我国钢桥制造的发展

3.2 日本钢桥制造发展概况
这里，借用日本钢桥制造的发展历程，来看看他们是如何解决需求与产能、人力资源缺乏等矛 盾的。 图2为日本钢桥年产量的变化。从二战后50年代经济恢复期的年产量10几万吨，经历了经济快 速和高速增长期，到90年代年产量达90万吨，到21世纪初随着需求的减少，回落到60万吨。最 初，也是由少数几家专业厂制造钢桥，随着钢桥产量需求的增加，一些钢结构和造船厂参与制造 钢桥，最多达30余家，但仍然感到人力资源缺乏，生产效率低，不能适应产量增长的需求。因 此，除了引入社会上的先进技术、工艺和设备（NC切割机、NC制孔机、焊接机器人等），推进作 业流程化、自动化、NC化和加工精细化外，在上世纪70年代，由16家厂商（后逐渐增多）联合开 发钢桥制造计算机信息处理系统，即把钢桥制造全过程（从设计图纸转换直到制成构件后的预拼 装）作成一个统一的计算机处理系统。从而，400～500人的制造厂年产量可达10万吨以上，大大 节省了人员，提高了生产效率和产品质量的稳定性，降低了材料的消耗和成本。至今，该系统仍 在不断补充和完善，以便使各项工艺更加先进、合理和规范，并使系统功能不断扩充和完备。
（2）NC 切割下料、开坡口、NC 制孔 ① NC 切割下料 选定数据库资料，计算后输出板件下料图并与 NC 切割机连动直接进行下料切割作业。下料 尺寸按下式计算：
ac = a s + a f + a w + am
式中： ac ---下料尺寸， as ---设计尺寸， a f ---焰切下料熔口宽度， aw ---焊接收缩量（纵向收缩、 横向收缩） a m ---机械切削量。 ， ② NC 切割坡口 根据设计接头类型，选定坡口形式和尺寸，与 NC 切割机连动，NC 精密焰切坡口。 ③ NC 制孔 根据设计栓孔线，数字化后直接输入 NC 钻孔机制孔。考虑对几何精度的影响，分为先制孔 （在板件上制孔）和后制孔（在构件上制孔或在构件间拼接板上制孔等） 。
图片4 贵州北盘江大桥
① 杆系结构是指工字形的板梁桥和由H形断面和口字形断面等构件组成 的桁梁桥。通常工厂用焊接制成构件，工地用高强度螺栓连成整体结构。桥 梁几何线形主要由栓孔尺寸线控制。 ② 板系结构是指由带纵横加劲肋的板单元件组成的箱梁，如连续箱梁、 悬索桥和斜拉桥的箱梁。通常在工厂焊接成带肋的板单元件，运至桥位附近 组装成箱梁节段，再运至桥位吊装连成桥梁整体。桥梁几何线形受组装精度 和焊接变形影响较大。 ③ 管系结构是指钢管拱桥。通常在工厂制成管状拱肋节段。现场悬臂安 装，跨中合龙；或者桥位岸侧拼装成半跨，转体就位、跨中合龙。拱轴线形 受拱肋制造精度和焊接变形的影响。 本节就这些结构的制造现状作一概要介绍。
4.1 钢桥制造计算机信息处理系统的构成
图 3 为钢桥制造全过程计算机信息处理作业系统。 该系统包括钢桥制造所有程序并用计算机连续处理，具体如下： （1）设计图转换成制造图 ①输入桥梁结构整体线形各节点的 3-D 座标，预拱度值，各主构件、辅构件（指横隔板、横 梁、平纵联接系，横向连接系等，及其拼接板或连接板的材质、断面尺寸、板厚及长度。各部件 的配置图（栓孔线、焊接线等） 。 ②输入有关数据库资料 输入有关制造标准（精度误差） ，设计要求（预拱度等） ； 建立工艺性资料，如焰切熔口宽度，不同状态下的焊接收缩变形量（纵向收缩、横 向收缩、角变形、纵向弯曲变形等） 。 ③通过计算，输出材料料单、板件图、构件组装图、结构预拼装图，并进行校核。
