整体节点论文（精选4篇）
整体节点论文 篇1
0 引言
钢桁架整体节点利用焊接一改从前利用大量螺栓连接钢梁的做法, 使钢梁加工实现了工厂化, 现场拼装经济、简单, 节省了现场的作业空间, 使工地环境得到了改善, 因此这种钢梁结构和加工方法在桥梁施工领域广受好评。桥梁结构由许多个功能各异的节点构成, 大部分节点都是焊接在一起, 连接处有焊缝, 应力分布不均衡, 整体构造十分复杂。但是对于整体节点的处理, 目前桥梁制造领域尚无合理合法的技术规范可供参考, 为了验证桥梁连接节点的合理性, 有必要深入研究钢桥整体节点结构, 掌握其应力分布特点, 以期形成一套能够控制节点整体质量的有效方案。
1 工程概况
上莘大桥是长兴县经四路南延工程上跨长兴港的一座南北向半穿式连续钢桁架桥, 全长224m, 其跨径布置为 (62+100+62) m。桥面宽30 m, 横断面布置为2×0.25 m (栏杆) +2×1.75 m (人行道) +2×3 m (非机动车道) +2×2 m (隔离带) +2×8 m (机动车道) 。图1 为大桥的主体结构。上莘大桥采用Q345q D级钢材拼桥体结构, 用M24 高强螺栓连接各构件, 桥体设计荷载为城-A级, 人群荷载按3.5k N/m2进行计算。
主桁采用无竖杆的华伦式三角形腹杆体系, 并采用刚性较大的整体节点主椼、下平纵联、横撑及桥门架为杆系结构, 采用组合式节点板作为支撑平台。主桁中心距为18.08m。两片桁架相距较远, 因而整座桥体全部设置双X形下平联。横撑、桥门架、上平联一律按设计图安装在桁架中墩相应的部位上。为了抵御横向风力, 同时防止弦杆变形产生内应力, 下平联的节点部位应该连接下弦杆。
由于结构与载荷的对称性, 本文只针对该桥梁应力分布最为复杂的下弦杆X7、上弦杆S7 节点进行分析, 各杆件编号如图2。
2 空间有限元分析计算模型[1~4]
计算模型采用ANSYS对整体节点进行局部应力分析。图3、图4 分别为下弦杆X7、上弦杆S7 节点的计算模型的边界及载荷条件。根据圣维南原理, 有限元分析会影响支承点和载荷分布, 导致其局部应力不均衡, 为了规避这一影响因素, 保证整体节点局部分析的准确性, 整体节点两端分别取大于500mm的弦杆与整体节点进行综合分析。用拼接钢板将整体节点和弦杆焊接起来, 再借助高强螺栓与腹杆连接。由于高强螺栓以摩擦传力进行联结, 因而在分析计算时计算模型按刚接形式进行模拟, 利用Midas/Civil有限元软件对加载桁架进行整体受力分析, 并得出在最不利工况下各截面上的轴力和弯矩。为了提高有限元模型分析结果的准确性, 将集中力及集中力偶转化成所需的应力荷载, 使之作用于对应的面上, 以降低某些单元在集中力的影响下出现应力奇异现象。
为了能够真实反映整体节点的局部受力状态, 计算模型按照整体节点及各杆件的实际尺寸进行建立, 并包含整体节点连接的各个杆件、隔板和加劲肋等构件。考虑到板厚效应, 拟用三维实体单元和四面体实体单元solid45 来模拟分析该计算模型。另外, 为了尽快得到更精准的分析结果, 在辅助的弦杆、腹杆上单元设置较稀疏的网格, 在目标节点各部位设置较密集的网格, 借助Refine细化危险的位置, 最终能得到一个更精准的分析结果。考虑到所加载荷均为平衡力系, 本文下弦杆X7 节点取约束支承处的所有节点的平动自由度作为几何边界条件, 而上弦杆S7 腹杆节点自由端中心部位全截面加固结约束。划分网格并加载后的模型如图5~6 所示。
3 节点应力计算与结果分析
从计算结果可以看出, 圆弧处、厚薄对接以及构件对接的位置存在局部应力集中的现象, 如应力集中点在节点两侧圆弧部位;其次在弦杆与下平板、内侧隔板和加劲肋与弦杆竖板等几个厚薄对接位置;腹杆与弦杆对接等位置均为应力集中点, 节点构造设计时需多加注意。下面对上述的应力集中点位置进行相应地分析。
