柴飞，刘申，徐向军
中铁山桥集团有限公司 河北秦皇岛 066205
伴随我国交通建设的蓬勃发展，对大跨度公路桥的需求日益增加，钢桥制作技术也不断进步。近年来，随着钢结构焊接技术的进步，钢箱梁的整体焊接质量不断提高。桥梁建设速度的迅猛发展和自动化焊接技术的日益成熟，促进了钢箱梁制作方法的改进，焊接作为钢箱梁桥的主要连接方法，在拼装过程中如何对焊接变形进行控制及补偿，是保证钢箱梁整体几何尺寸精度的关键[1]。
深圳至中山跨江通道项目（以下简称“深中通道”）位于珠江三角洲核心区域，北距虎门大桥约30km，南距港珠澳大桥约38km，直接连接深圳经济特区、广州南沙新区及中山市，全线共设桥梁17034m，建设规模宏大，工程技术复杂，钢箱梁制造技术质量标准要求高。项目旨在全面提升钢箱梁制造的自动化制造水平，推进我国桥梁制造向智能化发展，促进我国钢桥制造产业的转型升级。
中山大桥为110m＋185m＋580m＋185m＋110m＝1170m双塔双索面钢箱梁斜拉桥，立面布置如图1所示。钢箱梁采用正交异性桥面板流线型扁平钢箱梁结构，索塔采用门型主塔，斜拉索采用扇形布置，在外侧通过锚拉板锚固。钢箱梁梁高4m，全宽46m（含风嘴），桥面宽度43.5m。拉索横向间距41.5m，拉索间为双向8车道，桥面横向设2.5%双向排水坡[2]，钢箱梁横断面如图2所示。
图1 中山大桥立面布置（单位：m）
图2 中山大桥标准横断面（单位：m）
传统的钢箱梁总拼是劳动密集型产业，焊接作业主要以人工为主，生产效率低，受人工因素的影响，焊接质量稳定性较差。在深中通道项目钢箱梁总拼过程中，为提高自动化焊接水平，大量使用小型机器人、焊接跟踪器及埋弧焊等自动化设备施焊[3]，典型部位焊缝的焊接方法及焊接材料见表1，施焊实景如图3所示。自动化设备的采用，提高了焊接质量的稳定性，降低了焊缝返修工作量，减小了钢箱梁的焊接变形。
图3 自动焊跟踪器及小型机器人施焊实景
表1 典型部位焊缝的焊接方法及焊接材料
钢箱梁为正交异性板全焊结构，焊接工作量大，每次施焊或焊缝返修焊都会产生一定的焊接变形和焊接收缩[4]。焊接收缩量大体上可分为：梁段高度方向变形（竖向变形）、梁段长度向变形（纵向变形）、梁段横向坡度方向变形（横向变形）3种，这些收缩量会影响梁段的最终几何尺寸。此外，顶板、底板单元作为桥梁的重要组成部分，其对接焊缝焊接变形控制直接影响到梁段的制造质量及外观效果。腹板单元连接锚拉板作为桥梁的主要传力构件，焊接变形会直接影响腹板角度，从而影响斜拉索的传力。施工过程中必须对焊接变形进行合理控制，并增加适当的补偿，才能保证梁段几何尺寸的准确。
4.1 梁段高度
钢箱梁中轴线处的竖向高度为4m，产生竖向焊接收缩的焊缝主要有腹板及横隔板与顶、底板间角焊缝。经过对实际焊接收缩量的数据统计，确认焊接收缩量在2mm以内，综合考虑其他次要焊缝和修整等因素，在板单元制造时横隔板、边腹板高度方向增加2mm，作为梁段高度焊接收缩补偿。
4.2 梁段长度
标准段长度为18m，会导致纵向焊接收缩的焊缝主要有底板单元间纵向对接焊缝、腹板及横隔板与顶底板间角焊缝、顶板单元纵向对接焊缝。这些焊缝对称分布，如能对称施焊，则不会产生梁段纵向上翘变形。然而，在施工过程中底板、横隔板、腹板、顶板是分布组装焊接，导致这些焊缝不能同步焊接，有使梁段产生纵向上翘变形的趋势，通常采取将钢箱梁底板与胎架局部固定加以约束的方法，基本可以消除纵向上翘变形。而纵向长度方向通常采用增加二次切头量的方法予以补偿，长度18m的钢箱梁预留二次切头量25～30mm。
4.3 梁段横向拱度
梁段横向宽度为41.5m（不计风嘴），会产生梁段横向拱度变形的焊缝主要有以下3种。
（1）横隔板与底板间角焊缝 横隔板与底板单元间的焊接，会使横隔板两端产生上翘变形[5]，采取将每道横隔板处胎架横梁与底板进行定位焊固定约束的方法。
（2）横隔板立位对接焊缝 中山大桥压重区及支座区横隔板采用实腹式隔板外，其他标准梁段横隔板均为中间空腹桁架结构，斜底板上方为实腹结构。总拼时，实腹的横隔板先与斜底板及U形肋完成角焊缝焊接，限制了横隔板下部立位对接焊缝向里的收缩变形，此时横隔板上部没有约束，实际检测横隔板对接焊缝上部焊接收缩量为1.5～2.0mm。经过放样计算，会使梁段最外侧（腹板处）产生约4mm的上翘变形。
