卢浦大桥钢结构工程关键技术_倪志刚

每个部件尺寸进行校正 , 特别是对构件相互结合处 进行精确定位 , 并指导制造 , 减少设计人员大量的 手工操作和计算工作 , 避免出现计算错误或误差 。 由于卢浦大桥的形状特别复杂 , 运用该方法可以高 效准确地解决桥梁建造过程中的各种问题 。 111 建模依据及原则
1) 建模依据 (1) 坐标系统 : 采用主桥独立坐标系统 。 (2) 总体布置 : 按设计院 “卢浦大桥总体布置 设计”。 (3) 桥梁各部件构造 : 按设计院蓝图 。 2) 建模原则 为保证全桥三维空间模型的高度精确 , 在建模 时尽可能从最基本的数据出发 , 充分理解设计院蓝 图中各类数据的起源 , 由最原始的状态开始进行建 模 , 以求与蓝图可以互相校对 。 112 卢浦大桥主桥三维实体模型 图 1 —图 6 为卢浦大桥各部分三维实体模型 。 113 三维模型所表现的拱肋复杂的内部结构 图 7 为图 5 (拱梁结合部) 的一部分 , 可见与 桥梁中横梁及桥面相连的 Z6b 拱肋的内部结构 。 由于大桥主拱按 1∶5 内倾 , 桥面又存在纵坡和横坡
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第 6 期 卢浦大桥钢结构工程关键技术
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D115296) [7 ,8 ]所允许的焊接方法有 SMAW , SAW , FCAW , GMAW , ESW 和 EGW (其中 SMAW 还 可免于评定 , 其他方法均须经过评定) 。特别提出 的仅是 GMAW2S , 即由短路过渡的熔化极金属气 体保护焊在桥梁构件的建造物上不推荐使用 , 只有 经过工程师的书面批准才得使用 。从理论上分析 , 短路过渡形式 , 是气体保护焊熔化极电弧焊中取用 电流值最小的一种焊接方法 , 焊接电流较小 , 使焊 接接头焊缝的熔深较其他过渡形式小 , 为保证质量 起见 , 所以要经过工程师的书面批准 , 并经过焊接 工艺评定 , 而不是禁止使用 。
第 2 6 卷 , 第 6 期 中 国 铁 道 科 学 2 0 0 5 年 1 1 月 CHINA RA IL WA Y SCIENCE
文章编号 : 100124632 (2005) 0620134207 ·成果简报·
Vol126 No16
November , 2005
3) 为构件安装和立体预拼装打下坚实的基础 用数学计算方法得出的数据是精确的 , 但得出 的只是一种状态 (成桥状态) 下的数据 。如果在实 际制造中改变坐标系统 , 要得出各构件安Leabharlann Baidu定位数 据 , 通过数学计算办法实现是相当复杂的 , 且容易 出错 。三维建模后 , 实际上一个精确的也是唯一的 全桥结构数据库已建立 。无论在什么状态下进行装 配或预拼装 , 只要进行坐标系的转换 , 即可拿出所 需的所有数据 , 非常方便 、直观 , 效率极高 。 通过三维模型 , 可以在极短的时间内得到大桥 任何部位 、在任何状态下的三维数据 。在拱座安装 过程中 , 及时迅速地提供了各种状态下各结构断面 的安装数据 。在拱肋双榀立体预拼装过程中 , 三维 模型为适应斜切胎架工艺 , 提供了大量的胎架坐标 数据及结构在胎架上的定位数据 。
从国内实际情况看 , 在海沧大桥 、江阴大桥 、 南京二桥和重庆的鹅公岩大桥等工程上都已用过实 芯焊丝和药芯气体保护焊焊丝 。从日本溶接学会 1999 年 5 月公布的日本建筑和桥梁用溶接材料的 数字 , 手工焊条从 1971 年的 65 %降至 1996 年的 10 % , 而实芯焊丝和药芯焊丝则在同一时间段内分 别由 12 % , 3 %升至 31 % , 说明应用范围逐年扩 大[6] 。 从规范角度来说 , 美国桥梁焊接规范 (AWS