我国钢桥制造业的发展之路 ―钢桥制造计算机信息处理系统
史永吉 铁道科学研究院
内
1.前言 2. 我国钢桥制造现状
2.1 钢桁梁的制造 2 .2 钢箱梁的制造 2.3 钢塔制造 2.4 钢管拱的制造 2.5桥梁制造工艺的进步
容Hale Waihona Puke 3.2日本钢桥制造发展概况 3.3思考
4. 钢桥制造信息处理系统简介
4.1 钢桥制造计算机信息 处理系统的构成 4.2 钢桥制造传统作业与信息 处理系统作业的比较
3. 钢桥年产量增长引发的问题及思考 3.1 我国钢桥年产量增长及生产能力
据估测，从上世纪50年代至80年代末，由于钢材供应及经济能力 所限，我国钢桥年产量在几万吨徘徊，主要用于铁路桥，包括新建桥 和旧桥更换。90年代以后，随着高速公路和城市交通的发展，大跨度 悬索桥、斜拉桥、拱桥和城市组合结构桥梁骤增，钢桥年产量快速递 增，90年代末约30万吨，2005年约40～50万吨，若计及深水基础的钢 结构（钢管桩等），钢桥年产量约达60～70万吨。从今后桥梁发展来 看，钢桥年产量仍然继续快速上升。 随着钢桥需求的不断增加，钢桥制造厂也由最初的2～3家增至20 余家。然而，在传统的钢桥制造技术的基础上，生产能力受到很大制 约。虽然少数几家大型钢桥制造厂的年产量已达5～8万吨，而人员投 入较多，技术管理人员约200～400人，技术工人员约600～1000人，即 使如此，仍要雇用大约相当于本厂人数一半的社会技工直接参与钢桥 制造，才能完成上述产量。 这不仅暴露出需求和产能的矛盾，技术人员和技工的不足，甚至 影响了钢桥的制造质量。
2. 我国钢桥制造现状
钢桥制造是把整体结构拆散成板件，再渐次组装连接成构件、节段、 直至整体。从制造角度看，根据钢桥结构形体和构造的不同，可区分为杆 系结构、板系结构和管系结构。它们在单元体的划分、下料切割、构件或 节段的组装和焊接、连接成桥梁整体等方面有很大的不同。 以下是这三种结构体系桥梁的代表实例，见图片1、2、3、4，分别为 芜湖长江大桥（公铁两用矮塔斜拉桥），主桥跨长180m+312m+180m；正 在施工的苏通长江大桥（公路斜拉桥），主桥跨长2X100m＋300m＋ 1088m+300m＋2X100m；南京长江三桥（公路斜拉桥），主桥跨长63m ＋257m＋648m+257m＋63m，钢塔钢箱梁；贵州北盘江大桥（铁路钢管 混凝土拱桥），主跨236m。
4. 钢桥制造信息处理系统简介
由于钢桥结构形式的多样化，即使结构形式相同，因荷载、跨长的不 同，结构中每一构件的断面及其连接也各不相同，每一座桥都有自己的设 计图，一座桥一个样，各不相同。与机械、汽车、飞机等相比，钢桥是典 型的品种多，定型化、批量化少的产品。因此，即使求得钢桥制造工艺的 合理化和自动化，要达到高效率、低成本的目的仍然是不可能的。必须开 发钢桥制造计算机信息处理系统，从输入设计图尺寸，到输出制造图、材 料清单、NC数据、组装焊接资料、预拼装结果等，全部由计算机处理，才 能使钢桥制造合理、省力、精细、高质高效。以下对该处理系统作一概要 介绍。
图片1a
芜湖长江大桥
图片1b
芜湖长江大桥弦杆构造
图片2a 苏通长江大桥
图片2b 苏通长江大桥钢箱梁断面
