探析钢箱梁制作中的关键工艺及控制措施

夏 辉 童 锋

（1.黄冈职业技术学院，湖北 黄冈 438000；2.湖北水总水利水电建设股份有限公司，湖北 武汉 430056）

从2000年起，钢箱梁桥逐渐出现在公路桥梁建设领域，并得到了广泛应用。我国钢箱梁制作工艺虽然起步较晚，但经过我国工程技术人员的努力，已逐步形成一套有自己特色、实用性的钢箱梁制作工艺。

1 钢箱梁制作基本要点

钢板箱形梁是钢板梁的别称，之所以叫钢箱梁，是因为它具有箱子的外形。在大跨度桥梁的施工中经常采用这种结构形式。钢箱主梁的跨度一般为几百米到上千米，钢箱梁制作和安装都是分梁段进行的，其横截面扁平、宽幅，高宽比基本上在1∶10左右。

钢箱梁一般采用全焊接方式，对顶底板、腹板、横纵隔板、锚箱等单元进行组焊。其中，顶板的正交异性桥面板由盖板和纵向加劲肋构成。大部分钢箱梁的板厚分别为：盖板厚14mm，纵向U形肋厚6mm，上下口宽度分别为320mm和170mm，间距620mm；底板厚10mm，纵向U形加劲肋6mm；斜中腹板厚度分别为14mm和9mm；横隔板间距和厚度分别为4.0m和12mm；梁高度为2～3.5m。

2 钢箱梁制作的重点和难点

2.1 焊接要求高

钢箱梁制作均采用小厚度和小刚度材料。在焊接时，为保证其刚度和强度符合要求，需要大量焊缝。另外，由于支座位置脆弱，当受大力挤压时，焊接质量容易出现问题。因此，必须研究钢箱梁制作关键工艺，保证钢箱梁制作安全和质量。现场焊接时，既要进行纵向焊缝焊接，又要进行横向全断面焊接，增加了焊接工作量。由于焊接工作的复杂性，需要采用横焊、仰焊等焊接方法。另外，焊接不仅工位多，而且对质量要求极高，因此，大多数焊缝都需要用超声波和X射线类的设备进行探伤。

2.2 钢箱梁线形控制精度高

钢箱梁为曲线梁，在制作钢箱梁和现场施工时，应同时满足梁段平曲线、竖曲线、横坡的变化要求，制作精度要求极高，钢箱梁线形精度很难控制。

3 钢箱梁制作工艺思路

钢箱梁结构为全焊接形式，焊缝具有密集性，焊接处易发生变形，有较大的残余应力。为减少和控制钢箱梁焊接时走形，保证制作出高质量的钢箱梁，可采用“板—板单元—两拼板单元—钢箱梁—预拼装—桥位焊接”的方式进行钢箱梁制作。按一桥三的原则制作施工，即在厂内进行锚箱单元、支座、泄水管、检查机械等零部件生产；在沿海基地制作横梁、隔板、检修道等板块；在桥位现场进行板块、板块单元、预拼装及整体钢箱梁的组焊拼装；在桥位将每节梁段拼焊成一个整体。对钢板进行预处理过程中，首先，按照箱梁的板单元进行划分，并根据实际情况进行零部件的下料、矫正和加工。然后，对板单元进行组焊、检修、补涂装。各单元件制作完成后，运到施工现场进行整体组焊、安装，对吊装涂装后的钢箱梁段进行调整和连接。最后，完成对缝焊接、螺栓连接和最终的涂装工作。

4 钢箱梁制作关键工艺

4.1 板单元划分

每节钢箱梁的组成都是固定的，包括顶底腹板、横纵隔板、锚箱、风嘴等。板单元的划分原则是尽量做大板单元的尺寸、减少板单元的种类、降低钢箱梁段的总体组焊工作量，从而制作出高精度的钢箱梁。通过多个带纵横肋的板单元件对每个梁段进行标准划分，包括顶板、底板、斜底板、横纵隔板、腹板和风嘴，目的是减少使用零散部件组焊拼接整体箱梁，根据各板单元类型，采用流水作业的方式在不同的专用胎架上进行板单元制作。

4.2 板单元制作关键工艺

在进行板单元制作时，一般按“钢板赶平及预处理—精确下料—组装U形肋—反变形焊接—局部调整”的固定顺序。

4.2.1 钢板赶平

钢箱梁所用的钢板都需预处理。钢板赶平有利于消除钢板局部变形、释放残余应力、最大限度地保证板件平整。预处理过程中，用磁力吊进行上料和下料，可减少钢板局部变形。钢板赶平后进行除锈、喷漆、烘干工作。

4.2.2 精确下料

钢箱梁中形状复杂的零部件主要采用精密型数控切割机下料。为保证钢箱梁形状和尺寸的精准度，一般采用双枪对称的顺序进行切割，必要时增加一些补偿量。一些矩形的板件下料优先使用龙门式多嘴切割机，因为这种机械具有高精准度，能同时切割和加工出坡口，为后续组焊预留出准确的收缩量，有利于切割无余量。

4.2.3 组装U形肋

U形肋机器样板是厂家专门设计定制的，通过样板的翻转钻孔胎钻制U形肋的螺栓孔。由于先孔法工艺主要是使用机器样板钻孔，拼接板标准，使钻孔质量好、效率高，因此，通常采用先孔法工艺，不使用墨孔法工艺。组装前一次性钻好拼接处的螺旋孔径，预留出准确的组焊收缩量，控制组焊顺序，控制焊接后较标准（偏差在允许范围内）的U肋和边孔距。专门设计自定位组装胎进行U肋的高精度组装。

