钢箱梁

第1章绪论
1.1 自锚式悬索桥
自锚式悬索桥的主缆是锚固在自身的加劲梁端部，而不需要建造巨大的锚碇，并使加劲梁（如果是钢筋混凝土梁）获得免费的预压应力；不需要在河流两岸开挖大量的土方，有利于保护环境，特别是在城区修建这种桥梁可减少房屋拆迁和环境的破坏，从而节省投资。

自锚式悬索桥具有多方面的灵活性，首先是孔跨布置灵活，可以设计为双桥三跨塔、双塔单跨桥，也可以修成独塔单跨桥或独塔双跨桥，其次是材料选用具有多样性，加劲梁可以使钢梁，也可以用钢筋混凝土梁，梁的形式可以是箱梁也可以使桁架，其三是缆索布置形式灵活，主缆可以是单缆，也可以是双缆或四缆，主缆吊索可设在同一垂直索面上，也可布成空间索面。

自锚式悬索桥具有传统的美观外形，在城市和旅游景观区建造可起到“一桥一景”美化环境的作用。

根据自锚式悬索桥的结构力学特性和目前所采育馆的材料好基本施工方法，比较适宜的跨径为100~400
m m，一般认为钢加劲梁自锚式悬索桥跨径在350m 一下具有较强的综合竞争力。

钢箱梁是自锚式悬索桥混合梁的一部分，两端通过钢混合段与混凝土加劲梁和锚跨相连。

它除了承担桥面的静、动载外，还承受水平轴力、内部结构、施工方法与地锚式钢箱梁有很大的不同，箱梁钢板的截面较厚，用钢量大。

1.2 钢箱梁
钢箱梁，又叫钢板箱形梁，是大跨径桥梁常用的结构形式。

一般用在跨度较大的桥梁上。

外型象一个箱子故叫做钢箱梁。

钢板箱形梁是工程中常采用的结构形式.为研究横隔板间距对集中荷载作用下简支钢箱梁畸变的影响,通过设置不同数量横隔板的简支钢箱梁,比较其在集中荷载作用下的畸变效应和刚性扭转效应,得到最大畸变效应随横隔板数量的变化曲线.在箱梁腹板顶端施加集中荷载,按畸变、刚性扭转、对称弯曲和偏心荷载四种工况采用荷载分解的方法进行计算.
国外早期的大跨度桥梁多采用桁架式钢加劲梁，如美国的金门大桥(1937)。

1966年英国建成了第一座采用流线形钢箱梁为主梁的悬索桥——Seven桥。

此
后，钢箱梁逐渐在公路大跨度桥梁上取代了桁架式钢梁的地位。

我国桥梁建设事业自20世纪末以来，进入了高速发展期，已经建成的几座大跨度悬索桥，从三峡西陵长江大桥开始，都采用了钢箱梁主梁。

钢箱梁的优势在于：结构重量轻、抗风稳定性好、抗扭刚度高、施工和养护方便。

以虎门大桥为例，在其工程可行性研究阶段，曾以跨径1 200m的悬索桥为模式，分别对采用桁架式和箱梁式加劲梁作了技术经济比较：桁架式梁高11m，上部结构用钢22 207t；钢箱梁高4m，上部结构用钢17 274t。

所以，现代公路大跨度钢桥大都采用了钢箱梁。

1.2.1 板钢箱梁的钢材选择
我国桥梁建设早期阶段，山于国产桥梁用钢材的开发速度较慢和质量的不稳定，部分桥梁采用了国外的钢材，如虎门大桥、汕头海湾桥都采用日本的SM490C。

随着国产钢材质量的提高和产量的增加，近几年建造的大跨度公路桥梁，大都采用符合国家标准GB／T1591 94的国产低合金高强度结构钢，如宜昌长江大桥、润杨长江大桥、舟山桃天门大桥等。

钢箱梁钢材设计选用标准集中于3个方面。

（1）板强度的要求
钢结构设计采用容许应力法，强度设计以控制截面应力不超过材料容许应力为原则。

考虑到在钢箱梁加工制作及拼装过程中，会产生很多由于误差造成的附加应力及焊接参与应力，这些应力是无法计算的，在施工安装中也会产生误差附加应力，这些应力虽能计t算，却是不确定的。

