高屏溪斜张桥全断面焊接钢梁之制作施工.doc

交通部台湾区国道新建工程局
第二高速公路后续计划
燕巢九如段第C381标高屏溪河川桥工程

高屏溪斜张桥全断面焊接钢梁之制作施工
里程285K+720.11至288K+360

泛亚工程建设股份有限公司
大成建设株式会社
川田工业株式会社
利德工程股份有限公司(短期结合)

中华民国八十八年六月

目录
1. 前言 3
2. 工厂制作 5
2.1 使用钢材及构件组合方式 5
2.2 制作要领 6
2.3 焊接受缩量之决定 8
2.4 焊接顺序 10
2.5 焊接方法 10
2.6 非破坏检查 10
2.7 两节块间端口之调整方法 11
2.8 钢构厂假安装 11
2.9 涂装要领 12
3. 工地组装工场 12
3.1 工地组装工场之制作流程 12
3.2 工地组装工场简介 13
3.3 组装作业 14
3.4 焊接作业 14
3.5 非破坏检查 14
3.6 涂装要领 15
3.7 端口假安装 15
3.8 组合台车 15
3.9 节块移动方法 16
4. 现场焊接 17
4.1 连接梁之现场焊接 17
4.2 钢梁之现场焊接 18
5. 焊接受缩量之结果 19
5.1 桥面板焊接受缩量 19
5.2 下翼板焊接受缩量 19
6. 结语 20
高屏溪斜张桥箱型钢梁全断面焊接节块之制作及施工
佐久良刚史
川田工业株式会社生产本部四国工厂课长
作者简介
作者佐久良刚史先生于1974年3月毕业于日本爱媛大学工学部，同年4月进入川田工业株式会社，于生产本部四国工厂钢桥制作部门服务至今以达25年，制作课系长，桥梁技术课长时代曾经负责过多数大型特殊桥梁之制作，并拥有一级土木施工管理技士，一级建筑施工管理技士及一级焊接技术者资格认定（WES-8103）等日本国家资格。高屏溪斜张桥属于全断面焊接构造之大型特殊桥梁，佐久良先生因此被选担任本工程钢构组施工组长，并且充足运用日前丰富之经验，计划，管理及领导钢构厂制作，工地组装及焊接工程。
1. 前言
本报告为「南二高第C381标高屏溪河川桥」第一单元斜张桥箱型钢梁制作报告。本桥之重要概要如下。
l 桥梁形式 二跨连续复合箱梁斜张桥
l 跨距 180m+330m
l 车道宽度 3.65m×6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 PC梁:4孔PC箱梁
钢梁:钢制5孔箱梁
l 主梁高度 3.2m
l 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、运送至工地、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ASTMA572G50,A36及一部分采用JISG3106SM520CZ35钢材。板厚区分为t=6~80mm。
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通过确认钢构厂也许制作之最大尺寸(必须考虑吊车能力、翻转空间等条件)及运送上之限制而决定。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:40ton)

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-3~5)。所有Panel中仅有腹板使用NC切割、其它Panel是通过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受缩量、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毕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制作流程图(中间Panel构件)

图-5制作流程图(连接梁构件)
2.3 焊接受缩量之决定
钢构厂制作时假设之焊接受缩量为横向方向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受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受缩量。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受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受缩量而将各焊道间隙挪宽＋2mm后、由于桥轴方向总共有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、由于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-7.1~7.3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-7.1~7.3焊接受缩量与开槽形状

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的焊接受缩量、而根部间隙设定为5mm、而下翼板则需要在桥面板焊接受缩后才进行焊接、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-rib－－－－SAW
其它焊接所有－－－CO2半自动焊接
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、所有的焊接接头都通过焊接施工实验、拟定其开槽、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实验检查、而填角焊部位则执行焊道液渗检查。
抽样比率如下。
桥轴方向－－－－－RT15% PT5%
桥轴直角方向－－－RT30% PT5%
钢构厂之放射线透过实验检查结果、G1~G12节块平均缺陷率为r=2.7%。
2.7 两节块间端口之调整方法
为吸取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错开、从端口250mm部分在钢构厂先不焊接、运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因素是由于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，考虑纵坡并不导致困难。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毕至最后一层涂装、外露面则于钢构厂完毕至第四层涂装后搬运至工地组装工场。
但是下翼板内面由于考虑最终层涂装也许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送至架设工地后、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允许误差内。
移动 移动节块至焊接区。
焊接 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、完毕内面及外面面漆。
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
本工程由于受地理条件之拘束、无法如第二Bosporus桥(土耳其)或青马大桥（香港）等同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）。结果场地局限性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、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、故于途中将台车增长成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。由于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40ton、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CO2半自动焊接执行单面里浪焊接。
背垫板是使用陶瓷等SoftBacking型式、针对于台湾也许购买之种类、通过实验依据其结果而选择。
3.5 非破坏检查
焊接工作完毕后、依下述要领抽样执行非破坏检查。
桥轴方向 －－－对接 RT 15%、PT 5%
桥轴直角方向 －－－对接 RT 30%、PT 5%
RT检查之结果、各接头之缺陷率大约在5~6%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毕内外面最后层涂装。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,n+n+1,n+1+n+2…..）。
如前述、由于受到场地之限制才使用此端口假安装方式。
端口假安装由于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、而节块自身之形状需要由节块构件间之连接板（ErectionPiece）维持。形成一个重迭梁的构造。
台车之尺寸是通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、重要以H-582×300×12/17及H-482×300×11/15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
节块移动方法通过检讨使用绞车（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（SteelRoller）配合推动专用油压千斤顶。(相片-1)

相片-1节块移动动力系统图
推动专用油压千斤顶 30ton×ST600mm 2支/1台车
钢滚轮（SteelRoller） 200ton级×6台/1台车
4. 现场焊接
4.1 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160ton。由于考虑运送等条件、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、架设时由于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 AWS ER70S-6
＊本体材质 ASTM A572 Gr.50
JIS G3106 SM520C Z35
＊ 非破坏检查
由于连接梁焊接接头位于夹板部分、无法使用放射线透过实验(RT)、因此以超音波透过实验(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-Rib
－－－－
CO2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之焊接由于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）。桥面板焊接后来由于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天内完毕。

＊ 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实验(RT)及液渗检查法(PT)进行。其抽样率如下。
桥轴直角方向－－－RT 60%、 PT 10%
现场焊接之RT结果、各接头之缺陷率均在8~9%之间。
5. 焊接受缩量之结果
比较工地组装工场各节块焊接前及焊接后之尺寸、所得到之焊接受缩量如下。
5.1 桥面板焊接受缩量
G2~G10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 下翼板焊接受缩量
G2~G10节块之平均收缩量为15.36mm、为预测收缩量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受缩量有差异之重要因素。焊接受缩量可以由下述之Spararagen程序、以各焊道之平均根部间隙计算。
SP=0.18Aw/t+0.05d
Aw=1/2（（2×t×tanθ+d）×（t+3）+dt）
在此 t: 板厚 （mm）
d: 根部间隙 （mm）
2θ: 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3~3.5mm、比实际收缩量之1.5mm~2.5mm大。其理由为因实际焊接时受到ErectionPiece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
通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。此后预测全断面焊接构造应当会继续增长、希望通过本次的经验、下一次可以制作更好的产品。
最后非常感谢国道新建工程局及中华顾问工程司、中国钢铁结构股份有限公司等相关单位之协助。