变截面拱箱梁的制作工艺
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摘要:本文主要论述了的变截面的拱箱梁的加工步骤，施工工艺和加工方法，为今后在设计和制造类似结构提供一定借鉴经验。
关键词：变截面拱箱梁 加工步骤 施工工艺
一、概述
本工程系拱桥的钢拱肋及叠合梁的制作，大桥全长1114米，主桥长430米，结构形式为：六跨中承式飘带形提篮钢箱拱桥，最大跨度120米。
图1 钢箱拱桥见图
二、胎架制造
2.1 胎架制造的意义
本工程厂内制造的重点和难点是在拱肋分段制造过程中保证整桥主拱线性和控制各段钢箱拱的焊接扭曲变形。非常规的半拱平面匹配卧装（以腹板为胎架面）装焊方案在分段制造过程中能有效保证主拱圈的整体线性，达到控制钢箱拱焊接扭曲变形的目的。
2.2 方案制定的目标
方案制定的目标是保证主拱线性[2]，控制焊接变形，便于安全施工。主拱板（顶、底板及腹板）匹配定位，保证焊接前线性；箱拱内横隔板、纵肋精确定位，在焊接过程中对板起到有效的支撑作用，在一定程度上控制焊接变形。
2.3方案实施
主拱圈由顶板、底板、腹板、横隔板及锚固构造组成，钢箱拱采用以腹板为胎架面的装焊方案。基本工艺流程为：外腹板单元定位横隔板、锚固构造定位内腹板单元定位顶、底板纵肋预置顶、底板定位顶、底板纵肋定位箱体焊接矫正接口调整连接板配钻孔、装焊临时连接件。
2.4 总成胎架制造
根据技术提供的深化设计图纸，得到曲线方程，进而得到所需的各个位置的坐标；然后根据主拱圈面内线形制造胎架，各个拱段接口做定位坐标。
图2胎架的模拟图
三、钢箱梁构件加工、铆装、焊接质量控制
3.1顶、底板和腹板的下料
3.1.1 下料前检查钢板的平整度[4]，如钢板不平可采用七辊矫平机矫正，矫正后的钢材，表面上不应有严重的凹陷、凹痕及其他损伤。箱型构件面板下料时应考虑到焊接收缩余量，并喷出钢箱梁横隔板的装配定位线。对切割、矫正后的钢箱腹板须进行尺寸检验。通过测量腹板的弦长和对角线长，将其与放样前的尺寸相比较，并满足规范要求。
3.1.4下料精度要求：实际精度和允许偏差
表5下料精度的要求
3.1.5采用数控切割机保证下料精度。并采用两个旋转三割炬同时切割，保证钢板两边受热均等，不产生旁弯的变形。数控控制精度如上表，远远高于规范要求。
3.1.6精度保证方法：
A、对切割后可能产生的旁弯等变形应使用火焰矫正达到规定尺寸；
B、切割后打磨去除割渣、飞溅、氧化物，对切割面和坡口面的超差缺补焊打磨处理。
3.2 横隔板的下料
3.2.1钢箱内横隔板的加工，不仅要保证其外形尺寸，而且保证相邻边的垂直度要求，否则安装完成的钢箱将难免发生扭曲变形，影响结构的承载能力。
3.2.2切割工艺及尺寸保证：
A、横隔板的切割在数控切割机上进行，保证了其尺寸及形位公差；
B、精度要求
表6实际精度和允许偏差
C、下料件的处理
a 割后的隔板四边应去除割渣、氧化皮，并用磨光机进行打磨，保证以后的装配质量；
b 其它切割件也应打磨去除割渣、飞溅、氧化物。
3.3 顶、底板纵向加劲肋的下料
顶、底板纵向加劲肋的下料在数控切割机上进行，具体工艺参照横隔板下料。
3.4节段制作
3.4.1 顶底板与腹板定位时要严格控制三个方面：
A、腹板与顶、底板的相对位置满足设计要求；
B、腹板与底板的垂直度偏差应小于0.01t（板厚），且不得大于0.3mm；
C、腹板与底板要紧密贴合，局部间隙不大于0.5mm。
3.4.2装配流程：
A、先将外腹板置于以腹板为基准面的专用线型胎架上，并保证钢板的平直度；