故在设计中，一般会采用较高的应力储备，以提高安全度。

现阶段我国的公
σ≥MPa，如Q345。

少数铁路桥采用了路钢箱梁桥采用强度级别主要是屈服点级345
s
σ≥MPa级的15MnVN。

采用国外钢材的强度级别均相当于Q345，如SM490C、420
s
Fe510D、STE355。

（2）使用气候条件的要求
钢材性能受温度影响较大，箱梁钢材牌号的选择应考虑到桥梁所在地气候条件对结构的影响。

设计常用的低合金高强度结构钢，按冲击韧性进行质量分级，分为A、B、C、D、E 等级别，各级别对应不同的冲击试验温度。

国内公路桥梁钢箱粱采用的级别火部分集中在C、D和E，对应的试验温度分别是0℃、-20℃和-40℃。

对于南方地区，常年温度较高的情况下。

选用Q345C已经满足使用要求。

在北方寒冷地区，考虑到钢材在低温下的使用条件，宜使用O345D，甚至是Q345E。

但应当注意的是，上述各级别所定冲击试验温度仅仅表明其质量级别，并非该级别钢的最低容许使用温度。

以Q345C钢为例，虽然C级钢的规范试验温度为0℃，但并非不可应用于更低的温度下：武汉军山长江大桥采用的Q345C钢，在A=50～260 J，有比较大的韧性储备，完全可以代替Q345D应用于-20℃的-23℃试验，KV
使用条件下。

（3）加工制造的要求
高强钢的焊接工艺复杂、参数控制严格。

不同牌号的钢材其焊接性能有较大差别，即使同一牌号，不同等级的钢材，其可焊性也不尽相同。

钢箱梁制造过程是大量的钢材焊接过程的集合体，焊缝检查要求极为严格。

过于追求强度、硬度等指标而忽视可焊性，会造成不必要的浪费。

1.3 顶推法
顶推架设法是指在顶推平台上逐段将梁体拼装,再利用顶推平台和桥墩上的千斤顶拖着梁体在滑道上滑移, 该方法由梁体安装、牵引和控制、滑移和导向大系统组成; 该方法要求结构设计时梁体的底面必须连续, 不能出现阶梯状, 且位于同一直线段或同一圆曲线内; 目前国内顶推架设法多用于40~50m跨径等截面混凝土连续结构施工, 最大顶推重量为280/
kN m。

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顶推法示意图
第2章钢加劲梁的制造
2.1 概述
大跨悬索桥一般来讲规模庞大, 施工技术难度高, 加工构件多, 而且加工周期长, 如锚碇钢框架、塔顶钢框架、索鞍、索夹、索股、吊索、钢梁以及一些施工设备如紧缆机、缠丝机、跨缆吊机等, 均必须根据总的施工组织设计提前安排施工, 并进行检测验收, 以免延误工期。

本文主要对悬索桥加劲梁的施工技术进行总结。

2.2 零部件加工
(1) 除施工图及工艺文件另有规定外, 零部件加工范围及允许偏差应按表一执行。

注:板厚t≤10mm时, 板边垂直度偏差不得大于1mm; 板厚t≥10mm时,板边垂直度偏差为0.1t,但不得大于3mm; 马刀形弯曲,长度10m及以下允许2mm; 10m以上允许3mm,但不得有锐弯。

(2)零部件边缘的加工, 应优先选用精密切割。

(3) 边缘加工后, 必须将边缘刺屑清除干净, 磨去飞刺、挂渣及波纹, 还应将崩坑等缺陷部位磨修匀顺。

(4) 零部件应根据零件预留加工量及平直度要求, 加工端边。

已有孔( 或锁口) 的零件按孔( 或锁口) 中心线定位加工边缘。

(5) 按设计要求需要刨( 铣) 加工的零件, 刨( 铣) 边时应避免油污染钢料,
μ, 顶紧加工面与板面垂直度偏差应小于加工面的表面粗糙度Ra不大于25m
0.01t(t为板厚)且不得大于0.3mm。