3.1 节点两侧圆弧部位应力分析
根据分析结果得知, 圆弧处应力集中现象最严重, X7节点最大Von Mises等价应力为114MPa (如图7) , S7 节点最大Von Mises等价应力为94.2MPa (如图8) 。计算值偏大的原因可能是距离圆弧较近的贴角焊缝也存在应力集中的问题, 如果不及时补救, 就可能发展成微观裂缝, 高强钢材极易出现这一现象。为了结构稳定, 必须采取措施治理应力集中的问题。一般来讲, 我们主要通过有限元模型计算所得的最大轴向应力值 σxmax和弦杆设计应力值 σx0的比值 α 来判断是否存在应力集中的现象。关于单面突出的节点板的圆弧处应力集中现象, 西田正孝[5]等学者已通过光弹分析得到了准确的应力集中系数。如图9 所示, 利用光弹试验对两面突出部的板的盈利集中现象进行分析, 给该板施加拉应力, 得到图10 (a) 和 (b) 所示的该节点板在承受拉应力时所产生的应力集中系数kP及弯矩作用下的应力集中系数kM。如果是局部突出部的板, 施加拉应力, 所得到的应力集中系数则小于图10 所示的应力集中系数, 此时可从图11 查出其折减系数k。
于是, 节点圆弧段的最大应力值σmax可近似地按下式求出:
在上式中, P为作用于弦杆端部的轴向力, M为用于弦杆端部的弯矩。如果是桁架桥的二次应力较小, 第2 项就可忽略不计。
在结构模型计算过程中, 节点板应力集中的问题始终存在, 应该适当增加节点处弦杆的板厚, 同时在板的两个侧边分别设一坡口焊缝焊接起来, 或者在节点处设置弦杆工地接缝, 另一边设坡口焊缝, 这样也能调整节点板的厚度。通过焊接连接在一起的节点结构, 通常采用图12 中示出的三种方式。图12 (a) 是弦杆应力比较小、节点板材质强度比弦杆高、板厚也比弦杆大时所采用的二分法, 图12 (b) 及 (c) 是弦杆应力比较大, 节点板板厚及材质都不如弦杆时所采用的方法。但对图12 (b) 来说, 弦杆和节点板的结合部、特别是圆弧部应力集中的地方, 和焊缝收剧烈高温的热影响区想重合, 这是它的缺点。所以图12 (c) 是理想的连接方式。从分析结果来看, 假设翼缘到焊接部的距离为h, 令h≥250mm, 就能有效规避焊接热影响区与应力集中部重合的问题。公路桥梁规范规定:当受压弦杆的腹板和节点板采用整体连接构造时, 圆弧的半径rj不得小于腹板高度的1/5。危险点放大后应力分布云图如7 所示。
3.2 内侧节点板应力分析
由于在内侧节点板上焊接有平联节点板和横梁连接板, 以及节点板与腹杆连接处, 其应力分布十分复杂, 而且应力集中现象较严重的部位在平联节点板两端, 因此可能对整体节点的连接质量和稳定性造成威胁。根据图13 所示的内侧节点板应力分布情况不难看出, 内侧节点板下方是危险位置。除此以外, 横梁与内侧节点板连接处、节点板与腹杆连接处都存在不同程度的应力集中现象, 其最大Von Mises应力为151.0MPa。
该节点板剪应力分布自下而上逐渐增MX大, 而水平分布看上去像一个抛物线, 而且圆弧处的应力分布是反向的。图14 为剪应力分布情况。
Carter, Mc Calley, Wyly, Whitmore根据实验研究得出了关于节点板应力分布的结论:相当大的应力集中乃发生在腹杆端部的节点板截面内。根据图15可以看出, 这一部位的应力分布不均匀, 应力集中系数σmax/σ0≥2。由此, 我们可以自节点板斜边和腹板边的夹角∠ACD作分角线, 交断面AA于两E点 (如图16所示) , 将EE视为有效宽, 并设在此有效宽范围内应力均匀分布, 就能通过计算得到腹杆连接锚拴群的顶端DD处的最大应力值 σmax=P/Bet。
这种应力集中现象一般会导致屈服现象提前发生, 或者造成疲劳破坏、脆性破坏等不良后果。局部屈服对承载力的影响程度基本可以忽略不计。但是如果焊缝处出现应力集中, 就有可能导致脆性破坏。为避免出现不良后果, 在结构设计上, 应该让这个应力区远离焊缝。另外, 应力集中所引起的疲劳破坏对整体借点来说十分不利, 应该尽力避免这个问题。
