1、正本高速公路斜张桥箱型钢梁全断面焊接节块制作及施工方案编 制： 审 核： 批 准： 版 本 号: ESZAQDGF001 编制单位： 编 制: 审 核： 批 准： 目录1. 前言32. 工厂制作52.1 使用钢材及构件组合方式52.2 制作要领62.3 焊接收缩量之决定82.4 焊接顺序102.5 焊接方法102.6 非破坏检查102.9 涂装要领123. 工地组装工场123.1 工地组装工场之制作流程123.2 工地组装工场简介133.3 组装作业143.4 焊接作业143.5 非破坏检查143.6 涂装要领153.7 端口假安装153.8 组合台车153.9 节块移动方法164. 现场焊接2、174.1 连接梁之现场焊接17工地组装工场焊接接头 现场焊接接头174.2 钢梁之现场焊接185. 焊接收缩量之结果195.1 桥面板焊接收缩量195.2 下翼板焊接收缩量196. 结语201. 前言本报告为南二高第C381标xx桥第一单元斜张桥箱型钢梁制作报告。本桥之主要概要如下。l 桥梁形式二跨连续复合箱梁斜张桥l 跨距180m+330ml 车道宽度3.65m6车道l 线形平面直线纵坡1.7235%直线纵坡l 横坡2%直线l 设计标准HS20-44 +25%l 下部结构A1:箱壁式基础、混凝土桥台P1:隔墙箱壁基础中空式混凝土桥塔P2:全套管就地浇注混凝土桩中空式混凝土桥墩。l 梁形式P3、C梁:4孔PC箱梁钢梁:钢制5孔箱梁l 主梁高度3.2ml 桥面板PC桥面板+钢桥面板l 钢缆形式扇形多重式钢缆l 桥塔形式倒Y型混凝土桥塔l 桥塔高度183.5m本斜张桥为单塔非对称构造之2跨连续复合斜张桥、总长510m、各跨距长为边跨180m及主跨330m。为了减轻主跨距间之自重、本桥采用钢桥面板箱型钢梁、总宽34.4m、梁高3.2m、总钢重约6,000吨。其跨距330m总共由18节块构成、标准节块(共16个)有20m长370吨重。钢梁制作由钢构厂开始、在钢构厂制作成Panel和小构件后、运输至工地、在工地组装工场进行组装、焊接、涂装及假安装后、进行节块架设作业。本工程采用以焊接连接组合全4、节块之全断面焊接构造、断面尺寸是世界最大级之一。2. 工厂制作2.1 使用钢材及构件组合方式箱型钢梁部分所使用之钢材为ASTM A572 G50, A36及一部分采用JIS G3106 SM520C Z35钢材。板厚区分为t=680mm。本工程之箱型钢梁部分之标准断面如图-1所示。箱型钢梁各构件之制作尺寸是经过确认钢构厂可能制作之最大尺寸(必须考虑吊车能力、翻转空间等条件)及运输上之限制而决定。决定结果如图-2构件组合图所显示、1节块由20个构件组合。(最大构件重量: 40 ton)图-1 标准断面图-2 构件组合图2.2 制作要领钢构厂之制作要领如下述所示。请参照制作流程图(图-35)。所有5、Panel中仅有腹板使用NC切割、其它Panel是经过NC划线、U-rib焊接及热整后重新进行落样切割。虽然在NC划线时已有考虑焊接收缩量、但是为了更加提高实际Panel之制作精度、所以才在Panel制作完毕后进行重落样重切割作业。钢构厂大组合时需注意之点是控制将成为整节块组合基准之中间箱梁及外腹板构件之尺寸。为了使各节块间之断面尺寸相配并考虑收缩等因素、制作时宽度及高度都是以设计值+2mm进行。并且、前一个节块之实际完成尺寸会反映至下一个节块之大组合尺寸。尽量注意防止尺寸误差。由于其努力之结果、各节块间之断面形状没有误差、端口尺寸也良好。