自平衡提籃式鋼管拱加工工法與研究

摘要：勝建集團(tuán)在濟(jì)南市小清河綜合治理工程中承建的菜園橋就是一座結(jié)構(gòu)為自平衡提籃式鋼管混凝土拱橋，在施工過程中，經(jīng)過施工人員不斷總結(jié)，摸索出一套鋼管拱加工的施工工法。

關(guān)鍵詞：自平衡提籃式鋼管拱 專用臺座 焊接 溫度控制 工法與研究

0 引言

二十世紀(jì)九十年代以來，鋼管混凝土拱橋在我國得到迅速的發(fā)展。尤其是隨著計(jì)算理論的完善和施工技術(shù)的進(jìn)步，大跨徑的鋼管混凝土拱橋不斷增多。加上近年來城市建設(shè)的規(guī)模的不斷擴(kuò)大，外形美觀，結(jié)構(gòu)輕巧的鋼管混凝土拱橋也陸續(xù)出現(xiàn)在市政建設(shè)中。勝建集團(tuán)在濟(jì)南市小清河綜合治理工程中承建的菜園橋就是一座結(jié)構(gòu)為自平衡提籃式鋼管混凝土拱橋，在施工過程中，經(jīng)過施工人員不斷總結(jié)，摸索出一套鋼管拱加工的施工工法。

1 工法特點(diǎn)

①鋼管拱軸線在豎向平面為拋物線，單片鋼管拱軸線橫斷面向內(nèi)傾10°夾角。采用分段直線代替曲線，每兩米為一基本節(jié)，保證拱肋曲線符合設(shè)計(jì)要求。②制作專用的的臺座能夠滿足拱肋各段按1：1的比例放大樣的要求。③能夠保證鋼管各相貫線下料的準(zhǔn)確，精確控制各管對接間隙，將非正常的焊接變形控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。④精確控制鋼管煨彎時(shí)的溫度，防止在煨彎過程中因溫度控制不好，影響鋼管質(zhì)量。

2 適用范圍

鋼管拱橋拱肋鋼管的工廠加工。

3 工藝原理

用加熱的方法在基于構(gòu)造相同的彎管臺座上，利用鋼管受熱呈塑性后，通過反力裝置使鋼管彎曲至設(shè)計(jì)線型。

4 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1 鋼管拱制造工藝流程：鋼板復(fù)檢→板料下料（每2米為一基本節(jié)）→鋼板抄頭壓彎→卷扳機(jī)卷管→鋼管焊接→鋼管整形（整圓）→探傷→鋼管煨彎→拱肋鋼管對接→單片上下拱肋組拼焊接→矯形→左右拱肋與風(fēng)撐組對→各節(jié)段拱肋試拼裝→鉆吊桿孔→涂裝→運(yùn)輸→現(xiàn)場安裝后焊接。

4.2 施工要點(diǎn)

4.2.1 拱肋鋼管的制造 ①按照上下弦各節(jié)管的展開長度、寬度下出毛料。由于各節(jié)段的制造長度不同，須配料最長每段2000mm。②在待卷的板料兩邊沿圓管的母線劃出抄頭線，使用鋼管抄頭壓力機(jī)抄頭。③將抄頭后的板料送入卷扳機(jī)滾圓，并在管內(nèi)壁焊定位碼。④焊接圓管縱縫，采用內(nèi)壁CO2氣保焊打底外面氣刨清根埋弧自動(dòng)焊蓋面工藝，經(jīng)焊接工藝評定后確定。⑤將焊后的圓管再次上卷扳機(jī)整形滾圓，管徑公差±1.6mm。鋼管管口橢圓度不大于2.4mm。⑥鋼管管口橢圓度大于2.4mm的采取頂壓矯正的方法，將需要對接的兩條管放置在同一直線上，把沒有出現(xiàn)變形的一側(cè)先行點(diǎn)焊，垂直于鋼管內(nèi)壁徑向加焊3～4塊定位鋼板，然后在在未發(fā)生變形的鋼管另一側(cè)焊上一只矯正牛腿，牛腿上焊有一螺母，螺母上的螺桿正對著另一管發(fā)生變形的位置，旋入螺桿，直至把變形位置頂至與未變形鋼管相同為止。

