超大型桥梁造桥技术的探索与引领——马鞍山公铁两用长江大桥造桥技术

  我国超大型造桥技术长期处在世界领头羊，并且在不断取得新的突破和进步。中国在桥梁建设方面有着悠久的历史和丰富的经验。从古代的赵州桥、卢沟桥，到现代的港珠澳大桥、深中通道及正在建设中的马鞍山长江公铁大桥、G3铜陵长江公铁大桥等。这些桥梁不仅连接了地理上的距离，更成为了人类智慧和勇气的象征。展望未来，超大型造桥技术将继续在创新、环保、智能化等方面取得新的突破，为人类社会的发展注入新的活力。

  马鞍山长江公铁大桥位于既有的马鞍山长江大桥（公路桥）上游约2.3公里处，桥梁全长达9.8公里。主汊航道桥采用三塔钢桁梁斜拉桥，桥跨布置为（112+392+2×1120+392+112）m=3248m。为世界首座双主跨超千米的三塔斜拉桥、世界最大跨度三塔斜拉桥，同时也是世界最长联钢桁梁斜拉桥。

  主梁采用上层桥面为板桁组合、下层桥面为箱桁组合的整体钢桁梁，横向采用三主桁结构，主要由两个边主桁、一个中主桁、两个上层公路桥面板、两个下层铁路桥面板组成主桁，桁间距为2×15.5m，边桁桁高15.5m，中桁桁高15.737m，标准节间长为14m，采用N 形桁架，全桥总计232个节间。用钢量163043吨。

  栓焊结合结构体系：主梁下层桥面采用与弦杆焊接的整体钢箱桥面结构,上层桥面采用正交异性板钢桥面结构。同一节段内所有构件的工厂连接均采用焊接，节段之间上弦杆腹板及底板、下弦杆及斜杆均采取高强度螺栓连接。具有焊接工作量大且高精度栓接连接的双重特点。

  结构体量大、重量重：主梁标准梁段空间尺寸36m×28m×16m（2个节间），中塔及边塔支点处、主跨跨中处采用单节间整体全焊制造节段，梁端边支点处1.5个节间为一个整体全焊制造节段，最大单个节段结构重量达1600吨，具有钢桥制造大体量超重节段的特点。

  超大节段整体制造：钢梁节段采用“整体节段”工厂化总拼制造，具有“整体系统性控制要求高，施工控制体系复杂，控制项点多”的总体特点。

  早期传统造桥技术是在设计图纸的基础上转换加工图纸，桥梁拱度及线型通过钢桥制造预拼装过程做调整修正，进而建立的一套造桥技术。随着BIM技术的不断革新，在造桥技术中逐步引进BIM建模技术，通过采用TEKLA软件进行BIM建模，对马鞍山长江公铁大桥建立整体模型，通过模型的建立实现复杂节点和不规则节点等信息在三维模型中1:1反映出来，直观各专业构件的空间位置关系，检查碰撞冲突，1:1建立高强度螺栓空间模型，确保栓接接口精度，并拟合桥梁加工制作线型，建立制造测控体系，达到保证桥梁制造整体精度的目的。

  超大型钢桁梁桥弦杆是衔接整个钢梁节段的枢纽构件，其制造精度直接影响钢梁的整体精度，在对钢桁梁弦杆的加工制作的完整过程中，充分的利用工艺装备提升构件精度，采取了端铣精密加工技术、全方位同步一体多头三向钻孔技术、箱型杆件智能机器人焊接技术、通用拼接板设计、运用技术等先进施工技术。

  钢桁梁弦杆主要由整体节点板、弦杆顶、底板、腹板、内隔板及横梁接头板等零件组成，其制造流程主要为：零件预处理下料—零件机加工—腹板节点板拼板—槽型组装—隔板焊接—箱型盖板—棱角焊缝焊接—接头板组焊—整体矫正—结构划线—栓接接头、拼接板制孔。

  箱型弦杆焊接存在大量焊接工作，包括箱型隔板焊接、箱型四角棱角焊缝焊接，制作的完整过程中研发一套专用箱型弦杆焊接智能工作站，工作站系统将焊接工艺进行深度集成，通过视觉系统对构件焊缝精确定位，依据获取的焊缝坐标信息，集成焊接专家库自动生成焊接程序执行焊接。在同一悬臂或龙门上相对布置外部轴机器人，且通过系统控制，实现双机对称焊接槽口隔板平、立焊缝，同时进行包角。具有使用效率高、包角融合性好等优势。针对任意摆放工件的平角焊缝、立角焊缝、多层多道焊缝，可以在一定程度上完成免编程、免示教、免图形导入的精确快速焊接。

