CN113322816B - 一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法及装置，其中二个钢主梁位于顶板下方，每个钢主梁均设有二个塔梁结合端口，端口通过焊接与塔柱连接，每个塔柱之间点焊设有外花架，中央设有核心筒，其四个侧面通过内花架点焊对接于外花架之上，塔柱内腔设有剪力筒，剪力筒与塔柱内壁之间皆通过多个横臂进行点焊连接。利用塔柱内、外分别设置剪力筒、核心筒及内外花架等部件，形成塔柱内部框筒与外部框筒相互配合的复合框架‑筒体结构，以内、外剪力墙的刚性固定结构抵抗塔柱侧壁受到焊接应力所导致的剪力及剪力滞后效应所造成的扭曲，进而在全熔透焊接过程中保持塔柱形态的稳定性，而后通过超声时效完成应力消除作业，有效提高塔柱于钢梁上的安装位置精度。

Description

一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法及装置

技术领域

本发明属于桥梁制造技术领域，具体涉及一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法及装置。

背景技术

珠机城际HJZQ-1标金海特大桥横跨磨刀门水道，主桥为公路和铁路同层合建，桥跨布置为(58.5+116+3×340+116+58.5)m挑臂式钢箱梁斜拉桥。全长1371.8m，铁路布置在桥面中央，公路左右幅分别布置在铁路两侧，桥面总宽49.6m，底宽17.6m，主梁采用单箱三室截面，顶板横向设2％的“人”字横坡，底板水平，桥向±5‰纵坡。0’段钢主梁为塔梁固结段，上面有4个T0段塔柱需要与之进行匹配安装。塔柱的安装形态是关系到索塔、拉索及桥梁力学性能的重要指标，因此对其安装后的间隔距离、倾斜角度、位置精度及变形幅度均存在较高的要求。

然而，为确保足够的力学强度，塔柱与钢梁的对接需要对两者所有的接触部位进行满焊处理，因此也伴随着较大的焊接残余应力，如不施加有效的控制手段，必然会导致塔柱局部位置变形或开裂，降低承载性能。现有技术虽有同通过塔柱之间点焊花架的方式作为临时控制措施，但由于塔柱自身的空心箱体结构，焊后对其自身的筒壁依然会造成较大的应力变形；且因塔柱与花架整体的整体组成框架结构，由一端塔柱所产生的焊接变形通过花架传递至相邻塔柱时，由于剪力滞后效应还会造成相邻塔柱的不正常扭曲，影响后序对接索塔的匹配形态。因此，需要一种新的技术方案加以解决。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法及装置，用以有效提高塔柱于钢梁上的安装位置精度、控制焊接变形并以此确保与桥梁索塔的匹配形态。

本发明通过以下技术方案实施：一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法，包括以下步骤：

S1：在完成钢箱梁整体组装作业后，根据钢梁整节段的端口在顶板上建立XY坐标系，将四段塔柱放置于钢梁的四个斜坡端口之上，根据塔柱纵边所对应的X坐标对其进行横向调整，根据塔柱横边所对应的Y坐标对其进行纵向调整，直至X、Y坐标达到理论值后对所有塔柱进行点焊临时固定，确保临时点焊后的塔柱倾斜角度误差为±20′；

S2：在每个塔柱之间通过点焊方式固定一个外花架，花架呈焊接钢结构件，其端头处至少有四个触头与塔柱形成接触；而后，在XY坐标系的原点处放置一个核心筒，核心筒的四个侧面分别通过一个内花架与对应的外花架点焊连接；确保此步骤点焊的焊点间距位于25～50mm区间，使塔柱、外花架、内花架、剪力柱共同组成一个框架-筒体结构；

S3：在核心筒边角与钢梁的端口边角之间通过点焊方式固定一个定位架，四个边角的定位架两端的直角内槽分别与端口边角、核心筒边角匹配对接；

S4：在每个塔柱内部通过点焊方式固定一个剪力筒，在剪力筒四个侧壁与塔柱四个内壁之间分别点焊安装多个横臂，确保此步骤点焊的焊点间距位于25～50mm区间，使塔柱、横臂、剪力筒共同组成一个框架-筒体结构；