4.2.2 拱肋鋼管節(jié)段接長 ①將卷制好的弦管按照分節(jié)的長度接長，接長在專用接長胎型上進(jìn)行。接長時(shí)須將管縱縫錯(cuò)開，將縱縫布置在煨制平面的中徑處。②弦管接長配料時(shí)應(yīng)考慮將主弦管、風(fēng)撐（支管）的對接焊縫與其它焊縫錯(cuò)開。③鋼管接長組拼后在接頭處打鋼碼以保證可靠的定位及控制焊縫間隙。④鋼管對接接頭采用全熔透焊縫。接長環(huán)焊縫在轉(zhuǎn)胎上焊接，環(huán)焊縫的對接擬采用內(nèi)壁襯鋼套管CO2氣保焊打底外面埋弧自動(dòng)焊蓋面工藝。⑤環(huán)焊縫工地對接采用內(nèi)壁襯鋼套管CO2氣保焊焊接工藝。

4.2.3 拱肋鋼管煨彎 ①鋼管加熱采取火焰加熱的方法，設(shè)計(jì)專用煨制胎型（按照各段的曲率分別制出煨制胎型），每段須做上下弦管兩種胎型分為兩次煨制。②豎向曲線胎型以水平面為基準(zhǔn)平面，反力限位點(diǎn)須按工藝圖紙給出的坐標(biāo)設(shè)置。首先將待煨鋼管置于胎型上，兩端自由，再利用千斤頂排（千斤頂間距每米1臺）緩慢加壓并按圖示加熱區(qū)（加熱區(qū)間距500mm）火焰加熱，加熱區(qū)的寬度不超過管的中徑，水平投影呈三角形，其底邊長度根據(jù)試驗(yàn)定。加熱后，鋼材的溫度由原值逐漸升高，鋼材的塑性變形增大，然而在250℃左右，鋼材反而會(huì)變脆，應(yīng)注意不要在此溫度下進(jìn)行加工，以防止鋼材發(fā)生裂紋。合理控制加熱和壓彎程序，是保證鋼管煨彎后成型質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)，也是保證鋼管內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵之處，加熱溫度不得超過800℃（加熱區(qū)域呈暗紅色），不可加熱過度及同一區(qū)域反復(fù)加熱，頂壓力的施加過程是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。熱煨過程中應(yīng)嚴(yán)格控制拱高。③上下弦鋼管均分別按上述方法煨制，待各節(jié)段煨制完畢，將上下弦各段置于胎型上矯正。按照各主弦管的長度（弧長）精確下料，其長度偏差為±1mm；管材端面對管軸的垂直度偏差不大于1.6mm。

4.2.4 上下主弦管與綴板（腹板）組拼 ①劃出大樣（1：1，包括各接頭位置、吊桿孔中心線）將各節(jié)段（上下弦）管置于大拼胎型上，連接好接頭法蘭，使各節(jié)段軸線與地樣軸線重合。②在上下弦管上劃出綴板位置線，吊裝（下）綴板并將其中心線對準(zhǔn)胎型上綴板中軸線，將上下弦管吊裝在胎型上對準(zhǔn)地樣上的弦管定位線；將吊桿位空出2000mm、管接頭部位空出1000mm暫不裝綴板。③將下綴板、加勁肋與弦管定位焊，依次再裝（上）加勁肋、上弦管。④管與綴板焊接為部分熔透焊縫。

4.2.5 風(fēng)撐制作 按照風(fēng)撐鋼管外徑與弦管外徑相貫以1：1比例放出風(fēng)撐管相貫線大樣（風(fēng)撐鋼管與弦管夾角為鈍角的按二者外徑相貫；夾角為銳角的按弦管外徑與風(fēng)撐管內(nèi)徑相貫），并將大樣圖包裹在風(fēng)撐管表面劃線，采用手工切割，切割時(shí)預(yù)留坡口余量10mm并修出相貫線坡口。將風(fēng)撐與弦管相貫線組對修正。

4.3 焊接工藝

4.3.1 焊接方法及擬采用的焊接材料 根據(jù)設(shè)計(jì)材質(zhì)及本橋結(jié)構(gòu)焊接接頭形式，擬采用埋弧自動(dòng)焊、藥皮手工電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊完成本結(jié)構(gòu)的焊接工作。焊接材料通過焊接工藝評定試驗(yàn)選取，二氧化碳保護(hù)氣體的純度不低于99.9%，且含水量小于0.05%。