(6) 经刨边后的边缘表面质量及公差应符合相关标准要求, 焊接坡口的加工偏差应符合国家标准。

2.2.1 板块板单元制造工艺
按制作工艺划分为顶板板块、地板板块、斜腹板板块、腹板单元、纵隔板单元、横隔板单元等进行下料、加工、组装、焊接、矫正等工作。

板块是组成悬索桥的基本零件，主要由面板、U形肋(或球扁钢肋)、接板等组成，制作工艺流程见图221
--。

P221
钢箱梁板块的米昂版是采用无余量技术定购的双向定尺寸，与传统做法不同。

传统做法考虑在板块制造的焊接、火焰矫形、切割坡口等过程中，刚才均会发生不同程度的收缩，所以在板块下料时，都要预留一定尺寸的富余量。

由于对制造过程中的钢材收缩量尚无精确的预计方法，因此在下料时普遍预留了过大的富余量，造成了刚才的浪费，从全桥的规模来看，这种浪费是不能忽视的。

无余量技术就是充分考虑板块在加工过程中的各种工艺收缩量、在定料3加上必要的工艺量、在板块焊接修整完成后直接开对接坡口而省去一次切边下料的工艺。

这样既充分考虑制造中的收缩，又最大限度的减少过多预留的材料浪费。

从板块的整个生产流程来看焊接过程中的收缩量占整体收缩量的绝大部分，所以准确把握焊接收缩的规律是研究板块无余量下料技术的关键问题。

经过预处理后直接在板块一次划线平台上按工艺文件流出的工艺量划出U 肋组装位置线和纵横隔板或接板位置线。

采用“无码”组装技术，专用的门式组装胎型组装U形肋，门架控制U形肋的横向组装精度，纵向以横基准线为准定为。

专用的门式组装胎型可避免在面板上点焊、除去码板时损伤母材，影响产品质量。

组装定位焊接U形肋时由于焊接变形的影响因素很多，如板厚、焊缝长度、焊接类型、焊缝截面积、焊接线能量、约束条件等，板块焊接是主要四种形式的焊接变形，即纵向收缩变形、横向收缩变形、纵向面外弯曲变形和角变形，U形肋角焊缝很周热影响区的钢材在凝固和冷却过程中会发生收缩，导致板单元纵向和横向收缩变形以及纵向面外弯曲变形。

另外，由于是面板的单侧施焊，沿面板的厚度方向存在温度梯度，所以面板有U形肋角焊缝的一面比另一面发生了更大的收缩，在焊缝处形成了角变形。

在实际情况中，板块的整体变形是由四种基本形式组合的复杂变形，板块下制造中的焊接变形对产品的质量是不利的，角变形会使板单元整体弯曲，必须进行大面积的火焰矫形，从而使钢材进一步收缩变形，导致U形肋尺寸及相互间距离发生变化，对以后的整体拼装精度产生不利的影响。

钢箱梁整体组装时要求两两梁段之间的面板和所有U形肋必须严格对
齐，偏差不得超过1mm，因此在板单元制造阶段避免过多的火焰矫形。

目前，板单元焊接的角变形问题可用反变形焊接工艺制造，以满足设计精度的要求。

结合板厚、材质、焊接坡口、焊缝截面积、焊缝线能量、约束条件等初步确定顶、底板预加的反向角变形量，再根据生产实践进行改进，设计专用的反变形焊接胎架进行U形肋的焊接。

板块焊接时先向一侧倾斜一定的角度，将U形肋同侧的焊缝焊接完成后，再将板块向相反的方向倾斜相同的角度，焊接U形肋另外一侧的焊缝，这样更有利于保证焊缝熔深的要求，并且焊接质量稳定。