3.3 等宽不等厚对接部位的应力分析
在薄板与厚板对接部位都存在应力集中现象, 由于篇幅原因, 在此仅给出构造复杂、应力分布不规则的上 (下) 平板与隔板的应力分布图。如图17~18 所示, X7 节点其最大Von Mises应力为151.0 MPa, S7 节点其最大Von Mises应力为84.5MPa。
4 结论
本章通过对上莘大桥对整体节点的局部应力分析, 初步掌握了整体节点的应力分布规律, 验证了结构设计的可靠性, 主要结论如下:
①节点集中各种构造, 受力较为复杂。内侧节点板由于焊接有平联节点板和横梁连接板以及腹杆, 其应力分布较外侧节点板要复杂得多;平联节点板两端、对接焊缝、节点板两端圆弧过渡段及等宽不等厚对接部位是应力集中的主要部位, 设计、制造、使用过程中需要重点注意。
②在平联节点板两端采用圆弧过渡、焊后沿圆弧受力方向打磨匀顺并采用捶击可以有效降低该部位的应力集中, 可以提高其疲劳性能, 该部位从应力分布图可以看出有局部应力集中现象, 应予以重视。
③在节点板两端圆弧过渡处, 选择合适的圆弧半径并于焊后沿受力方向打磨, 可以减小其应力集中现象。
④不等厚对接焊缝处采用1:10 斜坡过渡, 焊后磨光, 接头能够有效降低接头处应力集中系数。
⑤节点板剪应力分布规律是:自下而上逐步增大, 剪应力较大的部位是节点板纵向对称线的上部附近。
综上所述, 整体节点结构受力较为复杂, 能够合理的处理构造细节, 并采用先进的焊接与制造工艺, 可以有效的提高其结构性能。
摘要：近几十年来, 随着钢桁架桥跨度的增大以及焊接技术的成熟, 整体节点开始在钢桁架桥中广泛应用。随着钢桁架桥的普及, 这类桥梁的整体节点分析逐渐成为了设计人员关心重视的问题。本文以上莘大桥为工程背景, 基于ANSYS有限元软件对该桥的整体节点应力进行了分析, 得出了在最不利工况下整体节点应力分布云图, 从而证明了整体节点构造设计的合理性, 并对整体节点性能给出总的评价。分析结果为今后钢桁架桥的研究与合理设计提供了相关的参考数据。
关键词：钢桁架桥,整体节点,有限元法,应力分析
参考文献
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[4]王荣辉, 蔡禄荣, 黄永辉, 陈孔亮.双层公路特大桥的模态参数识别及成桥模型分析[J].华南理工大学学报 (自然科学版) , 2011 (06) .
[5]小西一郎.钢桥[M].日本丸善株式会社, 1976.
整体节点论文 篇2
一、整体节点的概况
钢桁梁整体节点主要是指将节点板和弦杆进行焊接, 使二者成为一个整体, 此时的节点板属于弦杆的一部分。它具有一系列的优点, 具体表现在以下几方面:节点板位置的板厚度所有增加, 此时钢材界面的利用具有全面性;整体节点和杆件的连接方法为对拼, 此时降低了节点板的尺寸;在主桁后节点板处对拼着焊件的两端, 此时控制了杆件的用料长度, 进而提高了钢厂材料订制与运输的效果。
钢桁梁整体节点简化了钢梁工厂的制作, 在实际安装过程中, 具有一定的便捷性, 同时其经济性也相对较好。整体节点在节点外观、应力分布、焊接工艺要求、工地安装等各个环节优势均十分显著, 外观简洁;施工安装的工作量较少, 不仅保证了施工的速度, 还降低了施工的人工费用。再者, 整体节点的生产具有批量的特点, 不仅实现了钢材的高效利用, 还保证了自身的质量。
整体节点的结构主要有腹板、上平板、下平板、节点板与横梁连接板等, 通过焊接工艺使各个结构组成了一个整体。整体节点结构的特点主要有:节点板和弦杆通过焊接成为了一个整体;节点板和弦杆的焊接利用了众多的厚钢板, 此时的钢板在宽度方面相等;节点板和横梁连接板在焊接作用下构成了一个整体。整体节点的结构具有一定的复杂性, 其中的焊缝较多, 但焊接构件中的残余应力降低了结构的疲劳强度, 为了提高结构的疲劳强度, 使其适应施工的强度要求, 对其制作技术的要求不断提高。
