行业聚焦丨桥梁钢结构制造有关问题(八)
浅谈钢桥梁制造的工艺优化薛宏强
摘要：工艺优化是提高制造企业技术水平和竞争力的重要途径之一。文章以钢桥梁制造工艺制定及优化为主线，依据工程实例，从结构特点、施工方案、工装及设备加工能力等方面，探讨钢桥梁制造的工艺优化及注意事项，为钢桥梁制造技术创新提供借鉴。
关键词：工艺优化，工艺布局，组焊，变形控制，工艺量
0 引言
近年来，我国钢桥梁制造发展迅速，相继建成了多座跨江、跨海大桥。钢桥梁以其自重轻、材质均匀、质量稳定、易于工厂化制造、装配化施工、便于回收利用等优点，为世界桥梁界所推崇。在探索新工艺、新工法的同时，对现有工艺进行优化及改进是提高企业技术水平和竞争力的重要途径。近年来，由于优化不当，给制造带来很大困难的工程案例屡见不鲜。如何更好的进行工艺优化是广大技术人员努力的方向。
工艺优化的最终目标是通过一系列技术措施，在保证施工安全的前提下，提高产品质量、缩短施工周期、降低制造成本。安全、质量、进度、成本是工程建设的主要控制方向，相互影响，相互制约。影响工艺优化的因素主要有：产品结构特点、总体制造方案、工装及设备加工能力、质量标准与规范要求等方面。
1 结构特点决定制作工艺
钢桥梁产品种类繁多，从结构形式上分主要包括钢箱梁、钢桁梁、钢板梁、钢混组合梁、钢拱桥等类型，因结构特点差异较大，采用的制造工艺也不尽相同。工艺制定及优化必须以其为依据，保证施工的可操作性。
1.1结构特点为优化创新提供契机
钢桥梁制造中，某些结构特点会加大制造难度，导致传统工艺无法实施。工艺优化前，要对其特点进行全面、客观的分析，找准切入点，挖掘对制造有利的一面，或许可另辟蹊径。
1.1.1钢箱梁横隔板制作工艺优化
某斜拉桥横隔板单元采用双侧加劲，若采用整体组焊后焰切周边的制作工艺（如图1-1、2所示），单元件定位难度加大，且一长边由于加劲阻碍只能采用手工焰切，修磨量大，效率低。针对双侧加劲的隔板单元平面度及焊接变形容易控制的特点，制作时采用先数控下料，然后组焊加劲的制作工艺。实践证明：只要工艺留量合适，焊接方法得当，制造质量很容易保证。相比传统工艺，工序减少，制作周期缩短，成本降低，优化效果明显。值得注意的是，并非所有的横隔板均能采用此种制作工艺，对于厚度小于12mm或宽度大于9m的隔板单元，一次焰切成型制作工艺精度控制难度加大，选用时需谨慎。
图1-1 隔板一次数控下料 图1-2 隔板单元焊接
1.1.2曲线形钢箱梁制作工艺优化
曲线形钢箱梁是近年来使用较多的一种钢梁，主要用于城市立交项目。由于桥轴线形复杂，若直接在总拼胎架上进行制造，测量控制网布置、单元件定位、节段出胎、线形控制难度均比较大。可通过计算机模拟及局部工艺措施，按照传统钢箱梁制作模式，先在直线胎架上制造成节段，组焊完毕后整体焰切两短边，同时，根据曲线段曲率差异模拟不同的接口间隙，设置专用匹配调节装置（如图2所示），在直线胎架上完成曲线形钢箱梁节段的制造及预拼装。在降低制作难度的同时，避免总拼胎架循环改制，提高接口匹配质量。
图2 曲线梁调整匹配件
1.2关键作业工序，实现工艺优化
1.2.1组焊顺序优化
组装和焊接是钢桥梁制造中的关键工序，是施工控制的重点。很多工艺的优化和创新都是在此阶段进行的。
