停钻，操作人员必须重新复核模板的定位情况，无误后方可钻孔。

四结束语

钢桁梁桥整体节点弦杆虽然结构形式复杂，连接节点多角度、多接头，但通过优化焊接工艺和施焊顺序，减少焊接变形；通过焊后校正，有效地保证弦杆的整体尺寸；通过改进钻孔工艺和加强工程监控，保证了弦杆的整体钻孔质量，使弦杆的加工精度符合规范要求，保证了现场的顺利安装，在合肥南环线钢桁梁柔性拱特大桥加工中，验证了改进后的加工工艺的可行性。如图7、图8

图7上弦与平、横联安装 图8下弦与腹杆安装

参考文献：

[1] 付荣柏焊接变形的控制欲矫正 [M]. 机械工业出版社 2006.6

[2] 孟培元 孙昌茂 陶祖纪 铁路钢梁整体节点的焊接技术[J].焊接技术 1997（1）

[3] 李书学 董晓军 何 亮南京大胜关长江大桥钢梁制作技术[J]. 钢结构 2009（5）

[4] 祝岚 中宁黄河特大桥钢桁梁整体节点制孔工艺[J].世界桥梁 2009（3）

[5] 孙昌茂 孙口黄河大桥钢梁整体节点的焊接技术[J].桥梁建设1999（2）

[6] 成宇海 黄鑫 张保德 重庆朝天门长江大桥钢拱座整体节点制造研究[J]. 世界桥梁 2008(2)