关键词 : 卢浦大桥 ; 钢结构 ; 三维实体建模 ; S355N 细晶粒结构钢 ; FCAW ; 线能量 ; 预热 ; 后热 中图分类号 : U448122 文献标识码 : B
上海卢浦大桥主桥为主跨 550m 的提篮式钢拱 桥 , 是目前世界上最大跨径的拱桥[1 ,2 ] 。桥梁主体 钢结构用钢量 34 243 t , 分成 266 个节段制造 , 采 用 S355N 细晶粒结构钢 。主拱采用独特的陀螺形 断面箱形拱 , 形成了大量小空间多室箱形结构 , 局 部拘束度较大 。为保证结构的尺寸精度和焊接质 量 , 减小焊缝内应力 , 避免出现焊接裂纹等问题 , 在施工设计阶段运用三维实体建模虚拟建造技术 , 解决结构细部尺寸精确计算和匹配问题 。通过对 S355N 细晶粒结构钢焊接工艺试验和研究 , 解决 了钢板焊接问题 。大桥于 2002 年 10 月主拱合拢 , 并于 2003 年 6 月建成通车 。
图 5 拱梁结合部结构图
图 2 卢浦大桥三角区结构图
图 6 桥面以上标准拱肋结构图
图 3 卢浦大桥三角区桥面以下结构图
图 7 拱梁结合部 Z6b 拱肋内部结构图
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通过比较发现 : 本桥的横向联系构件 (包括桥 面下的一字撑 、K 撑 , 桥面以上的一字撑) , 原设 计蓝图尺寸由于计算过程过于复杂 、中间数据有所 省略 , 最终尺寸存在较多的偏差 , 可能对施工带来 不利影响 。因而对这些部套的图纸尺寸 , 均进行了 调整 。
本桥设计周期短 , 设计人员多 , 各部套平行作 业 , 几乎同时出图 ; 且本桥空间构造极为复杂 , 用 计算及二维做图较难表达清楚 。而三维模型的最大 特点是直观 , 各部套在统一坐标系下分别建模后 , 立即就能发现结构构造是否协调 。例如 : 三维建模 后发现 GL2 横隔板与 # 01 桥面梁横隔板 , 中横梁 腹板与 ZN ( S) 6b 中横隔板未能对齐 (后均做了 调整) 。
1) 与设计院蓝图的相互校对及保证结构构造 的协调一致
由于在三维模型建立时尽可能少地利用设计院 蓝图中各部套的现成尺寸数据 , 而是通过最原始的 数据在建模过程中直接得到的 , 因而与设计院蓝图 中通过几何计算得到的各部套尺寸数据存在可比
图 4 三角区 GL1 , GL2 分段结构图
图 1 卢浦大桥全桥三维视图
针对本工程存在着工程量巨大 、结构体系复 杂 、作业面宽广 、制作场地分散 、制作车间众多 、 边设计边施工状态突出的特点 , 借鉴以往采用同种 钢材桥梁的焊接技术 , 吸收国际上最新的焊接技术 研究成果 , 制订了指导整个工程所有焊接工作的 《卢浦大桥主桥钢结构焊接指导书》, 规定了焊材管 理 、焊接设备 、焊工要求 、焊接工艺评定原则 、焊 接工艺规定 、焊接预热后热 、焊接工艺参数 、焊接 顺序和焊缝质量要求等 , 统一了各施工部门的主要 焊接工艺 。
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性 。从理论上讲 , 无论是建模还是计算 , 在同一位 置上同一构件的尺寸应完全一致 。但实际计算过程 中会或多或少地省略一些数据 , 从而使最终得到的 构件尺寸产生一些偏差 。而三维建模时 , 数据的偏 差仅仅是软件数据的偏差 (这是相当小的) , 几乎 完全排除了人为因素 , 因而精确度相对较高 。
卢浦大桥钢结构工程关键技术
倪 志 刚
(江南重工股份有限公司 设计研究所 , 上海 200023)