某项目锚箱单元由锚垫板、锚腹板、插板、锚座板、锚管底座板及加劲板等组成（如图3所示）。原工艺采用先组装成整体再施焊的方式，可减少组装次数。由于锚座板分为两块，与锚腹板形成“L”型，采用单面坡口熔透焊接。首件制作时锚垫板平面度、锚腹板与锚座板相对角度及水平加劲板直线度均有比较大的超差。焊后矫正困难且工作量大。经过对变形规律和结构特点的分析：组焊方式是产生变形的主要原因，优化后采用锚腹板合件组焊装置，将锚座板、锚腹板及加劲板组焊成合件。然后在平台上组焊插板，最后组装锚垫板及锚管底座板。虽然组装次数增多，组装作业时间增加，但焊后修整量很小，制作周期反而缩短，质量也得到提高。
图3 锚箱单元制作工艺流程
1.2.2制孔方法优化
钢梁制孔主要有先孔法、后孔法。先孔法可在零件或单元制作时批量制孔，因效率高多用于组焊变形小、变形规律性强或一端孔群连接的构件。后孔法一般在整体组焊完毕后进行，只能逐件钻制，多用于精度要求高、结构复杂的构件。施工中可根据结构特点从制孔方式上进行优化。
某纵横梁体系的组合梁，小纵梁工形两端与横梁采用高强螺栓连接。工厂制造采用后孔法，施工效率较低。优化时充分考虑制造线形、焊接收缩、桥位安装等工序的影响，通过工艺量预留，对制孔工艺进行优化，由后孔法调整为先孔法（如图4所示），提高功效。值得注意的是不同厚度、不同截面、不同长度、焊接方式不同的小纵梁收缩差异较大，宜通过工艺试验确定合理的工艺量。
图4 小纵梁先孔法制作
当然，制孔方式的调整必须谨慎，由于制孔方式调整使构件连接出现问题的工程实例很多。如：某组合梁项目主梁纵向加劲之间采用栓接，工艺优化为先孔，由于主纵梁热矫正后收缩变形特别大，导致成品检测时发现加劲板孔群超差，影响现场安装，最终只能采取试装时拼接板逐一配孔的方式解决。
1.2.3划线工艺优化
划线是钢桥梁制造中的关键工序之一，是组装工序的作业基准。对于结构复杂的钢构件，需要进行多次划线（或修正基线），施工过程中要根据产品结构特点，分析变形规律，对划线工序的作业内容及作业次数进行优化。
整体节点钢桁梁弦杆制作过程中要经过多次划线，施工中可根据变形规律，采取一端头后切、整体覆盖式样板制孔等措施将部分划线作业放在横梁接头组焊完毕后进行，减少划线次数，简化工艺。亦可通过调整基线位置、增加辅助基线等方式提高制作精度。
1.2.4钢箱梁预拼装工艺优化
钢箱梁节段制作完毕后，需要在总拼胎架上进行预拼装。钢箱梁预拼装最早采用垫拱法，即通过在钢箱梁底部使用不同厚度的垫板进行实桥预拼，以满足拱度、横基线间距、纵基线偏差、四点不平度及横坡等多个项点，梁段位置需要反复调整，工作量大。根据钢箱梁结构特点及线形规律，优化为平位预拼装法，节段解马后不需进行大的调整，只要纵基线偏差和四点不平度满足要求，即可通过测量相邻节段横基线间距，通过计算机模拟，计算出该接口匹配件加垫厚度，由顶底板加垫厚度差异实现制造拱度。
1.3采取技术措施实现工艺优化
工艺优化需要对现有制造工艺进行调整。优化时需要从下料、零件加工、部件组装及焊接、变形控制等方面采取合理可行的技术措施。
1.3.1钢锚梁下盖板平面度控制
某斜拉桥钢锚梁下盖板中部设置一长圆孔，开孔区域腹板中心距离板边只有140mm。腹板与下盖板设计为熔透焊接，由于腹板厚度大，焊接熔敷金属填充量大。焊接完毕后平面度超差较多，经分析结构设计、下盖板下料、零件坡口加工、焊接顺序及工艺都是引起平面度超差的原因。通过一长边坡口方向调整、坡口机加工、在腹板和下盖板之间设置加劲板，并且调整焊接顺序，下盖板平面度得到了有效控制，如图5-1、2所示。
图5-1 腹板坡口机加工 图5-2 加劲板设置
1.3.2单元块吊运变形控制