二、整体节点制作技术的概况
1. 焊接技术
整体节点在焊接过程中, 主要的形式有棱角焊、对接焊与角接焊等, 通常情况下, 节点板和弦杆间的焊接形式主要为对接焊, 而节点板和水平板的焊接形式主要为角接焊、棱角焊;节点板、接头板、隔板和弦杆的焊接形式主要为手工焊。
整体节点所选用的厚板焊接, 不仅形式多样, 还拥有密集的焊缝与复杂的结构, 此时对于焊缝的强度、韧性的匹配与裂纹的预防等均有着较高的要求。在此情况下, 对于基材而言, 要具备一定的低温韧性与塑性, 同时对于焊接而言, 对其要求如下:其一, 对接焊缝与基材标准相比, 前者要保持高值, 但不能超过100MPa, 同时角接焊缝与基材标准相对, 前者要保持高值, 但不能超过120MPa;其二, 焊接接头要具备一定的韧性, 对接焊缝的冲击功要高于48J, 同时角接焊缝的冲击功要高于34J;其三, 焊缝延伸率与基材相比, 前者要保持高值。
2. 工艺难点
在简支钢桁梁中运用整体节点, 在制作过程中, 典型杆件的制作难度较大, 主要是由于此类杆件的厚板较厚、杆件的长度较长, 在厚板焊接过程中整体节点的结构具有一定的复杂性。焊接的坡口相对较深、焊缝众多, 并且呈交错分布, 在工作中, 焊接极易出现变形, 对其矫正不易完成。因此, 在整体节点焊接时, 对于杆件尺寸的精度有着较高的要求, 在此基础上, 焊接变形出现的几率将有所减少, 同时焊接质量也将有所保障。
整体节点中焊缝的关键内容为对接焊缝与熔透焊缝, 二者作为构件传力的核心内容, 直接影响着整体节点的焊接效果, 因此, 在桥梁建设中, 此部分为关注的重点, 同时也是工作的难点, 为了提高两种焊缝的焊接质量, 要注重焊接工艺的选择与应用。
整体节点的连接关系较为复杂, 其四面均有孔, 面对此情况, 要注重制孔与制孔基准的选择, 此时的精度对于桥梁建设的进度和质量均有着直接的影响, 特别是关系着桥的几何线型。在桥面板、节点板与主弦杆等方面均为熔透焊接, 此时要注重制孔的工艺顺序, 在保证准确的顺序基础上, 弦杆才能够具备一定的精度。
三、50m简支钢桁梁整体节点的制作技术
为了实现对整体节点性能的全面掌握, 本文以50m简支钢桁梁为例, 对其中的、质量控制、主要构件与典型杆件的制作技术进行了分析, 具体的内容如下:
1. 在质量控制方面
第一, 焊接变形。整体节点弦杆的特点为较大的厚板、较长的杆件与较高的焊接要求, 因此, 要对焊接变形进行控制, 以此保证杆件的精度, 具体的对策如下:首先, 对不同杆件的焊接变形情况有所掌握, 并进行变形的试验, 进而了解变形的大小, 在此基础上, 选用适合的反变形方法。其次, 利用理论与试验结合的手段, 通过计算明确焊接收缩量, 同时在实际施工中对其进行及时的改正。最后, 保证施工的高质量, 对各个环节的质量进行严格的控制, 不仅要确保焊接方法的科学性, 还有对焊接顺序进行调整与优化, 以此实现焊接变形的有效控制。
第二, 焊接质量。在焊接技术中较为重要的是关键焊缝的质量控制。具体的对策如下:通过试验, 对焊接技术进行分类, 并根据试验结果, 对焊接技术进行编制, 此时要保证编制的适合性。
第三, 制孔精度。制孔工艺要有效结合先孔法与后孔法, 遵循前者为辅, 后者为主的原则, 此时焊接变形的影响将得到控制, 制孔精度也会随之提高, 同时要保证划线工艺的精密性与制孔工艺装备的高精度。
2. 在主要构件方面
(1) 钢板
对于施工中所运用的钢板要进行详细的、全面的检查, 以此保证材料表面的质量。如果钢板的质量未能满足桥梁用钢的相关要求, 则要对其进行修补或者处理。在钢板的质量合格后, 对其进行滚平, 在此基础上, 钢板的平面度才能够满足钢桥制造的要求。