B、装配尺寸须考虑箱型柱腹板宽度方向的焊接收缩余量，因此在理论尺寸上加上焊缝收缩余量3mm，在长度方向上两端各加（30-50）mm余量。胎架应具有足够的刚度，以控制结构变形，在胎架上标明中心线、定位基准线及辅助线，组装时严格对线就位安装，控制装配间隙。
C、把对应的横隔板，还有锚固构件进行准确的定位，定位焊采用气体保护焊，焊接参数如下：
表7气保焊的焊接参数
D、对内腹板进行单元定位，可以采用手工电弧焊。
E、顶板和底板纵向加劲肋则利用隔板上的定位槽，对此进行预置。
F、顶板和底板进行定位，然后对顶、底板纵向加劲肋进行定位。
G、对整个箱体进行埋弧自动焊或半自动焊，埋弧焊前先定位好钢箱梁两头的引弧板及熄弧板，引弧板的坡口形式及板厚与母材相同。
焊丝材质：H08MnA焊剂：HJ431 焊接工艺参数：
表8埋弧焊的焊接参数
H、矫正
火焰矫正时，对称构架中轴面或中性面进行，相邻不同刚性的构件，应先矫正刚性大的构件。火焰矫正时材料的被加热温度约为850℃（Q345钢材），冷却时不可用水激冷。弯曲加工分为常温加工和热加工。热加工时应在赤热状态（900℃－1000℃）下进行，温度下降到800℃之前结束加工，避开蓝脆区（200℃－400 ℃）。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。
I、对连接板进行配钻，装焊临时连接件。
3.4.3 精度保证措施：
A、事先在顶、底板上将腹板位置用线划出来，并在定位前重新检查尺寸；
B、不断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（500mm一道）和配套使用型钢（1000mm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。
C、经常采用塞钢尺检查，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。
3.5 焊接注意事项
3.5.1 型钢的对接需要焊透，并进行探伤。接长段大于≥500mm，且错开附近的节点板及孔群100mm。焊缝视安装情况而定是否磨平。
3.5.2板制钢拱节段间的对接焊缝、拱肋内部焊缝、拱脚焊缝、吊耳与拱肋焊缝的焊接等级均为一级，需100%超声波检测。
3.5.3拱肋各制作段的顶底、腹板及纵向加劲肋均采用对接熔透焊缝。
3.5.4其主要的制作难点在于控制组装时翼板与腹板的垂直度，并且控制对箱形梁四条纵焊缝焊接时所造成的整体收缩应力而形成的扭曲变形；因此，焊接时要注意焊接形式，尽量采用对称焊接。焊接采用由中间向两边分别退焊的工艺，尽可能减少焊接产生的纵向收缩。
3.5.5 钢箱顶、底板或腹板接长采用对接焊接工艺。等厚钢板对接坡口采用Y形坡口，钝边2mm，坡口1:1制作。为防第一道漏焊，施焊前在钢板间隙处背面垫焊剂垫。正面焊完后，背面用气刨清根后再焊。整条焊缝焊完后，用砂轮打磨，使得焊缝光滑匀顺。
3.5.6 为了不出现扭转变形，或减少扭转变形程度，所有的焊接工作必须在平台上进行。加工平台要通过水准仪找平，否则不能进行主要焊缝的焊接。
3.5.7 总之，钢箱节段的焊接工艺原则是：先焊次要焊缝，再焊主要焊缝。具体焊接顺序是：先焊横隔板，再焊纵向加劲肋，最后焊接钢箱的4条主焊缝。
四、总结
变截面箱型拱梁的主要构件由各种轧制板材型材经切割，拼装，焊接等工序完成，以上介绍的变截面箱型拱的制造工艺是经过实践验证的成熟技术，可供生产同类钢结构件事参考借鉴。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。