匝道桥横向分块时，部分块体纵向没有连接，自约束差，吊运变形大。必须采取增加临时支撑的方式（如图6所示），增加结构的施工阶段的稳定性，降低吊运变形。
图6 单元块加劲布置示意图
2 总体制造方案对工艺优化的影响
制造方案是工厂制造顺利实施的关键，工艺的制定和优化必须以制造方案为依据。工艺优化时可根据总体施工方案要求，进行局部优化。
2.1钢箱梁现场工艺优化
根据制造方案从现场工艺布局、工装胎型设计、场内运输及转运等方面对钢箱梁现场施工进行优化。某大跨度斜拉桥钢箱梁采用三地制造模式：工厂内制造各类板单元，桥位总拼场进行节段整体组焊及预拼装，桥位完成环缝焊接。现场施工作业内容多，施工投入大。项目实施时进行了多项优化：①总拼胎架设计时将支墩调整为钢混组合墩，并根据节段重量和特点调整胎架横梁的型钢规格及纵梁数量，降低胎架用钢量。根据施工工期，将预拼装模式由“7+1”调整为“5+1”，缩短胎架长度。② 研发专用模块运梁车，降低运输费用。③优化现场工艺布局设计，调整单元件存放区、总拼区、节段修整区、涂装区及成品区的位置，缩短单元件及成品运输距离。
由于山区地形复杂，地质状况差，需要在两侧山头分别设置总拼场（如图7所示）。工艺布局设计时必须从各功能区设置、地形、地基承载力、复位梁段摆放、制造顺序、单元件和节段厂内运输、节段存储数量等方面综合考虑。
图7 某山区钢箱梁现场工艺布局
当然，方案调整在降低现场投入的前提下，还要充分考虑质量及进度控制方面的要求。只有将三者有机的结合起来，才可产生明显的效果。
2.2公路匝道桥分块方案优化
公路匝道桥的分块对于工厂制造、构件运输、现场安装的影响都很大。分块方案影响因素很多，包括：结构特点、设计要求、工厂制造、设备起重能力、运输限界、现场安装等。
某公路匝道桥采用跨径组合30+50+30m的连续钢箱梁，采用单元块制造方案。最初方案横桥向划分为5块，块体宽度在1.9-2.8m之间，如图8设计方案所示。此方案缺点在于翼缘部位设置单独块体，现场施焊难度大。优化后横桥向分为4个块体，宽度在2.4-3.0m之间。优化后板单元种类、纵桥向对接缝均减少，翼缘部位不再设置独立块体，桥位施工难度降低。
图8 某匝道桥横桥向分块
3 工装及设备加工能力
钢桥梁加工制造对工装和设备依赖性较强。设备升级和新设备不断涌现，对钢桥梁加工制造意义深远，新设备和设备新功能的应用，为工艺优化选择提供了基础。
某桥索塔锚固构造中钢锚梁下盖板、牛腿壁板锚索孔均为相贯孔，精度要求高。机加工方案质量容易保证，但效率低、投入大；手工焰切后打磨斜坡面虽可以降低成本，但修磨量大，质量不易保证；制造中采用一种数控切割设备完成相贯孔加工（如图9所示），质量好，效率高。
图9 仿形切割设备加工相贯孔
当然，先进的工装设备运用必须以质量要求和施工特点为依据，并非工装设备越先进越好。因为在提高质量和进度的同时，设备使用费也会增加。
4 结语
总之，影响工艺优化的因素很多，现行国家及行业标准、产品技术条件、生产组织模式、操作人员技术水平、项目所在地气候等因素均可能对钢桥梁工艺制定及优化产生较大影响。钢桥梁工艺优化过程中要综合考虑质量、进度及成本控制等方面的因素。根据产品特点、制造方案、工装设备能力等进行有针对性的优化，并尽可能采用试验验证。制造中还要注意汲取类似项目的成功经验，提高优化质量和效果。
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