对于钢板的下料, 要结合其具体的形状与大小, 如果钢板的形状较为复杂, 则要利用数控切割机, 以此保证下料的准确性;如果钢板的形状为矩形, 则可以利用多嘴头门式切割机下料。
(2) 整体节点
本文选用了弦杆的整体节点进行研究, 其制作工艺主要有:对于零件的下料利用了数控火焰切割机, 此时下料的各个方向均预留了焊接收缩量, 在平台上对各个部分进行组装, 并进行焊接, 同时对变形情况进行及时的修整;在底板上划出不同的位置线, 再对杆件进行组装, 对于连接焊缝要利用半自动焊进行焊接, 同时借助自动焊对主焊缝进行焊接, 最后对弦杆进行制孔。
3. 在典型杆件方面
(1) 弦杆焊接
当对接焊缝为不等厚, 板材相对较薄时, 要利用对称带钝边坡口;如果板材相对较厚, 要利用不对称带钝边坡口, 在自动焊焊接方法运用后, 要对余高进行修磨。当组装过程中, 腹板与隔板间为槽形时, 要进行定位焊, 此后要对焊接隔板与角焊缝进行保护。当对弦杆底板进行组装时, 对于其中的棱角焊缝要利用自动焊焊接法;当组装上联结不同的零件时, 要利用熔透角焊缝的焊接技术。
(2) 腹杆焊接
对于腹杆的焊接, 在水平板方面的焊接方法为开坡口, 在竖版方面的焊接方法为不开坡口;在组装过程中, 对于槽形的焊接要利用气体对角焊缝进行保护;同时对于组装中的棱角焊缝要利用自动焊焊接的方法。
(3) 工字形杆件焊接
对于工字形杆件而言, 腹板和翼缘板二者间的焊缝要利用自动焊焊接法, 板筋和余件要选择定位焊, 并且要对焊缝进行保护。
(4) 桥位焊接
桥位焊接主要是指整体钢梁形成时所涉及的焊接作业, 此项工作是重要的, 它直接关系着桥梁的整体焊接效果。在实际工作中, 要明确桥位焊接的顺序, 如果顺序不正确, 则会出现附加应力与焊接残余应力。因此, 焊接开展时, 要根据相关的操作工艺, 确保焊接顺序与方向的准确性与合理性。
四、总结
整体节点论文 篇3
对于空间立体结构节点而言, 如何控制孔群间的相对位置是确保节点精度的关键, 近年来, 随着数控制孔设备的应用, 孔群间的精度得到保证, 特别是三维数控钻床及龙门钻床的应用, 解决了部分构件的空间制孔难题, 但依旧无法满足超大空间立体构件的制孔要求;本铁路钢桁梁超大立体构件制造为实例, 详细介绍 (利用侧面数控钻、专用孔群转换卡具、模具) 空间制孔施工工艺流程。
1 工艺特点
通过侧面数控钻床和模套的搭配应用, 成功克服了复杂大型节点工件孔群钻制精度控制的难题, 孔径、孔群及孔群间相对位置精度均达到设计规范要求。
(1) 灵活性:本工艺适用与大中型构件, 可根据构件孔群间的尺寸要求进行合理调节。
(2) 精确性:本工艺利用数控钻床及高精度模套有效控制了孔群及孔群间的精度。
(3) 可操作性:施工工艺相对简单, 不受空间结构尺寸限制。
2 适用范围
本工艺适用于复杂大型节点工件孔群钻制作业, 可用于建筑钢结构工程和公铁桥梁工程中的高层建筑、体育馆、展览馆、候车厅、飞机库、车间、栓焊结合桥梁等结构。
3 工艺原理
利用侧面数控钻及多种专用孔群转换卡具对孔群进行精确定位, 而后利用模具及小型空心钻进行制孔。
4 工艺流程及操作要点
4.1 工艺流程:
构件外形校正→模套及卡具制作→Ⅰ级基准孔钻制→Ⅱ级基准孔转换钻制→模套安装定位→孔群钻制→模套拆除→毛刺打磨。
4.2 操作要点
4.2.1 构件矫正
利用机械校正或火焰校正对构件的外形尺寸进行校正, 修正变形, 消除局部残余应力, 确保构件外观尺寸。
4.2.2 模套及卡具制作