图-3 制作流程图(内腹板Box构件)图-4 制作流程6、图(中间Panel构件)图-5 制作流程图(连接梁构件)2.3 焊接收缩量之决定钢构厂制作时假设之焊接收缩量为横向方向0.25mm/线、桥轴方向0.5mm/m。于工地组装工场节块焊接时所假设之焊接收缩量为每一线焊道收缩2mm。制作时为了决定各Panel的宽度、一定必要先决定焊接收缩量。制作时考虑之焊道根部间隙为3mm、并以此间隙决定Panel之宽度。假安装时再考虑焊接收缩量将根部间隙挪宽2mm至5mm。如图-6 组合尺寸图所示、于钢构厂假安装时考虑焊接收缩量而将各焊道间隙挪宽2mm后、因为桥轴方向总共有10道焊道所以总宽比起设计值16mm。悬背部分最外侧两道焊道不必要在假安装时挪宽2mm、因为7、如此将会导致下翼板产生错开。因此最外侧两道焊道在制作时就以根部间隙5mm决定Panel之宽度。下图-7.17.3显示以上之想法图-6 组合尺寸图制作时 组合时图-7.1桥面板制作时 组合时图-7.2下翼板图-7.3悬背部分下翼板图-7.17.3 焊接收缩量与开槽形状2.4 焊接顺序计划上焊接顺序是由桥面板开始、再陆续进行至下翼板。由于桥面板各焊道假设有2mm的焊接收缩量、而根部间隙设定为5mm、而下翼板则需要在桥面板焊接收缩后才进行焊接、因此根部间隙设定为7mm。此考虑同样反映在腹板及横肋板上。2.5 焊接方法钢构厂制作时各部位所使用之焊接方法如下。接板、U-ribSAW其它焊接全部CO2半自8、动焊接修改等SMAW并且在焊接施工前、为了确认开槽形式、焊接材料、焊接方法、全部的焊接接头都经过焊接施工试验、确定其开槽、焊接方法合适后才进行实际施工。2.6 非破坏检查为了确认焊接部位是否健全、依照特定条款接板部位经抽样执行放射线透过试验检查、而填角焊部位则执行焊道液渗检验。抽样比率如下。桥轴方向RT 15%PT 5%桥轴直角方向RT 30%PT 5%钢构厂之放射线透过试验检查结果、G1G12节块平均缺陷率为r=2.7%。2.7 两节块间端口之调整方法为吸收因桥轴方向焊接而产生之端口不齐、中间Panel之两端都延长20mm、工地组装工场焊接完毕后再重落样、重切割。并且腹板为防止桥轴直角方向之9、错开、从端口250mm部分在钢构厂先不焊接、利用这未焊接部分使得在工地组装工场假安装时还可以调整腹板错开(详图-8)。图-8 腹板错开时之调整方式2.8 钢构厂假安装钢构厂假安装之目的并不是要确认节块端口之相配度、而是为了检查制作预拱和各Panel、各构件间之相配度、因此以各个单一节块为单位进行。钢构厂假安装时有考虑纵向方向之坡度、并且以多数支撑点支撑下进行。考虑纵向方向之坡度的原因是因为此假安装以单一节块进行、检查后就需要拆除而不需要移动，考虑纵坡并不造成困难。拆除前各构件间需要划十字对准记号、使在工地组装工场组合时、更容易重现节块组合精度。2.9 涂装要领本工程之涂装系统、外露面使用氟素涂10、料、箱梁内面使用变性环氧树脂涂料。钢构厂之涂装要领为箱梁内面完成至最后一层涂装、外露面则于钢构厂完成至第四层涂装后搬运至工地组装工场。但是下翼板内面因为考虑最终层涂装可能会因工地组装工场之组合、焊接作业而受损、因此于钢构厂只执行至第二层涂装。3. 工地组装工场3.1 工地组装工场之制作流程于钢构厂制作并涂漆后之构件运输至架设工地后、以下述流程图之顺序进行节块制作(详图-9)。图-9 工地组装工场作业流程图组 合使用2台门型吊车将由拖车搬运至工地之构件组合在组合台车上。