  钢桁梁弦杆制作的完整过程中因焊接量大，焊接变形对结构尺寸的影响较复杂，焊接成型的构件受火工矫正等影响，对端口尺寸造成长短不一的影响，为了能够更好的保证杆件制造精密性，杆件整体焊接矫正成型后，对弦杆端口采用精密机加工端铣，较高精度的保证了杆件的端面精度、长度尺寸精度，进而保证杆件制孔成型后的极边孔距精度，为钢梁制造整体精度建立良好的前提。

  钢桁梁弦杆制孔精度直接影响钢梁结构的线型精度、桥梁拱度等，因此，在钢梁弦杆制孔采用了精密三维数控钻床，通过一次定位，钻制多向栓接螺栓孔，弦杆两端孔群通过三维数控钻床的精密纵向位移确保各栓接节点的同步率及穿孔率。

  传统栓接桥梁的拼接板制孔技术由于在制作的完整过程中因制造误差的影响，一般会用拼接板孔群一端制孔、另一端配孔的工艺方案。BIM模型实现了桥梁纵向线型、桥梁拱度、连接孔群的精密BIM建模，完全实现了杆件、拼接板的理论加工尺寸的建立，拼接板制作的完整过程可理论化制作，理论制作的拼接板尺寸可不受配孔方向限制，实现了拼接板的通用性及可替代性。另一方面，拼接板的理论制作精度提出了更加高的要求，因此在拼接板制作的步骤中，通过计算机BIM模型精确放样数控等离子或激光下料，然后采用恒温车间数控钻床进行模块式精密钻孔，有效提升了钢桁梁预拼装连接端口拼装精度和拼装效率。

  马鞍山公铁两用长江大桥为“下铁上公”双层钢桁梁桥，下层铁路桥面、上层公路桥面，公路桥面采用正交异性板结构，U肋桥面板单元要求实现双面熔透成型，铁路桥面采用新型不锈钢复合钢板结构，在公铁两用桥梁结构中实现了结构创新，对桥梁制造技术也相应提出了更高的要求。在马鞍山长江大桥中经过试验研究全面实现了埋弧焊双面熔透成型技术、不锈钢复合钢板焊接技术、U肋自动焊的在线参数识别与反馈控制，T型横梁、横隔板单元智能化机器人焊接技术等先进的技术，为桥梁建造开创了质量优良的精品工程。

  正交异性板公路桥面板单元具有较高要求的抗疲劳性能，因此，在桥梁建造中提出了双面全熔透焊接工艺，双面全熔透焊接工艺分为CO2气体保护焊焊接工艺和埋弧焊焊接工艺，经过专项研究与实验，提出了内焊1.6mm细丝埋弧自动焊技术、外焊采用板单元自动化焊接系统与双向反变形船位相结合的3.2mm埋弧焊焊接工艺，焊接过程中采取电弧跟踪的技术，具有全自动操作、定位精度高、压紧可靠、定位焊质量稳定的特点，特别是焊缝区域自动打磨、除尘功能，使作业效率和生产环境得到很大改善。

  U肋双面熔透具有熔深合格值范围窄、焊接难度大，探伤合格率低等特点，工艺参数控制直接决定焊缝一次探伤合格率，根据评定试验确定的工艺参数在工业化大生产中如何稳定的执行，保证U肋焊缝一次合格率，需提出对应的解决措施，因此，在实现U肋双面熔透焊焊接工艺的同时，同步实现了U肋焊缝自动焊在线参数识别与反馈控制技术，通过在线识别和反馈控制实现焊接参数的智能化调节，通过智能焊接平台将6台焊接机器人同时送入U肋内部，控制焊接电流、电压及焊接速度偏差范围±10%，焊接速度500～800mm/min，实现了U肋内侧埋弧焊的稳定焊接，并实现焊剂的自动铺洒与回收，焊缝跟踪精度高，U肋横向误差控制在±0.2mm之内，保证了较高的焊接质量。

  不锈钢复合钢板的应用是近年来桥梁结构的新型材料的应用，其焊接技术的成熟性处于摸索阶段，在马鞍山长江大桥实施过程中，经过反复的试验研究，最终确定了不锈钢复合板焊接时采用CO2药芯气体保护焊和埋弧自动焊相结合的方式，先采用CO2药芯气体保护焊打底，埋弧自动焊填充，过渡层和盖面层采用CO2药芯气体保护焊。且填充层、不锈钢复层盖面均采用了自动化焊接设备，极大程度的优化了焊接技术，提高了生产效率，降低了实施工程的成本，有效的加快工期，保证拼装精度要求，经济效果明显。