模套由模板和钻套组成, 模板采用平面数控钻床进行加工确保孔群的制孔精度, 钻套由机床机械加工而成, 内孔孔径大于待加工孔径的0.1mm, 表面进行淬火处理, 使其具有耐磨性;采用机械将钻套镶嵌在模套上, 检查各孔间尺寸, 合格后点焊固定。根据构件相邻孔群间的几何尺寸, 制作相应的基准孔转换卡具, 卡具连接板上只钻制3-5个定位孔, 检查定位孔尺寸, 合格后点焊牢固, 根据形状不同, 卡具分平面、L型、U型及菱形卡具。
4.2.3 Ⅰ级基准孔钻制
利用侧面数控钻床以一个基准面上的一条基准线作为基准起点, 在构件上合理钻制Ⅰ级基准孔, 检查各孔间尺寸符合要求。
4.2.4 Ⅱ级基准孔转换钻制
Ⅰ级基准孔作为转换的定位孔, 利用转换卡具将相邻位置孔群的Ⅱ级基准孔位置给予确定, 检查合格后加固钻制。
4.2.5 模套安装定位
不同的孔群用对应的模套, 利用销钉将模套固定于定位孔上, 检查模套上的孔群定位轴线与构件上的定位线重合, 多面点焊固定。
4.2.6 孔群钻制
模套安装完成后, 采用轻型空心磁力钻对空间孔群进行钻制, 钻制过程可分立、平、仰等全方位进行, 孔群钻制时先中间后边沿有序交叉进行, 过程中需随时检查模板定位基准线是否发生位移, 钻头行程是否到位等情况, 及时清理残留物, 确保钻制的顺利进行。
5 材料机具
材料:钻头、切屑液、焊条等;
工具:模套、专用卡具;
设备:平面数控钻、侧面数控钻、打磨机、便携式空心钻机、焊机等。
6 质量控制
6.1 质量标准
施工质量执行标准《铁路钢桥制造规范》TB10212, 《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205。
6.2 质量控制要点
(1) 为提高复杂大型节点工件孔群钻制精度, 模套制作精度是控制重点之一, 模板的孔群必须采用平面数控钻进行加工, 以保证孔群间距及孔径的精度;钻套必须进行淬火处理, 从而保证其表面具有一定的硬度, 以免在钻孔过程中磨损过快, 影响制孔精度。如果模套制孔采用机械卡固, 模板的一侧应铣削花纹, 以免在钻制过程中模板产生滑动。
(2) 切削液不得采用清水代替, 必须按切削液的润滑和冷却的使用功能进行调制, 这样可以避免钻头很快磨损。
(3) 钻孔前及制孔过程中, 必须检查模板定位是否准确, 即使进行纠正。
(4) Ⅰ级、Ⅱ级基准孔钻制完成后, 须多方向多角度复核基准孔的位置, 以保证孔群间的相对位置, 确保螺栓安装的重合率。
(5) 利用空心钻进行全位置栓孔钻制时, 需保证钻头与待加工表面的垂直度, 同时保证钻头的有效行程, 防止斜孔、锥孔等缺陷的出现。
7 总结
本文以铁路钢桥超大空间异型多方向构件为实例, 详细介绍了构件校正、Ⅰ、Ⅱ级基准孔钻制转换, 模具制备, 空心钻制孔等工艺, 明确了工艺流程, 提出了质量控制点, 内容充实简洁;此工艺简单明了, 不受构件大小、场地空间的限制, 可操作性强, 具有很好的实践性, 模板、模块可周期性代替, 成本投入相对较小, 施工效率高;切实解决了超大空间多角度结构件孔群钻制难题, 提高了多方向制孔的精度, 具有很好的参考借鉴价值。
参考文献
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整体节点论文 篇4
纳界河大桥主桥为352 m上承式提篮钢桁拱, 引桥及拱上梁跨布置为3×24简支梁+1×32简支梁+2×48 T构+11×24.7钢混结合梁+2×48 T构+7×32简支梁, 全长810.10 m。拱轴线平面内为悬链线, 主桁矢高64.5 m, 主桁为N形架, 拱顶处拱肋立面投影桁高8.0 m、拱脚处桁高13.0 m, 节间水平投影长度8.233 3 m, 拱顶处主桁中心距8.0 m, 拱角处主桁中心距27.0 m, 拱肋内倾角8.378 67°, 主拱圈不设预拱度。全桥主要材质为Q370q E, Q345q E, 总重约8 000 t。图1为纳界河主桥桥形布置图。