移 动移动组合完毕后之节块至焊接准备区。错开调整调整并确认工地组装工场焊接接头之开槽状态在容许误差内。移 动移动节块至焊接区。焊11、 接焊接节块依照焊接施工计划及WPT报告。移 动移动节块至下一个工作区。涂 装进行工地组装工场焊接部之补漆、完成内面及外面面漆。试 拼 装确认高程及两节块接头端口之相接配合度。架 设架设节块。3.2 工地组装工场简介本工程因为受地理条件之拘束、无法如第二Bosporus桥(土耳其)或青马大桥（香港）等一样拥有广大组装场地。节块之组合、焊接、涂装和假安装如附图所示之配置位置进行（图-10）。结果场地不足并没有影响到节块组合、焊接、涂装和假安装等作业。图-10 工地组装工场平面图从附图也可看出、钢梁制作和桥塔施工同时进行。并且假安装在桥塔直下进行、特别需要注意防止坠落物事故。组合台车起初只有4台、12、但因现场工程有微许延误以及为了保持其库存以便供应架设需要、故于途中将台车增加成6台。同时台车轨道也因此向河川方向延长20m以上、使得假安装时节块移动无障碍。3.3 组装作业于工地之节块组装作业以与钢构厂假安装时同样之顺序、将运至工地之构件在移动式组合台车上进行组装。因为需在移动台车上进行组装、为考虑移动时之安全、于组装时故不考虑其纵向坡度、而已水平方式组装。因构件最大重量约为40 ton、于组装前并以先决定使用2台25ton之门型吊车为组装机具。其结果、使组装场之作业效率成效更加突显。3.4 焊接作业焊接方法如下述。桥面板以SAW执行单面单道里浪焊接(添加Cut-Wire)下翼板，横隔板以CO13、2半自动焊接执行单面里浪焊接。背垫板是使用陶瓷等Soft Backing型式、针对于台湾可能购买之种类、经过实验依据其结果而选择。3.5 非破坏检查焊接工作完成后、依下述要领抽样执行非破坏检查。桥轴方向对接RT15%、PT5%桥轴直角方向对接RT30%、PT5%RT检查之结果、各接头之缺陷率大约在56%左右。3.6 涂装要领当初计划之涂装要领是需要在架设后进行2层涂装作业。但是实际施工时决定于工地组装工场焊接后就在地面上完成内外面最后层涂装。架设后再进行现场焊接部补漆。3.7 端口假安装为确认焊接后各节块之间、接头部位之配合性及制作预拱、每颗节块都与前后节块陆续执行端口假安装（n-1+n, n14、+n+1, n+1+n+2.）。如前述、因为受到场地之限制才使用此端口假安装方式。端口假安装因为是在组合台车上进行、因此未考虑纵向方向之坡度、而还是以水平方式进行。确认各两节块之制作预拱后、在节块接头部位之桥面板、下翼板及腹板落样300mm之对合线。各节块架设后以此对合线为基准、对合各节块之端口。架设后针对此300mm之对合线、需要将节块调整至2mm以内之精度。3.8 组合台车如前述、组合台车总共制作6台。组合台车需要支撑节块之自重并且移动、但是节块自重不是完全单独以组合台车支撑、而节块本身之形状需要由节块构件间之连接板（Erection Piece）维持。形成一个重迭梁的构造。台车之尺寸是经15、过考虑以节块之外腹板及各横隔板位置支撑节块载重后决定。宽21.8m长16m、主要以H-58230012/17及H-48230011/15构成。组合台车全体平面图如图-11所示。图-11组合台车平面图3.9 节块移动方法节块移动方法经过检讨使用绞车（Winch）、滚轴（Roller）等结果、为了要安全移动将近400ton之节块、同时考虑工地组装工场复杂之平面配置、决定使用钢滚轮（Steel Roller）配合推进专用油压千斤顶。