  桥梁结构中普遍分布大量的T型横梁、横隔板单元结构，该类结构结构板件多，结构焊缝占整体的结构的40%以上，因此，在钢桥制造中解决该类结构的焊缝智能化焊接、降低劳动强度是造桥技术中的一大课题，经过近年来AI智能的全力发展，智能化机器人焊接技术应运而生，在马鞍山长江大桥的制造技术中，开始大量推广使用智能机器人焊接技术，该技术使用ARC12-2000机器人，设备视觉使用大视野相机+3D视觉，通过智能扫描路径，免BIM模型导入、自主智能激光规划路径、智能匹配焊接参数与焊接工艺库，可多臂协同作业，定位精度高于手工焊，且焊接效率大幅度提升；智能软件突破逆向建模技术，开发大视野相机视觉算法，进行构件整体识别粗定位，替代之前每个局部区域都需要单独测距、拍照等操作，极大的提高了工作站效率；具有一键启动技术，免编程，免示教，自主扫描并自动匹配模型和焊接WPS，自主编制焊接程序，实现了一键启动后的全自动化焊接模式；同时将数据实时传输到终端管理平台；通过优化算法及工艺，实现了全区域焊接（包括通焊孔包头）。

  传统桥梁受工地起重设备的限制一般在工地现场以桁架杆件、桥面块体等方式来进行工地组拼，而马鞍山长江大桥目前为世界最大跨度的双层钢桁梁桥，其节段体量大，重量重，在起重设备能力的全力发展下，实现了超大超重节段的整体架设，这就对在工厂制造中，需实现超大节段的工厂化制造。为实现钢桥制造超大节段的工厂化制造，针对马鞍山长江大桥的制造实施中，通过建立一系列先进工艺化装备，高精度高质量打造钢梁整体大节段。

  在马鞍山长江大桥的预拼装过程中，配置的预拼装场长260m，跨度60m，起重设备200t+100t，场地基础具备足够的承载力及稳定性且未发生沉陷、移位、变形，实现了长28mX宽36m的超大大节段“7+1”的整体预拼装，预拼装过程中配置重型承重路基箱总拼支架台座，为钢梁大节段的总拼精度创造坚实的基础。

  钢桥制造线型在桥梁结构受力状态中起到至关重要的作用。马鞍山长江大桥的大节段最大重量达1600吨，节段拼装成型后，受焊接变形、结构地基沉降等影响对结构线型影响较大，为了控制及实时调整制造线型，在施工全套工艺流程中，专项设置竖向调整楔块，并在特定位置设置三向联动液压千斤顶装置。

  钢梁大节段的整体控制对桁宽、桁高、桥梁轴线、垂直度、对角线、预拱度等具有系统性控制要求，控制过程中，对测量控制、焊接控制均提出了较高的工艺技术要求，并需在制作的完整过程通过上述措施进行整体修正、改进及调整，确保钢梁制造整体契合设计及规范要求。因此，在桥梁大节段组拼过程中，在场地上布置强制归心墩装置，在强制归心墩上使其极限精度达到百万分之一，放样精度达到2mm。装置之间相互联形成测量网络，然后设置徕卡Tc16A智能自动测量仪器对控制测点实时监测并反馈测量数据，达到实时修正及调整焊接工艺，为钢梁制造提供较为合理的控制措施。

  钢梁大节段总拼过程中，通过绿色智能三维扫描技术，利用精度达0.5’的工业级Trimble TX8三维激光扫描仪，对实际钢梁大节段的大小、位置、形状扫描模型的测量实现构件测量。自动生成预拼装数字化逆向模型，将BIM信息化模型与逆向工程模型结合，实现与理论模型数据拟合分析，软件自动进行误差计算，通过反向建模技术来控制制作构件精度，使实际制作构件线形与设计理念更趋于一致。

  随着钢桥制造技术的慢慢的提升，在钢桥实施过程中，仍有大量的技术革新亟待研发，如多种工位的导轨式焊接机器人，实现工厂大节段总拼及现场全位置施工的智能化焊接技术；钢桥全生命周期的涂装质量提升，实现全方位涂装机器人智能施工；随着科学技术的快速地发展，实现数字孪生技术在钢桥制造中的应用等等。类似于上述智能化技术的革新，仍需进行大量的研究，为未来桥梁制造提供现代化的造桥技术。

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