S5：经步骤S2～S4作业，塔柱之间的外框筒结构及塔柱内部的内框筒结构共同组成一个复合框筒结构，此时对钢梁端口与塔柱下端口对接部位进行全熔透焊接处理，期间保持复合框筒结构的完整性，利用核心筒、剪力筒所等效的剪力墙结构为塔柱提供抗侧移刚度的刚性固定，以此抑制全焊所带来的应力变形及预应力传导所导致的剪力滞后效应；

S6：使用超声冲击装置对塔柱、端口对接处的全熔透焊缝进行超声冲击去应力作业，确保冲击头频率为2KHz，允许误差±0.1KHz，并以其冲击方向对准焊缝的同时垂直于塔柱侧面，期间保持复合框筒结构不被拆除以提供振动状态下的剪力支撑，以此消除焊缝区的有害压应力并在保持塔柱形态不变的同时引进有益压应力，完成对全熔透焊接残余应力的超声时效处理；

S7：经步骤S6超声时效处理后，令整体设施静置15日以上，而后磨去临时点焊的焊接点，卸下定位架、外花架、内花架、核心筒所组成的焊件并入库(下批作业使用)，而后卸下剪力筒与多个横臂所组成的焊件并入库(下批作业使用)，完成四个塔柱的安装定位作业。

进一步的，所述步骤S5中对所述塔柱实施全熔透焊接时，焊接电流为180A～220A，电压为25V～28V，频率50～60Hz，焊速为30cm/min～35cm/min。

进一步的，所述步骤S5中对所述塔柱实施全熔透焊接时，采用间隔距离5～20mm的跳焊处理。

进一步的，所述步骤S5中对所述塔柱实施全熔透焊接时，确保焊接公差符合GB/T19804-B要求。

进一步的，本发明还提供了一种关于多接口梁塔匹配精度控制装置：包括二个钢梁、顶板、四个塔柱、四个外花架、核心筒、四个内花架、四个剪力筒、多个横臂、四个定位架。其中，所述钢梁、所述顶板为拉索桥钢箱梁的一部分，二个钢梁位于顶板下方，每个钢梁的梁身上均设有二个端口并朝上贯穿顶板形成凸台；每个所述端口的端面均呈斜面，并通过焊接方式贴合设有所述塔柱，使四个塔柱呈四角分布；每个塔柱之间皆通过点焊方式设有一个所述外花架；四个塔柱中央设有所述核心筒，核心筒呈中空方形梁结构，其四个侧面分别通过一个所述内花架点焊对接于正对的外花架之上；每个塔柱内腔中部均点焊设有一个所述剪力筒，剪力筒四个侧边与其正对的塔柱内壁之间皆通过多个所述横臂进行点焊连接。

进一步的，所述外花架、所述内花架均为长方形桁架焊接构件，并以其端部的四个触头贴附于塔柱之上，每个二个横向相邻的所述触头之间的间距为X，同时触头所安装的塔柱侧面宽度为L，通过设计触头间距使X:L＝0.58～0.64。

进一步的，所述横臂以两个为一对设于所述剪力筒外壁与所述塔柱内壁之间，剪力筒的每一个侧面均设有至少二对横臂，每个二个横向相邻的横臂之间的间距为X`，同时横臂所安装的塔柱侧面宽度为L`，通过设计横臂间距使X`:L`＝0.58～0.64。

本发明的有益效果是：

1.本发明先通过坐标轴定位安装，再利用塔柱内、外分别设置剪力筒、核心筒及内外花架等部件，形成塔柱内部框筒与外部框筒相互配合的复合框架-筒体结构，并由剪力筒、核心筒侧壁作为框筒系统的剪力墙，以内、外剪力墙的刚性固定有效抵抗塔柱侧壁受到焊接应力所导致的各方向的剪力及剪力滞后效应所造成的扭曲，进而在全熔透焊接过程中保持塔柱形态、间距、倾角的稳定性，而后在框筒刚性固定下依次通过超声时效、自然时效完成焊接残余应力的消除作业，整体过程借助临时点焊的内外框筒部件以控制各方向上的全焊及焊后变形，有效提高了塔柱于钢梁上的安装位置精度，保障桥梁索塔的安全使用。

2.本发明通过内、外花架触头间距及横臂间距的设置，使横向触头及横向横臂端头间距与塔柱板体宽度的比值接近于黄金分割比例，从而获得最佳的受力支撑位置，并以此将焊接残余应力向上传导所导致的扭曲变形控制到最小，进一步改善塔柱在焊接过程中的受力状况并缩小其侧壁扭曲程度，得到高质量的梁塔成品。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图4是本发明中花架触头间距示意图；

