受限场地空间复杂曲面钢箱梁桥加工制造技术

随着城市的快速发展，城市的交通压力越来越大，为有效避免交通拥堵现象，提高运输效率，城市快速路高架桥渐渐在各个城市普及。由于钢箱梁桥拥有外形美观、抗扭能力出众、整体性好、施工速度快、建设粉尘少等优点，在城市快速路高架桥建设过程中，交通枢纽的匝道普遍采用钢箱梁结构形式。目前，钢箱梁匝道桥工程多采用整体胎架方法在厂内进行拼装制作，分节段运至现场后组拼。平曲线曲率半径小、竖曲线坡度变化大、箱体截面宽大的匝道桥钢箱梁，采用整体胎架方法进行加工制作时，对加工场地、设备及人员提出了较高的要求。以济南东客站匝道桥钢箱梁加工制作为工程背景，对受限场地下空间复杂曲面钢箱梁的加工制造技术进行了研究，并采用BIM技术进行了钢箱梁节段拼装模拟。1 工程概况济南东客站位于济南市主城区北门户地带，是济南市“三主一辅”铁路枢纽的主客站之一，为集高铁、城际铁路、城市轨道交通、长途汽车客运站等多种交通为一体的综合交通枢纽。该工程包含6条匝道，现以平曲线曲率半径小、竖曲线坡度变化大的南侧G匝道为研究对象，平曲线半径R=62m，竖曲线半径R=440m，纵坡为–5.45 %~1.52 %，横坡为1.5 %，其起点桩号里程GK0+095.310，桥梁终点桩号里程GK0+185.310，上部采用40m+50m单箱两室等截面连续钢箱梁结构，梁高2.0m，顶板宽13.8m，底板宽8.49m，依次跨越G00号、G01号、G02号桥墩。为保证匝道桥空间扭曲的平顺过渡，又能达到封闭、美观的效果，济南东客站匝道桥钢箱梁腹板外侧首次采用整体“S”形装饰弧形板进行封闭。匝道钢箱梁横截面如图1所示，匝道三维布置如图2所示。图1 G匝道钢箱梁横截面示意图2 G匝道三维布置2 加工制造技术研究本工程G匝道钢箱梁平曲线曲率半径小、竖曲线坡度变化大且截面较宽，受制造厂加工场地及工期限制，分别对是否采用整体胎架方法制作、采用纵向分段或横向分段、正装方式或倒装方式等进行了研究，决定采用纵向分段分胎倒装工艺进行本工程匝道钢箱梁制作。2.1 分胎技术研究匝道平面投影为圆环型，整桥投影宽度达到28m，整桥平面投影如图3所示。钢箱梁总拼时，两边需预留至少1.5m的安全距离，采用整体胎架方法制作时，所需厂房的跨度至少需达到31m。图3 G匝道整桥平面投影匝道顺桥向坡度较大，全桥整体线形矢高较高，采用整体胎架方法制作时，胎架起点高度按常规1m布置，终点的最大高度可达8m，胎架高度示意如图4所示。图4 G匝道胎架高度钢箱梁截面高度为2m，考虑到胎架高度、行车吊装高度、行车吊装安全距离等，厂房内行车距地面的高度至少需达到16m。加工厂内符合起重要求的厂房跨度仅有24m，起重机距地面的高度9m，采用整胎制作时，难以满足场地要求，同时胎架过高，存在很大的安全风险，因此需采用分胎方法进行制作，降低胎架高度，加工厂实景如图5所示。图5 加工厂实景综合匝道桥的整体线型、结构特点和现有厂房的布局，G匝道沿横向分胎，不能满足场地宽度和起重机吊装高度的要求，因此从纵向分胎方面进行分析。根据现场工期要求，G匝道需在2个月内完成拼装，平均每段梁的制作工期为3d，而正常每副胎架生产一段梁所需时间约为8d，因此匝道桥至少需要分3副胎架同时生产，才能满足工期要求。G匝道制造车间长度150m，宽度24m，起重机高度9m，整个G匝道桥钢箱梁均在该场地内完成拼装。经计算，分胎后胎架宽度应小于18m，高度小于2.5m才能满足钢箱梁制造要求。