(相片-1)相片-1 节块移动动力系统图推进专用油压千斤顶30tonST600mm2支/1台车钢滚轮（Steel Roller）200ton级6台/1台车4. 现场焊接416、.1 连接梁之现场焊接连接梁兼用为耐震栓、梁长40.49m、宽3.0m、梁深0.45m、最大板厚t=80mm、重量约160 ton。因为考虑运输等条件、连接梁分割为5个构件制作、中央部分3构件在工地组装工场焊接、与G1节块形成一体后一并架设。两端部分构件长度各为2.84m、架设时因为需要将此构件先推入桥塔、因此各别单独架设、待G1节块架设后、再与G1节块之接头焊接。构造上因需要在夹板部位焊接、因此采用如下图（图-12）之开槽形状。工地组装工场焊接接头现场焊接接头图-12 连接梁焊接接头开槽形状预热条件依照AWS条款150焊接材料AWSER70S-6本体材质ASTMA572Gr.50JISG3117、06SM520C Z35 非破坏检查因为连接梁焊接接头位于夹板部分、无法使用放射线透过试验(RT)、因此以超音波透过试验(UT)检查焊道之健全性。4.2 钢梁之现场焊接钢梁现场焊接如下述方法计划。钢桥面板SAW单面单道里浪焊接(添加Cut-Wire)下翼板、腹板CO2半自动单面里浪焊接U-RibCO2半自动单面里浪焊接（使用背垫板）根部间隙与工地组装工场同样、桥面板为5mm、下翼板和腹板为7mm。U-rib之焊接因为大部分都是立焊和仰焊、并且考虑根部间隙不容易控制所以决定取偏大之根部间隙（10mm）。桥面板焊接后来因为产生根部间隙不齐或太大之状况、因此改为CO2半自动焊接。当初计划时架设周期考18、虑为20天(净工期)、焊接作业占其中13天。但是实际施工时、为缩短工期将架设周期缩短为13天、焊接作业在8天内完成。 非破坏检查箱型钢梁现场焊接部分之非破坏检查以放射线透过试验(RT)及液渗检验法(PT)进行。其抽样率如下。桥轴直角方向RT60%、PT10%现场焊接之RT结果、各接头之缺陷率均在89%之间。5. 焊接收缩量之结果比较工地组装工场各节块焊接前及焊接后之尺寸、所得到之焊接收缩量如下。5.1 桥面板焊接收缩量G2G10节块之平均收缩量为14.76mm、为预测收缩量20mm(桥轴方向10线焊道)之75%左右。5.2 下翼板焊接收缩量G2G10节块之平均收缩量为15.36mm、为预测收缩19、量12mm(两外腹板间桥轴方向6线焊道、2mm/焊道)之125%左右。焊接方法不同是以上桥面板和下翼板焊接收缩量有差异之主要原因。焊接收缩量可以由下述之Spararagen程序、以各焊道之平均根部间隙计算。SP=0.18Aw/t+0.05dAw=1/2（2ttan+d）（t+3）+dt）在此t:板厚（mm）d:根部间隙（mm）2:开槽角度Sp:收缩量（mm）Aw:溶填金属断面（mm2）由Spraragen程序所计算出之收缩量与实际收缩量比较时、算出之收缩量为33.5mm、比实际收缩量之1.5mm2.5mm大。其理由为因实际焊接时受到Erection Piece和其它拘束材固定、并且开槽精度等与计算假设不同、因此计算结果无法与实际结果一致。6. 结语经过制作并架设世界有数之斜张桥之全断面焊接箱型钢梁、基本上制作时之收缩量与假设之收缩量无太大差异。腹板也没有太大的段差、也不需要使用节块端部250mm未焊接部分作调整、各节块之端口尺寸均很好。今后预测全断面焊接构造应该会继续增加、希望经过此次的经验、下一次可以制作更好的产品。