本桥弦杆均采用整体节点形式, 是钢桁拱桥的主要受力构件, 同时也是连接腹杆、平联、横联、立柱等杆件的关键所在, 对桥位架设的精度起着至关重要的作用。以上弦杆A4A5为例进行重点介绍。
2 弦杆特点分析
大桥弦杆整体节点部位空间连接关系复杂, 承受的荷载集中, 且荷载较大。其结构示意图见图2。上弦杆A4A5长9.9 m、箱口断面为高×宽=1.2 m×1.6 m、节点部位断面为高×宽=3.0 m×2.8 m。上、下盖板厚28 mm, 腹板与节点板采用28 mm+36 mm, 平、横联接头与节点板整体焊接。其结构具有以下特点。
2.1 焊接要求高
杆件材质为Q370q E, 板厚种类多 (16 mm~36 mm) , 焊接接头形式多种多样。其中包括盖腹板28 mm+28 mm的单V棱角焊, 腹板与节点板28 mm+36 mm的不等厚对接, 节点板与立柱腹板36 mm+24 mm的熔透焊缝, 平联接头板与节点板16 mm+36 mm的熔透焊缝, 各种板厚之间的角焊缝。各种焊缝密集、坡口及熔透焊缝多、焊接工作量大等为焊接质量控制提出了更高的要求。
2.2 各构件之间空间关系复杂
拱轴线为悬链线, 弦杆主体在节点中心位置变坡, 即两端箱体主轴线存在δ角;拱轴内倾8.378 67°, 引起平联接头盖板撑杆连接部位与斜杆连接部位存在弯折夹角δ/2, 平联接头主体围绕节点中心X, Y, Z方向均存在空间夹角α, β, γ;平联接头示意图见图3。横联接头板围绕节点中心X, Y方向存在空间夹角α1, β1。横联接头示意图见图4。
2.3 空间连接关系复杂、几何精度要求高
上弦杆A4A5与两侧的相邻弦杆及上部的拱上立柱对拼式连接、下部与斜腹杆及竖杆插入式连接, 通过连接接头与平联撑杆对拼式连接、与平联斜杆及横联插入式连接, 共计8个方向的连接关系。且各个接口均通过高强度螺栓连接, 连接关系复杂、制孔精度要求高。
3 难点分析
3.1 焊接变形控制
本杆件板厚种类多、焊接形式多种多样, 尤其是箱体主棱角焊缝、平联接头板的熔透焊缝, 对杆件的质量控制尤为关键。同时, 焊接变形的控制对杆件各空间关系起到了至关重要的作用, 必须作为重点控制对象。
3.2 箱体的整体几何尺寸控制
箱体各连接接口的控制是杆件之间连接的重要项点, 弦杆的整体质量受各个零件角度关系、几何尺寸、平面度、扭曲等项点相互影响。确保弦杆自身的折角, 尤其是平横联接头的空间角度关系是本项目制造的最大难点。
3.3 孔群连接精度控制
弦杆空间8个方向均通过高强度螺栓连接, 且杆件之间对拼式连接与插入式连接互相交错, 连接关系极为复杂。制孔精度的控制是桥位顺利安装的关键, 同时也是大桥安装精度控制的关键, 必须作为本项目的重中之重进行保证。
4 工艺措施
4.1 总体方案
经对弦杆自身特点的认真分析和多种方案的比对研究, 本着“化整为零、逐步消化”的原则, 确定弦杆的整体制作思路为:零件→单元件→槽型→箱体→一次焊接→各种接头组装→二次焊接→成品。对杆件的制造过程进行逐一分级分步控制, 确保杆件的几何尺寸满足验收规范要求。同时对弦杆制孔采用“后孔法为主、先孔法为辅”的制孔工艺, 确保各孔群连接精度满足规范要求。
4.2 组装工艺
弦杆的整体制作按照“箱体组焊→平联接头组焊→横联接头组焊”三步骤的工艺执行。
4.2.1 箱体组装
由于弦杆上下盖板均嵌入于腹板内侧, 加之, 上下盖板在节点中心位置折弯, 全桥杆件折弯高度不一, 采用传统的正装或倒装工艺, 很难实现对弦杆箱体整体拼装的精度控制。因此, 根据本桥特点采用工艺为:1) 以一侧腹板单元为基准定位于平台上;2) 划出隔板组装位置线拼装隔板;3) 组装上盖板 (下盖板) , 并与隔板密切、与腹板外露边缘对齐;4) 组装另一侧腹板, 90°翻身使槽型正立, 焊接箱内隔板的角焊缝;5) 组装下盖板 (上盖板) ;6) 焊接四条主角焊缝;7) 拼装并焊接立柱接头的腹板, 完成箱体的制作。
4.2.2 平联接头的定位组装