所有焊缝焊接时都保持焊接方向一致，根据U形肋数量以及焊缝焊接时产生侧向弯曲的倾向安排合理的焊缝顺序，减小扭曲变形和侧向弯曲变形。

顶板板块U形肋焊缝焊接时，端部采用手工电弧焊焊接，并且端部不断弧包角焊，焊后将包角部位用铣削工具打磨成半径不小于12mm的圆弧，减小应力集中，避免缺陷的产生。

U形肋焊接时重点控制两点：
（1）控制焊丝角度、焊丝对正，保证熔深和焊缝的外观成型避免咬边、焊偏等缺陷。

（2）焊接顺序要按照分散的原则，焊接方向要按照同方向的原则（如图--），p223图中圈内的数字表示焊接顺序，箭头表示焊接方向。

222
在胎架上采用“反变形”焊接技术控制板块的焊接变形。

板块在胎架上采用
CO气体保护机械卡紧固定，避免码板对板材的损伤，施焊时采用线能量较小的
2
自动焊机船位同向施焊U形肋焊缝。

实践证明，由于反变形工艺预先对板单元施加反向的角变形，所以大大减少了焊接的残余角变形，也减少了火焰的工作量，大大提高了板块的生产效率。

采用冷矫正或火焰热矫正的方法矫正板块残余翘曲变形，重点矫正边缘的波浪变形，满足对接对平面的要求。

在二次划线平台上以纵基线为准修整横基线，再以修整后的基线划周边二次切割线（坡口焰切线）、钻磨对向线（部分板块有）。

纵向留箱体焊接收缩量，桥位横向环缝含嵌补段收缩量，另外纵向、横向对接间CO气体保护焊打底，埋弧自动焊盖面工艺）。

对有栓孔的板块模
隙一并考虑（
2
钻孔，在平台上按线焰切周边坡口，某些预留的现场配切边暂不焰切。

2.2.2 吊索锚箱的制造工艺
悬索桥是通过吊索将钢箱梁上的载荷传递到主缆上的，吊索与钢箱梁的连接一般采用锚箱式或销接式。

下面分析一下锚箱式连接。

锚箱设计是与腹板、斜腹板连为一体的外挂式锚箱结构，在钢箱梁内部对应
位置设有加劲板。

为了便于加工制作，可以将锚箱的三个承力板错位断开，分为连在直腹板上的锚腹板单元和连在斜腹板上的斜腹板单元，最后在钢箱梁总体拼装时对接焊缝连为一体。

锚箱结构主要连接在直腹板单元上组成锚腹板结构。

如图223
--。

P224
锚腹板单元为主要由副班、U形肋、承锚板、锚垫板、锚管、主承力板、侧承力板、锚管劲板和内外衬板等零件焊接而成的栅格结构，是全桥传递索力的关键部件。

由于锚箱空间狭小，零件较多，角度各异，给其组焊带来极大困难，且主焊缝为熔透角焊缝，质量要求高，焊接变形大，必须强化焊缝质量和几何精度的控制。

锚箱焊接作业按照组拼→探伤→矫正→组拼→焊接→探伤→矫正的反复工序进行，先焊接成锚管单元、腹板单元，再逐步焊接成锚腹板单元。

（1）承力板、承锚板等用数控切割机精密切割下料。

（2）承力板在划线平台上划纵横基准线、坡口加工线、劲板组装线。

（3）机加工承力板、承锚板焊接边及坡口，重点控制承力板上的承锚板孔的加工精度及留焊接收缩量。

（4）在专用平台上依次组装承力板、承锚板、劲板等。

严格对线组装，重点控制外承力板边与大承力板上的斜腹板位置线的位置关系及三承力板的相互位置。

（5）采用焊接变形小的焊接工艺和焊接方法焊接。

、
（6）对锚箱单元进行矫正修磨，重点修整承锚板平面度、支撑斜腹板的同面度等。

（7）在修整划线胎架上修正纵横基准线，并打样冲眼做标记，作为箱段组装的基准。

以基准线为准修正斜腹板单元、腹板单元位置线。

（8）除锈、涂油。

由于锚箱及外腹板在整体梁段时除锈、涂装困难，该部位今后维护保养比较困难，又是全桥关键受力部位，为了保证涂装质量，在场内将锚箱及腹板外侧按标准要求彻底打砂清理，然后按涂装体系的要求进行涂装。