（3）顶板单元纵向对接焊缝 为降低梁段顶板焊接时对钢箱梁横向拱度变形的影响，顶板单元纵向对接时，由中间向两边对称施焊。当最后两条顶板纵向焊缝焊接时，钢箱梁会由开口截面变成闭合截面，经实际测量，顶板纵向对接焊缝产生的2～3mm横向收缩量会导致钢箱梁外侧有约6mm的上翘变形。
另外，梁段横向2.5%滚水坡是成桥工况下的坡度，考虑到梁段斜拉索索力、自重及其他载荷作用下，施工监控单位计算得出钢箱梁中心线与腹板处横向变形为23.3mm（无隔板位置）和22.1mm（有隔板位置），要求在钢箱梁制造拼装过程中，在设计横坡基础上增加15mm的拱度，以抵消其产生的横向挠度。
综合考虑上述问题，横向焊接收缩量共计导致梁段两端有约10mm上翘，施工监控给定的横向增加15mm的拱度，因此在梁段制造及拼装时横向需预加约25mm向下反变形，方能保证梁段成桥后横坡达到2.5%的验收标准要求，梁段横向反变形设置如图4所示。
图4 梁段横向反变形设置示意
4.4 板单元对接焊缝两侧U形肋间距
对于单块顶板和底板单元上U形肋间距，由于在板单元生产时，均采用了专用胎具自动化组装[3]，从而保证了同一板单元上U肋间距的精度。在梁段拼装时需要将相邻顶板、底板单元进行纵向对接，焊接收缩必然会对纵缝两侧U形肋的间距造成影响；
另外，由于板单元纵向拼接采用的是单面焊双面成形工艺，焊接也会相应产生角变形[6]，如果采用常规的焊后修整的办法，修整时对收缩量的影响无规律可循，会使得纵向焊缝两侧U形肋的间距控制更加困难。因此，如何预留纵向对接焊缝的焊接收缩量和控制焊接角变形成为保证相邻U形肋间距和顶、底板平面度的关键因素。
对于焊接产生的横向收缩量，通过实际跟踪测量得出焊缝横向焊接收缩公式：Δ＝2.5±δ（δ随板厚增大而增大，0.2mm≤δ≤1.0mm，当板厚为16mm、20mm、24mm时，δ取0.3mm、0.5mm、0.8mm）。
为保证纵向焊缝两侧U形肋的间距，采用“焊前”“焊后”两块样板，用来控制焊接前后U形肋间距，样板检查实景如图5所示。
图5 U形肋间距焊前、焊后样板检查
对于焊接角变形的控制，采用在顶底板单元接宽时预加一定的反变形量，以补偿板单元对接焊产生的角变形，如图6所示。这样既能缩减焊后修整工作量，又能保证板面平面度。根据不同板厚设置h＝20～60mm的反变形，h值根据板单元宽度及面板厚度选择，随面板厚度或宽度值增大而增大。
图6 底板平对接焊接反变形补偿
通过准确预留焊接收缩量和反变形量，很好地控制了板单元焊后U形肋间距。对全桥横隔板位置采用样板控制U形肋间距后，统计测量纵向对接焊缝两侧U形肋间距偏差均≤0.5mm。
4.5 腹板单元组装
腹板单元上连接锚拉板，是钢箱梁的主要受力板件，其组装位置精度和倾斜角度都显得尤为重要，在组装定位前预先对焊接收缩量进行补偿，才能使板单元焊后位置尺寸符合验收标准。因此，腹板定位组焊分两步进行，斜底板组焊完成后进行腹板初次定位，以测量网标志塔的基准线为依据，考虑焊接收缩量影响，预加工艺补偿量f1＝2.5～3.5mm。横隔板组焊完成后再进行腹板二次定位，根据横隔板与腹板的焊接形式预加工艺补偿量f2＝3～6mm，如收缩量较大的熔透角焊缝时，f2取5～6mm；
如不熔透角焊缝时，f2取3～4mm，如图7所示。
图7 腹板一次、二次定位焊接收缩补偿示意
在钢箱梁整体拼装过程中，通过制定合理的拼装焊接顺序，采用自动化焊接设备，以及适宜的焊接变形控制及补偿方法等措施，有效地保证了钢箱梁外形尺寸精度，全部达到了项目验收标准的要求，以首轮7个梁段（编号DS3～DS9）为例，具体外形尺寸检验数据见表2。
表2 首轮梁段外形尺寸检验数据统计
深中通道中山大桥项目在钢箱梁拼装时，通过采用自动化焊接设备，提高了焊缝质量的稳定性，有效降低了焊缝返修、矫正导致的结构变形。并从梁段高度、梁段长度、横桥向拱度、板单元对接及腹板单元定位5个方面进行焊接变形控制及收缩量补偿，有效保证了钢箱梁外形尺寸，为大断面钢箱梁桥整体拼装外形精度控制提供了经验。
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