摘 要 : 上海卢浦大桥为主跨 550 m 的提篮式钢拱桥 , 是目前世界上最大跨径的拱桥 。施工设计中采用两 项关键技术 , 三维实体建模虚拟建造技术和 S355N 细晶粒结构钢焊接工艺新技术 。利用软件 MD T 及自编扩展 模块将卢浦大桥主桥钢结构中所有构件 , 全部用三维实体建模的方式建立在一个三维空间模型之中 。运用三维 实体建模虚拟建造技术 , 解决结构细部尺寸精确计算和匹配问题 , 给出三维建模的原则 、方法及实例 。S355N 细晶粒结构钢焊接工艺新技术解决新工艺技术质量与工期的矛盾 。桥梁主体刚结构采用 S355N 细晶粒结构钢 , 大规模采用 FCAW 焊接方法 , 通过焊接试验 、焊接工艺参数的选择方法 、预热 、后热及其他焊接工艺措施保证 FCAW 焊接方法的实施 。大桥于 2003 年 6 月建成通车 。
结合本工程具体施工情况 , 一则所取用的焊接 规范较大 (在 FCAW 时 , 112 mm , I > 120 A) , 有相当的熔深 , 二则均经过焊接工艺评定和工艺试 验 。所以在符合焊接工艺评定的规范数据范围内 , 焊缝质量应该是有保证的 。简单地否定和禁止气体 保护焊在桥梁上的应用 , 从技术 、经济角度都不合 理。
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(纵坡为 ±215 % , 横坡为 2 %) , 造成桥面与拱肋 相交处的结构极为复杂 。图 7 所示三维模型精确而 直观地表现了内部结构的每一个构件 , 实现了拱肋 内部隔板与桥面 、中横梁的协调 , 同时在施工设计 阶段即对无法施工的构件进行了修改和调整 。 114 全桥三维实体模型在建造过程中的重大作用
2 S355N 细晶粒结构钢焊接工艺新 技术
S355N 细晶粒结构钢是一种低碳当量 、Nb + Ti 复合微合金钢板 , 通过控轧控冷工艺使晶粒细 化 。由于加入适量的 Ti , 明显提高了奥氏体抗粗 化的能力 ; 利用适当的 Ti/ N 可获得细小 、均匀的 铁素体晶粒 ; 可以减小强度指标对钢板厚度的敏感 性 , 使厚钢板获得较好性能 ; 可提高采取大线能量 焊接时的韧性[4 ] 。S355N 钢板的机械性能和化学 成分见文献 [ 5 ] 。
2) 尽早发现结构中构件相碰现象及无法施工 的狭小空间
由于结构中纵横构件以及各种角度斜向构造较 多 , 极易发生构件相碰 , 或形成狭小空间无法施 工 , 三维建模后非常直观地将其表现出来 , 可以提 早对构造进行调整 。例如 : GL1 , GL2 , ZN ( S) 6a , ZN ( S) 6b 拱肋中桥面延伸板与拱肋顶底板形 成狭小空间 , 及中跨桥面以上拱肋吊杆斜隔板与横 向加劲相碰等等 。
1 三维实体建模虚拟建造技术
卢浦大桥施工设计采用了三维实体建模虚拟建 造技术 。这是一种集计算机辅助设计与参数化实体 造型 、装配造型 、二维和三维双关向绘图以及图形 转换器等模块为一体的现代工程设计手段[3 ] 。利 用软件 MD T 及自编扩展模块将卢浦大桥主桥钢结 构中所有构件 , 全部用三维实体建模的方式建立在 一个三维空间模型之中 。在三维模型中对桥梁结构
收稿日期 : 2004212222 作者简介 : 倪志刚 (1966 —) , 男 , 江苏靖江人 , 教授级高级工程师
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焊接工艺的基础是工艺评定 ( PQR) 。本工程 工艺评定共进行了 46 项 。 211 扩大了主材为 S355 N 细晶粒结构钢的桥梁的 焊接方法
在以往国内使用 S355N 钢的几座大桥上 , 仅 使用手工焊和埋弧焊 , 药芯焊丝 CO2 气体保护焊 ( FCAW) 未曾用过或很少使用 。在本工程中考虑 到焊接效率及质量 , 参照国内外桥梁规范并进行了 一些试验 , FCAW 最终被大量应用 。其范围已扩 大到 : 承重拱体系 (除熔透焊缝外) , 桥面钢箱梁 体系 (除现场对接焊以外) 的所有焊缝 。 21111 FCAW 在桥梁中的应用现状和扩大 FCAW 应用范围的理由