2.2.2 横隔板的制作工艺
横隔板是箱型梁组装的内胎，它要与箱梁的顶板、底板、腹板、纵隔板焊接。

一般的制造方法，是将横隔板长度方向（垂桥面）分成多块，高度方向分成上、中、下三段，如图224
--，p225在箱体总拼时采用搭接方式将各个板块再拼接成一个整板。

2.3 试拼装
（1）钢箱梁应按拼装图进行厂内试拼装, 试拼不少于 3 个节段, 按架梁顺序进行试拼装。

试拼装前应认真做好各项准备工作, 仔细检查试拼装胎位、工具、仪器及吊具是否完好和安全可靠。

（2）依据设计图及工艺文件核对每个零件、部件、梁段, 不允许使用未经检验或不合格的零部件及梁段参加厂内试拼装。

每次试拼装的检验应有详细记录, 首次由工厂技术负责主管组织鉴定, 其余各交由工厂检验部门检验确认合格后方可进行下道工序。

2.4 成品
成品梁段基本尺寸允许偏差应符合国家梁段验收允许误差标准。

钢梁成品尖由工厂检验部门进行全面检查、验收, 并与业主委派的质量监理工程师共同确认, 合格后方可填发产品合格证。

施工单位接收成品时, 应要求对方成品提供产品合格证、完工图、工厂内试拼装记录、焊缝重大修补检验记录。

第3章钢箱梁节段组拼与焊接
3.1 钢箱梁节段组拼胎架设计
3.1.1 板单元拼焊胎架的设计
为了控制板单元的组装精度和满足生产进度要求，胎架采用型钢制作，采用混凝土预制桩基础。

为了操作方便，胎架要求有较好的刚性，可以控制板单元焊接时的变形。

胎架上设有纵横基准线，控制组装精度，对接纵缝处预留加陶质衬垫的缺口，并设反变形量，采用码板定位组焊技术。

3.1.2梁段拼装胎架的设计
为了保证钢箱梁的外轮廓尺寸及部件位置的准确，针对悬索桥结构特征设计了钢架式梁段拼装胎架一组。

以斜腹板、底板外形为基准面确定胎架形状，利用型钢制作支承钢架与基础预埋件焊接，支承钢架分横向钢架和纵向连杆，每3.0m 设一横向钢架，用纵向连杆将横向钢架连接起来，形成网架结构，使其具有足够的刚度，不会随使用时间的延续而发生变形。

胎架具有控制钢箱梁段外轮廓尺寸的能力受场地的影响，一组胎架应充分考虑左右两幅同一方向拼装，梁段设单项2%斜坡，左右两幅方向不一致，胎架在设计时考虑到这一要求，并充分考虑到两侧锚箱单元的支承，预先设置与锚箱单元定位一致的纵横基准线。

在胎架两端设三对与胎架分离的测量塔，在胎架一端两侧设一对与胎架分离的测量塔，在每段两下设与胎架分离的横基准点。

为了抵消梁段解码后上箱口的弹性变形，确保两腹板间距，胎架斜腹板外边缘处设向下10mm、向中心线外2mm的收缩量。

胎架纵向不设拱度，组焊与预拼装同时进行，提高工作效率。

为了方便组焊作业，梁段接口按工艺留间隙，在安装时匹配件时加垫处理。

通过钢箱梁制造对总拼胎架的检验，及其他类似箱梁的左走经验，总拼胎架在设计时应注意下述两点：
（1）胎架布有“三纵一横”四条测量塔后，完全可以满足钢箱梁生产过程中的各项定位要求，没有必要再做对线墩、对线座等大量的临时装置；
（2）胎架刚度的设计，应充分考虑基础的沉降和有效地估计箱形梁的焊接收缩应力。

3.2 梁段组焊工艺
3.2.1 板单元拼焊工艺
对板块因运输或吊装等原因产生的变形进行矫正，在板单元拼接胎架上，一纵横基准线为准，将梁板块单元就位，确认对线无误、焊接间隙合理后，用码板固定，并对焊缝两侧50mm宽范围进行除锈，焊接采用背向加陶质衬垫的单面焊双面成型工艺，在焊缝检验合格后组焊缝处的隔板接板，解除码板并修磨，采用火焰进行矫正，然后修正板单元纵横基准线，打样冲作为梁段组装的基准。