现从胎架布置、工期要求、胎架用钢量、线型控制难易度等方面对分胎数量进行分析对比，结果见表1。表1 G匝道纵向分胎对比分析通过以上分析对比，最终确定G匝道桥制作时分4个胎架同时进行钢箱梁拼装，分胎布置如图6所示。加工厂分4胎进行制作，既满足场地要求，增加了有效作业面，提升加工效率，使工期得以保证；同时减少了胎架用钢量，节约了成本，也降低了钢箱梁总拼时的安全风险。图6 制造车间G匝道分胎布置2.2 分段制造工艺研究匝道桥整体为空间螺旋结构，线型复杂，根据匝道桥的结构特点，结合运输及现场吊装要求，对匝道桥分段进行分析研究。（1）横向分段。匝道桥采用横向分段时，隔板、顶板、底板需在横向分段处断开，受运输长度限制，顶板、底板等还需在纵向断开，导致现场对接焊缝较多，同时梁段难以形成稳定的箱体结构，制作及运输时易产生变形，现场匹配精度得不到保证。匝道桥横向分段示意，如图7所示。沿横向分段后，梁段顺桥向长度较长，致使线型变化较大，会增加制作时质量和线型控制的难度。现场对接梁段时，需进行两个方向的匹配，焊缝长度增加，安装精度难以控制。图7 匝道桥横向分段示意（2）纵向分段。匝道桥的宽度为13.8m，沿匝道桥纵向分段后，横向无需分段，即可满足运输要求。匝道桥纵向分段示意，如图8所示。图8 匝道桥纵向分段示意沿匝道桥纵向分段后，每个梁段的顶板、底板、隔板能形成稳定的箱体结构，制作及运输时不易产生变形；且梁段顺桥向的线型变化较小，厂内加工时，线型及质量控制容易；梁段在现场对接时，只需考虑前、后方向，焊缝减少，安装更简洁高效。G匝道分段方式对比分析见表2。通过分析，厂内加工时，优选纵向分段方式。G匝道桥纵向分段后，梁段长度控制在5m以内，宽度为13.8m，外形尺寸及重量均能满足运输条件和现场吊装要求，同时能保证加工时的线型控制和匹配精度。表2 G匝道分段方式对比分析2.3 倒装制造工艺研究G匝道桥钢箱梁横断面为花盆状结构，上宽下窄。钢箱梁组拼时，一般采用正装工艺，由于本桥钢箱梁的结构较为特殊，因此对钢箱梁制作正装与倒装工艺进行分析对比与研究，具体对比分析见表3。表3 G匝道组装方式对比分析通过分析，倒装工艺更适用G匝道钢箱梁的总拼，因此厂内制作时，优选倒装制造工艺。根据钢箱梁的结构特点，钢箱梁倒装制作时，采用“由下至上，由内及外”顺序进行拼装，主箱体结构拼装完成后，进行挑檐装饰弧板的拼装。通过倒装工艺，整个钢箱梁大部分的焊缝变为平焊焊接，有效提升拼装工效和焊接质量。挑檐装饰弧板等空间扭曲型零件的拼装更为简单，质量有保证。3 钢箱梁节段模拟拼装为发现钢箱梁加工过程中的重难点，提出解决方案、并通过试验结果加以优化，借助BIM技术对钢箱梁节段进行模拟拼装。根据匝道桥结构形式、线形和厂设预拱度值，创建全桥的精确BIM模型。按照分胎分段倒装工艺，调整模型分块并将模型倒置处理，再通过BIM模型完成分胎后桥梁线型的二次转化（图9）。根据拼装方案并结合本桥结构特点与车间生产情况，计划将全桥钢箱梁采用一个轮次全部拼装完成。钢箱梁拼装采用倒装法进行，具体模拟拼装步骤，如图10所示。图9 匝道桥线形二次转换图10 匝道梁段模拟拼装步骤（a）胎架制作；（b）顶板铺设固定；（c）隔板单元组装；（d）腹板单元组装；（e）底板单元组装；（f）挑檐隔板组装、焊接；（g）挑檐装饰弧板组装、塞焊；（h）檐板及支座垫板组装、焊接4 结束语济南东客站匝道桥工程已于2019年8月顺利完成架设并投入使用，针对该工程结构复杂、构件加工质量要求高、加工周期短