图3是本发明的成品示意图；

图5是本发明对比例一中塔柱侧壁的CAE受力分析图；

图6是本发明对比例二中塔柱侧壁的CAE受力分析图；

图7是本发明实施例二中塔柱侧壁的CAE受力分析图。

图中：1-钢梁，1a-端口，2-顶板，3-塔柱，4-外花架，4a-触头，5-核心筒，6-内花架，7-剪力筒，8-横臂，9-定位架。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。

实施例一

如图1-2所示，一种关于多接口梁塔匹配精度控制装置：包括二个钢梁1、顶板2、四个塔柱3、四个外花架4、核心筒5、四个内花架6、四个剪力筒7、多个横臂8、四个定位架9。其中，所述钢梁1、所述顶板2为拉索桥钢箱梁的一部分，二个钢梁1位于顶板2下方，每个钢梁1的梁身上均设有二个端口1a并朝上贯穿顶板2形成凸台；每个所述端口1a的端面均呈斜面，并通过焊接方式贴合设有所述塔柱3，使四个塔柱3呈四角分布；每个塔柱3之间皆通过点焊方式设有一个所述外花架4；四个塔柱3中央设有所述核心筒5，核心筒5呈中空方形梁结构，其四个侧面分别通过一个所述内花架6点焊对接于正对的外花架4之上；每个塔柱3内腔中部均点焊设有一个所述剪力筒7，剪力筒7四个侧边与其正对的塔柱3内壁之间皆通过多个所述横臂8进行点焊连接。

本实施例所提供的一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法包括以下步骤：

S1：在完成钢箱梁整体组装作业后，根据钢梁1整节段的端口1a在顶板2上建立XY坐标系，将四段塔柱3放置于钢梁1的四个斜坡端口1a之上，根据塔柱3纵边所对应的X坐标对其进行横向调整，根据塔柱3横边所对应的Y坐标对其进行纵向调整，直至X、Y坐标达到理论值后对所有塔柱3进行点焊临时固定，确保临时点焊后的塔柱3倾斜角度误差为±20′；

S2：在每个塔柱3之间通过点焊方式固定一个外花架4，花架呈焊接钢结构件，其端头处至少有四个触头4a与塔柱3形成接触；而后，在XY坐标系的原点处放置一个核心筒5，核心筒5的四个侧面分别通过一个内花架6与对应的外花架4点焊连接；确保此步骤点焊的焊点间距为30mm，使塔柱3、外花架4、内花架6、剪力柱共同组成一个框架-筒体结构；

S3：在核心筒5边角与钢梁1的端口1a边角之间通过点焊方式固定一个定位架9，四个边角的定位架9两端的直角内槽分别与端口1a边角、核心筒5边角匹配对接；

S4：在每个塔柱3内部通过点焊方式固定一个剪力筒7，在剪力筒7四个侧壁与塔柱3四个内壁之间分别点焊安装至少四个横臂8，确保此步骤点焊的焊点间距为30mm，使塔柱3、横臂8、剪力筒7共同组成一个框架-筒体结构；

S5：经步骤S2～S4作业，塔柱3之间的外框筒结构及塔柱3内部的内框筒结构共同组成一个复合框筒结构，此时对钢梁1端口1a与塔柱3下端口1a对接部位进行全熔透焊接处理，焊接电流为180A，电压为25V，频率50Hz，焊速为30cm/min，并采用间隔距离10mm的跳焊处理，同时检查部件位置确保焊接公差符合GB/T19804-B要求；期间保持复合框筒结构的完整性，利用核心筒5、剪力筒7所等效的剪力墙结构为塔柱3提供抗侧移刚度的刚性固定，以此抑制全焊所带来的应力变形及预应力传导所导致的剪力滞后效应；

S6：使用超声冲击装置对塔柱3、端口1a对接处的全熔透焊缝进行超声冲击去应力作业，确保冲击头频率为2KHz，允许误差±0.1KHz，并以其冲击方向对准焊缝的同时垂直于塔柱3侧面，期间保持复合框筒结构不被拆除以提供振动状态下的剪力支撑，以此消除焊缝区的有害压应力并在保持塔柱3形态不变的同时引进有益压应力，完成对全熔透焊接残余应力的超声时效处理；