平联接头与箱体节点中心X, Y, Z方向均存在空间夹角α, β, γ (见图3) , 其空间位置的精度控制是杆件制作的重中之重, 是影响桥位能否顺利架设和保证线形的关键。
执行工艺:1) 将平联接头的工型结构在平台上进行精确组焊, 确保与节点板焊接侧的拼装精度及工型盖板的弯折角度满足要求;2) 利用箱体修正后的纵横基线为基准, 并配以经纬仪划工型盖腹板在节点板上的组装位置线;3) 按线粗定位组装接头;4) 经纬仪、水准仪配合精确调整工型腹板关键点的空间角度, 实现精确定位;5) 按工艺焊接、探伤、修整。
平联接头相对于杆件节点中心为三维空间结构, 通过CAD软件绘图寻找关键点定位坐标困难, 且复杂的空间关系转换容易出错, 精度取舍对最终的结果影响大。因此, 为保证空间关系的准确性, 采用数学分析的方式进行精确控制。1) 以平联接头自身建立空间坐标系O'X'Y'Z' (见图5) , 并记录坐标系下盖腹板关键点a, b, c, d的坐标值Ti'=[Xi', Yi', Zi'];2) 将图5中节点中心O'平移至图3节点中心O, 对接头整体绕X, Y, Z轴分别进行旋转α, β, γ角, 并计算出OXYZ坐标系下关键点a, b, c, d坐标值Ti=[Xi, Yi, Zi];3) 以计算结果作为接头划线组装的基准。
坐标转换公式:
4.2.3 横联接头的定位组装
横联接头的组装与平联接头基本一致, 通过坐标之间转换寻找划线尺寸进行粗定位, 辅以已钻制平联节点板上的孔群为基准精定位。横联接头组装时通过辅助工装将其临时连接为工型结构, 以确保两接头板孔群的相对关系准确。
4.3 焊接工艺
1) 盖腹板四条棱角焊缝采用埋弧自动焊在平位进行焊接, 焊接前端部安装引弧、熄弧板。焊接过程中随时调整焊丝的对正, 以免焊偏。严格控制四条焊缝的焊接方向一致, 以防工件产生扭曲变形。杆件端部采用一定的工艺措施控制箱口的焊接变形, 确保箱口尺寸满足要求。
2) 隔板与下盖板、腹板单元的焊接采用CO2气体保护焊, 立位焊缝从下向上施焊。
3) 平联接头盖板的T形熔透焊缝采用药芯焊丝CO2气体保护焊进行焊接。焊缝开双面K形坡口, 根据要求先焊接较大坡口的一侧, 再碳弧气刨清根、打磨后进行两面对称交替焊接, 减少焊接变形。
4.4 制孔工艺
弦杆制孔采用“后孔法为主、先孔法为辅”的工艺。箱体孔群及平联接头板孔群采用后孔法, 横联接头孔群采用先孔法。
弦杆的制孔分为两步进行:
1) 箱体整体钻孔:在未装平横联接头板之前, 箱体整体焊接修整之后, 通过经纬仪在划线平台上精确划出箱体弦杆接口、立柱接头、腹杆连接部位的钻孔对向线及平横联接头的组装位置线, 采用摇臂钻卡样板钻孔。
2) 平联接头钻孔:平联接头焊接修整完成后, 通过已钻孔箱体的纵横基线为基准, 辅以经纬仪划出连接孔群的钻孔对向线, 采用磁力钻卡样板钻孔。为保证孔群空间关系的准确度, 采用4.2.2中确定平联接头组装线的方法进行计算关键点的坐标, 通过关键点a, b, c, d距杆件纵横基线的距离进行划线, 见图6。
5 结语
通过对整体节点弦杆制造工艺的详细研究, 根据车间实际生产杆件的检测、主桁及平联试装的检测以及桥位架设精度的监控结果, 该桥弦杆的制造精度满足《林织铁路纳界河特大桥钢桁拱制造规则》的要求。其制造工艺合理、可行, 达到了预期的效果, 为后续同类型钢结构的制造提供了参考。
摘要：针对上承式提篮拱桥整体节点的特点, 以纳界河大桥整体节点弦杆为例, 简要介绍了复杂空间整体节点弦杆的制造工艺、焊接工艺及制孔工艺, 通过杆件的试装及桥位架设精度的检测验证, 成功解决了复杂空间整体节点制造精度及空间孔群连接精度控制的难题, 取得了良好的效果。
关键词：整体节点弦杆,平联接头,焊接变形,孔群连接精度
参考文献
[1]TB 10212-2009, 铁路钢桥制造规范[S].