3.2.2 梁段组焊工艺
梁段组装时以胎架为外胎，以横隔板为内胎，控制箱口的尺寸精度，通过测量塔和横向基准点（三横一纵法）控制板块、板单元就位，又因锚箱是箱段的核心，为了保证每对锚箱相应位置（,,
x y z三向）的精确，拟在斜腹板单元就位前在锚箱支承胎架上按基线定位锚箱单元。

在尽可能少的码板约束下施焊，待胎架上的所有梁段组焊完成后，解除码板并修磨，在胎架上同时进行预拼装作业，在确保钢梁的长度、宽度、错台等符合规范要求的前提下，在每个接口处组焊定位匹配件。

钢箱梁组装流程见图321
--。

P227
（1）底板组焊：首先组装桥轴中心线处底板单元，以测量塔及纵横基准线为准定位桥轴线处的板块。

（2）锚箱定位：锚箱按线与胎架就位，调整两侧锚箱的间距、承锚板的垂直度、承锚板的高度等项点。

（3）斜腹板定位：将斜腹板单元以纵横基准线为准在胎架上就位，用码板固定。

（4）边侧底板单元组装：以测量塔（桥轴线处的纵基线）和横基线为基准，用样杆测量定位边侧底板板单元，在确保与斜腹板组装间隙的情况下用码板固定，并划线用焰割小车配切另一边，划配切线时注意考虑底板与斜腹板焊缝收缩的影响。

（5）斜腹板与底板焊接：采用内卡样板检验底板与斜腹板角度，检查合格后，焊接斜腹板与底板的纵向对接焊缝，然后组焊该处的隔板连接板，组焊斜腹板单元U形闭口肋嵌补。

（6）纵横隔板组焊：向两侧依次交替组装纵隔板及横隔板。

组装过程中辅以定位夹具、顶拉工具控制隔板位置精度和垂直度等项点，使横隔板间距、纵隔板间距满足标准要求。

焊接时，先焊横隔板对接焊缝，再焊纵、横隔板的焊缝和其他焊缝。

（7）腹板单元组焊：以测量塔横基线及锚箱单元上的腹板组装线为基准组装腹板单元，并调整上箱口宽度（组装时上箱口预留加大的工艺量）。

重点控制腹板中心线与桥轴中心线的距离。

待腹板中心距（含工艺量）及其他项点合格后，点焊定位、施焊。

（8）顶板组焊
①以腹板横基线为基准线组装边侧板单元。

②以测量塔纵基线及边侧板单元的横基线为准组装桥轴中心处的板单元。

③以已组装的桥轴线处板单元的横基线为基准向两侧配装其他板单元。

纵向对接焊缝位置采用马鞍形刚性码板控制横向收缩。

纵隔板处板单元组装时，注意调整与纵隔板的位置关系。

（9）定位匹配件、临时吊耳等组装。

（10）钢箱梁段全面检查合格后，以胎架上的纵横基线为基准，对钢箱梁纵横基线进行修整，该线是预拼装用线。

3.3 合拢段的组装工艺
合拢段的组装工艺与标准段基本相同，只是在箱段组装完成后，一端留有配切量暂不切除，并在该端接口的U形肋、板条肋、腹板、纵隔板与箱体的焊缝及拐点处的焊缝预留一定长度的不焊段。

该合拢段在预拼装时做出桥轴线、横基线，作为配切时的放样基准，避免出现“平行四边形”误差。

3.4 钢箱梁段的焊接
因钢箱梁断面大，焊接接头、焊缝空间位置形式多样，且较普遍得存在熔透焊缝，如箱体顶板与腹板、斜腹板与腹板、腹板与横隔板、与箱体连接等部位都要求熔透焊缝，同时局部操作空间有限，因此，钢箱梁焊接工作具有相当大的难度，它不仅要保证焊缝的质量，而且要保证最小的变形，以达到钢箱梁和箱口的连接精度。

3.4.1 一般控制措施
（1）从事电焊工艺的电焊工必须通过相应的焊工资格证，取证上岗。

焊工所需参与取证的项目及数量应根据产品的制作要求确定。

凡取得相应焊工资格证的且符合焊工管理要求的，可参与相应项目的焊接操作。

（2）焊接工艺通过焊接工艺评定试验、钢材可焊性试验确定。

（3）同条件按规定施焊产品试板，确保焊接接头的力学性能。