S7：经步骤S6超声时效处理后，令整体设施静置15日以上，而后磨去临时点焊的焊接点，卸下定位架9、外花架4、内花架6、核心筒5所组成的焊件并入库(下批作业使用)，而后卸下剪力筒7与多个横臂8所组成的焊件并入库(下批作业使用)，完成四个塔柱3的安装定位作业，得到如图3所示的定位形态。

对比例一

本对比例与实施例一的区别在于限定了触头4a的设计间距，使其小于塔柱3宽度的黄金分割比例。

如图4所示，外花架4、内花架6均为长方形桁架焊接构件，并以其端部的四个触头4a贴附于塔柱3之上，每个二个横向相邻的所述触头4a之间的间距为X，同时触头4a所安装的塔柱3侧面宽度为L，通过设计触头4a间距使X:L＝0.418。此外，每个二个横向相邻的横臂8之间的间距为X`，同时横臂8所安装的塔柱3侧面宽度为L`，通过设计横臂8间距使X`:L`＝0.418。

本对比例的触头4a位置设置通过solidworks simulation有限元仿真测试如图5所示：设定焊接应力变形传递至触头4a所处水平的塔柱3截面时，侧壁受到10000N的扭曲应力，塔柱3截面在二个触头4a固定下的最大变形量为2.485mm。

对比例二

本对比例与实施例一的区别在于限定了触头4a的设计间距，使其大于塔柱3宽度的黄金分割比例。

如图4所示，外花架4、内花架6均为长方形桁架焊接构件，并以其端部的四个触头4a贴附于塔柱3之上，每个二个横向相邻的所述触头4a之间的间距为X，同时触头4a所安装的塔柱3侧面宽度为L，通过设计触头4a间距使X:L＝0.818。此外，每个二个横向相邻的横臂8之间的间距为X`，同时横臂8所安装的塔柱3侧面宽度为L`，通过设计横臂8间距使X`:L`＝0.818。

本对比例的触头4a位置设置设置通过solidworks simulation有限元仿真测试如图6所示：设定焊接应力变形传递至触头4a所处水平的塔柱3截面时，侧壁受到10000N的扭曲应力，塔柱3截面在二个触头4a固定下的最大变形量为3.367mm。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于限定了触头4a的设计间距，使其接近于塔柱3宽度的黄金分割比例。

如图4所示，外花架4、内花架6均为长方形桁架焊接构件，并以其端部的四个触头4a贴附于塔柱3之上，每个二个横向相邻的所述触头4a之间的间距为X，同时触头4a所安装的塔柱3侧面宽度为L，通过设计触头4a间距使X:L＝0.618。此外，每个二个横向相邻的横臂8之间的间距为X`，同时横臂8所安装的塔柱3侧面宽度为L`，通过设计横臂8间距使X`:L`＝0.618。

本实施例的触头4a位置设置设置通过solidworks simulation有限元仿真测试如图7所示：设定焊接应力变形传递至触头4a所处水平的塔柱3截面时，侧壁受到10000N的扭曲应力，塔柱3截面在二个触头4a固定下的最大变形量为1.017mm。

得出最大变形量参照表如下：

例	X:L	扭曲应力(N)	最大变形量(mm)
				对比例一	0.418	10000	2.485
对比例二	0.818	10000	3.367
				实施例二	0.618	10000	1.017

经测试对比可得出，当X:L越接近黄金分割比例(0.618)，塔柱3侧壁在触头4a刚性固定下的变形量越小。当X:L设计为0.618，本实施例中塔柱3侧壁的抗变形能力相较于对比例一而言提高约2.4倍，相较于对比例二而言提高约3.3倍。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非作为本发明的限定范围，针对本领域内的普通技术人员，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在完成钢箱梁整体组装作业后，根据钢梁整节段的端口在顶板上建立XY坐标系，将四段塔柱放置于钢梁的四个斜坡端口之上，根据塔柱纵边所对应的X坐标对其进行横向调整，根据塔柱横边所对应的Y坐标对其进行纵向调整，直至X、Y坐标达到理论值后对所有塔柱进行点焊临时固定，确保临时点焊后的塔柱倾斜角度误差为±20′；