图片3a 南京长江三桥
壁板加劲肋(δ22～24mm) 壁板(δ30～48mm)
横隔板 (δ14mm) 腹板(δ32mm) 腹板加劲肋 (δ22mm) 横隔板加劲肋 (δ10mm)
图片3b
南京长江三桥钢塔断面
（3）组装及焊接 ①组装 计算机将板件组装成构件、单元件以及箱梁节段等，然后组装主构件及辅构件（纵横向连接 件） ，并校核各构件焊接线及几何尺寸，以及各构件连接的栓孔线等。 ②焊接 根据数据库文件事先设计好各种接头的焊接工艺（焊接方法、焊接材料、坡口形式、施焊参 数、焊道数量、焊接顺序、焊接变形控制措施、焊缝检测等） ，由人工操作焊接或数值化后由机 器人焊接。 ③预拼装 栓焊钢桥 用精确测量的构件和节点板（或拼接板）栓孔群轴线及尺寸进行计算机 3D 预拼，确认制造 精度及线形和预拱度误差。 全焊钢桥 精确测量构件或节段特征点（代表其几何形体控制点）的 3D 坐标，考虑焊接变形量，直接 在计算机上进行 3D 预拼，确认结构线形和预拱度误差。
图2 日本钢桥年产量的变化
3.3 思考
比较我国和日本的钢桥制造的发展，不难看出，我国正处在钢桥建设 的发展期，产能、质量稳定性和制造周期与需求不适应的现象日益显著， 如何能解决这一问题，日本钢桥制造技术的发展值得借鉴。引入钢桥制造 计算机信息处理系统，结合我国实际情况加以开发和扩充，现在是最好时 机。
2.3 钢塔制造
大型钢塔需分段在厂内制造，桥位逐段垂直吊装，为此，要求较高的制造精 度：塔柱垂直度≤1/10000，节段轴线与端面直角度≤20”，节段之间金属接触率 ≥50%。因此，要求更先进的制造和机加工技术。 （1）在钢箱梁制造工艺基础上，开发了钢塔节段的组装焊接工艺，确保了 几何精度。 （2）在节段端面机械切削加工中，引入了大型NC切削机床、计算机反力控 制系统和高精度自动跟踪激光测量系统，并通过计算机处理系统，求得节段轴 线、端面平面度和直角度，依此直接指导切削加工和加工后的精度检验，实现了 用NC作业法代替了传统的划线作业法。 （3）在钢塔预拼装中，开发了由代表节段几何形体特征点的3－D坐标测量 值，直接进行计算机三维预拼仿真技术，检验了钢塔的制造精度。
2.1 钢桁梁的制造
以往我国钢桥主要是板梁和桁梁，通常厂内制成焊接构件，用机器样板在 构件和拼接板上制孔，厂内实施局部平面预拼装，现场用摩擦型高强度螺栓连 成整体。制造步骤如图1所示。
2 .2 钢箱梁的制造
作为公路悬索桥和斜拉桥的加劲梁，我国从20世纪末建设的虎门珠江桥、西陵长江 桥、厦门海沧桥和江阴长江桥开始，至今已有20余座桥梁采用钢箱梁。钢箱梁高约 2.5~4.5m，宽约20~40m，全长约数百米至2000多米。在吸取国外经验和其他行业先进技术 的基础上，研究了一整套钢箱梁制造工艺方案。 （1）合理的划分板单元件及陶瓷衬垫单面焊双面成型技术的引入。使95％的焊缝处于 俯焊位置施焊。（带纵横肋的桥面板100%为俯焊），极大地改善了直接承受轮载的桥面板 的疲劳性能和焊工劳动条件。 （2）结合钢箱梁构造特点，制造分为带纵横肋的板单元件、钢箱梁节段和桥位吊装后 全断面对接焊三个阶段，并开发了板单元件组装、节段连续匹配组装、以及焊接变形综合 控制技术等。确保了箱梁桥的几何精度，缩短了制造周期，降低了成本。 （3）提高了组装和焊接的自动化、切割和制孔的数控化作业程度。基本实现全焊钢箱 梁。