4.2.4 反变形焊接

U形肋和单元板的焊接质量在很大程度上决定着控制钢箱梁的正交异性板质量。当焊接U形肋开坡口和顶（底）板时，设计要求其熔透深度至少达到U形肋板厚度的80%。开坡口熔透焊接时，易造成板单元的焊接角部分走形，而采用火焰修正会降低板单元尺寸的精准度，从而增加内应力。为此，专门定制焊接胎来减少板单元的走形程度，以实现反变形控制。为了保证坡口焊接的熔透深度，一般采用船位焊接方式，通过精确计算坡口焊接角的变形量来保证反变形量的准确性。实测焊接后的板单元数据显示，采用反变形焊接方法，可使横向平面度不超过4mm、纵向弯曲范围在10～15mm，经过修正后，其熔透深度很容易达到板厚的95%。

按照U形肋长度精确计算所需预留的焊接收缩量，严格控制顶板和U形肋孔距的焊接收缩量。由于CO2在焊接过程中的变形较小，因此，优先采用自动和半自动CO2焊。采用药芯焊丝CO2自动焊进行U形肋与顶（底）板的组焊，采用埋弧自动焊进行焊缝对接，以提高焊接质量。

4.3 钢箱梁拼装工艺

钢箱梁拼装可采用多段组焊与预拼装同时完成的方法制作钢箱梁。对顶底板单元、腹板、锚箱、横纵隔板、风嘴进行流水作业。制作梁段时，先采用二拼一的作业方式制作板单元，然后按桥底板—横纵隔板—腹板—顶板—风嘴的顺序进行组装，逐段进行单元板组焊。组装时应严格控制箱梁的形状、尺寸、精度、接口偏差和顶板U形肋栓孔重合率。

4.3.1 板单元二拼一

在进行梁段的匹配和组装前，先在二拼一胎架上将顶底板单元组焊成吊装板块。为保证焊接后单元块的尺寸、精度、平整度和焊接变形，需在两拼胎架焊接缝隙处向上预留焊接反变形量。另外，由于预留了焊接收缩量，使焊缝两侧相邻形肋的中心距得到很好的控制。这种方式可大大缩短制作周期。

4.3.2 整体组装胎架线形和定位

根据桥梁线形设置整体组装胎架的纵向线形，并根据各组装批次的纵向线形高差表调整胎架牙板。将支撑横梁设置在钢箱梁横隔板处，减少底板单元的变形程度，为保证焊接后钢箱梁横截面的尺寸，需要预设胎架横向的上拱度。在考虑焊接收缩的同时，根据纵基线进行顶底板单元横向定位。同时，根据横基线进行顶底板单元纵向定位。用激光经纬仪进行监测定位，重点是纵向直线度、端口与中心线之间的垂直控制。

4.3.3 梁段组焊及预拼装

结合CO2气体保护焊与陶质衬垫单面焊双面成型工艺，按照自下而上、自中而外、自内而外的焊接顺序，完成梁段组焊和预拼装，从而减少桥梁起拱和线形调整的工艺步骤，有利于缩短制作工期。

5 钢箱梁施工控制措施

5.1 变形控制措施

控制钢箱梁的变形是焊接过程中的难点。由于焊缝的接头多，因此，在焊接时加强变形精度控制非常必要。较大的误差会导致许多不可控的情况发生，严重影响钢箱梁质量。实际生活中，为了控制焊接变形，经常使用自动化设备对板单元进行组焊。

5.2 下料尺寸控制措施

焊缝过多容易造成操作误差。为减小焊接变形，必须控制钢箱梁单元精准度。另外，完成焊接后，若出现差错，则修正时会有很大难度。因此，研究发现，要减少横隔板这些单元件对钢箱梁尺寸的影响，使用高精密度数控机进行切割是一个很好的解决方法。

5.3 板单元组拼尺寸控制措施

（1）严格控制各单元板的几何尺寸，使之符合要求，并注意焊缝接口的走形。

（2）板单元采用反变形自动定位组装，以减少因焊接而产生的收缩和走形。

（3）采用自动化装置焊接横隔板，使横隔板的几何尺寸精确化，有利于提高单元板的精准度和质量。

5.4 梁段组拼线形控制措施

钢箱梁线形控制，先用计算机精确放样，再通过数控机具下料，保证零部件的线形；出厂前布置好工装胎架，并进行桥型模拟，制作符合设计要求和桥线形的单元件，按照“全桥组拼→相邻节段精确化匹配，调整尺寸接口、拱度→配件组装”的顺序，在专用胎架上进行梁段组拼。

5.5 装焊质量控制措施

（1）科学合理地设计装配间隙，考虑收缩余量，避免焊接零件不能与之匹配。

（2）定期监测桥轴线并注意其变化。

（3）科学确定焊接顺序。

（4）防风雨设施必不可少。

（5）严格执行现场工艺纪律管理制度。

5.6 焊接重点控制事项

（1）焊接前，进行工艺评定，方便了解优劣情况，采用工艺性价比高的制作工艺流程，编写工艺评定报告。

（2）选择抗裂性好的焊接材料和合适的焊接方法。

（3）选择均匀协调的材料进行焊接，保证整体协调、美观。

6 结语

综上所述，钢箱梁在制作过程中必须保证其精度和质量。采用先进的设施和制作工艺，如高精度自动定位板单元组装工艺、反变形焊接工艺、梁段组焊与预拼装并行等，以保证制作高质量的钢箱梁。