S2：在每个塔柱之间通过点焊方式固定一个外花架，花架呈焊接钢结构件，其端头处至少有四个触头与塔柱形成接触；而后，在XY坐标系的原点处放置一个核心筒，核心筒的四个侧面分别通过一个内花架与对应的外花架点焊连接；确保此步骤点焊的焊点间距位于25～50mm区间，使塔柱、外花架、内花架、剪力柱共同组成一个框架-筒体结构；

S3：在核心筒边角与钢梁的端口边角之间通过点焊方式固定一个定位架，四个边角的定位架两端的直角内槽分别与端口边角、核心筒边角匹配对接；

S4：在每个塔柱内部通过点焊方式固定一个剪力筒，在剪力筒四个侧壁与塔柱四个内壁之间分别点焊安装多个横臂，确保此步骤点焊的焊点间距位于25～50mm区间，使塔柱、横臂、剪力筒共同组成一个框架-筒体结构；

S5：经步骤S2～S4作业，塔柱之间的外框筒结构及塔柱内部的内框筒结构共同组成一个复合框筒结构，此时对钢梁端口与塔柱下端口对接部位进行全熔透焊接处理，期间保持复合框筒结构的完整性，利用核心筒、剪力筒所等效的剪力墙结构为塔柱提供抗侧移刚度的刚性固定，以此抑制全焊所带来的应力变形及预应力传导所导致的剪力滞后效应；

S6：使用超声冲击装置对塔柱、端口对接处的全熔透焊缝进行超声冲击去应力作业，确保冲击头频率为2KHz，允许误差±0.1KHz，并以其冲击方向对准焊缝的同时垂直于塔柱侧面，期间保持复合框筒结构不被拆除以提供振动状态下的剪力支撑，以此消除焊缝区的有害压应力并在保持塔柱形态不变的同时引进有益压应力，完成对全熔透焊接残余应力的超声时效处理；

S7：经步骤S6超声时效处理后，令整体设施静置15日以上，而后磨去临时点焊的焊接点，卸下定位架、外花架、内花架、核心筒所组成的焊件并入库作为下批作业使用，而后卸下剪力筒与多个横臂所组成的焊件并入库作为下批作业使用，完成四个塔柱的安装定位作业。

2.如权利要求1所述的一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法，其特征在于，所述步骤S5中对所述塔柱实施全熔透焊接时，焊接电流为180A～220A，电压为25V～28V，频率50～60Hz，焊速为30cm/min～35cm/min。

3.如权利要求1所述的一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法，其特征在于，所述步骤S5中对所述塔柱实施全熔透焊接时，采用间隔距离5～20mm的跳焊处理。

4.如权利要求1所述的一种关于多接口梁塔匹配精度控制方法，其特征在于，所述步骤S5中对所述塔柱实施全熔透焊接时，确保焊接公差符合GB/T19804-B要求。

5.一种关于多接口梁塔匹配精度控制装置，其特征在于，包括二个钢梁、顶板、四个塔柱、四个外花架、核心筒、四个内花架、四个剪力筒、多个横臂、四个定位架，其中，所述钢梁、所述顶板为拉索桥钢箱梁的一部分，二个钢梁位于顶板下方，每个钢梁均设有二个端口并朝上贯穿顶板形成凸台，每个所述端口的端面均呈斜面，并通过焊接方式贴合设有所述塔柱，使四个塔柱呈四角分布，每个塔柱之间皆通过点焊方式设有一个所述外花架，四个塔柱中央设有所述核心筒，核心筒呈中空方形梁结构，其四个侧面分别通过一个所述内花架点焊对接于正对的外花架之上，每个塔柱内腔中部均点焊设有一个所述剪力筒，剪力筒四个侧边与其正对的塔柱内壁之间皆通过多个所述横臂进行点焊连接，所述外花架、所述内花架均为长方形桁架焊接构件，并以其端部的四个触头贴附于塔柱之上，每个二个横向相邻的所述触头之间的间距为X，同时触头所安装的塔柱侧面宽度为L，通过设计触头间距使X:L＝0.58～0.64，所述横臂以两个为一对设于所述剪力筒外壁与所述塔柱内壁之间，剪力筒的每一个侧面均设有至少二对横臂，每个二个横向相邻的横臂之间的间距为X`，同时横臂所安装的塔柱侧面宽度为L`，通过设计横臂间距使X`:L`＝0.58～0.64。

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