4.3.2 焊接方法 ①主弦管卷管縱向?qū)雍缚p、接長環(huán)焊縫及工地組拼焊接環(huán)焊縫均采用全熔透焊縫。焊接完畢后將引弧板用氣割切除，并對焊件邊緣進(jìn)行修磨，嚴(yán)禁用錘擊落，損傷母材。②風(fēng)撐各管與主弦管間的相貫連接、綴板與主弦管的連接焊縫采用部分熔透坡口焊縫。③采用減少焊接應(yīng)力及變形的工藝措施，嚴(yán)格按照規(guī)定的焊接順序：先焊收縮量較大的焊縫，先焊對接焊縫，后焊角焊縫；對于組合構(gòu)件，應(yīng)先焊受力較大的焊縫，后焊受力較小的焊縫。

4.3.3 焊接環(huán)境要求 環(huán)境溫度不低于5℃，空氣相對濕度不高于80％。環(huán)境溫度低于5℃時(shí)。相對濕度高于80％時(shí)，焊前應(yīng)用烤槍對焊區(qū)進(jìn)行烘烤去濕，焊條焊劑在空氣中暴露時(shí)間不宜超過2小時(shí)。室外作業(yè)（包括安裝焊接）時(shí)，宜在晴天進(jìn)行，遇到風(fēng)雨時(shí)，應(yīng)設(shè)檔風(fēng)板和遮雨棚。

4.3.4 焊接材料要求 焊材應(yīng)進(jìn)行復(fù)檢，經(jīng)復(fù)檢合格后才能投入使用。焊條及埋弧自動(dòng)焊焊劑在使用前要求烘干，烘焙溫度300～350℃，烘焙時(shí)間2小時(shí)；烘干后置于100～150℃的保溫箱內(nèi)，隨用隨取。

4.3.5 焊接極性：焊接選用直流電源，采用反極性連接。

4.3.6 焊前及層間清理 焊前用砂輪機(jī)或電動(dòng)刷清除焊接區(qū)的鐵銹及污物，待焊區(qū)見金屬光澤。多道焊時(shí)應(yīng)清理干凈前道熔渣，并經(jīng)檢查確認(rèn)無裂紋等缺陷后再繼續(xù)施焊。

4.4 試裝和驗(yàn)收

4.4.1 試裝 根據(jù)設(shè)計(jì)圖給出的坐標(biāo)，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行半孔拼裝，并對超差部分做矯正。

4.4.2 驗(yàn)收 鑒于鋼管拱的特殊性，參照相關(guān)規(guī)范擬定其驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4.5 防腐涂裝

4.5.1 鋼管卷制焊接（含接長）煨彎成型后進(jìn)行噴砂除銹，將表面油污氧化皮和鐵銹清除干凈，表面清潔度達(dá)到Sa2.級以上的要求。

4.5.2 將各對接接頭及弦管與風(fēng)撐對接處包裝保護(hù)，其他部位涂裝兩道環(huán)氧富鋅底漆、三道聚氨脂中間漆和兩道聚氨脂面漆。

4.5.3 涂裝操作

①經(jīng)噴砂清理后的桿件應(yīng)在12小時(shí)內(nèi)進(jìn)行涂裝。第一道漆未實(shí)干前不得涂第二道，底漆及中間漆未干前不得涂面漆。②涂裝過程桿件表面不得有雨水、結(jié)露，涂裝環(huán)境相對濕度不高于85％，對環(huán)氧類涂裝材料溫度不低于10℃。③涂裝后的桿件編號標(biāo)記，運(yùn)輸裝車時(shí)，將各桿件采用軟木隔開，避免碰撞及摩擦。

4.5.4 工廠制造涂裝后預(yù)留一道面漆待工地安裝完畢后整體涂裝。

5 檢查與驗(yàn)收

5.1 鋼管拱肋的檢查與驗(yàn)收 鋼管構(gòu)件出場具備完整的驗(yàn)收資料，經(jīng)檢驗(yàn)合格后的鋼管拱肋方可出廠，對于鋼管混凝土拱橋中鋼管骨架的制作實(shí)測項(xiàng)目，應(yīng)符合《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

5.2 焊縫質(zhì)量控制與檢驗(yàn)

5.2.1 焊接工藝試驗(yàn)評定要求

①力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目、試件數(shù)量及試驗(yàn)方法應(yīng)符合《焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)方法》的要求。

②力學(xué)性能試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)

a拉伸試驗(yàn)結(jié)果（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及拉棒的延伸率）不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值，則判為合格。b接頭冷彎試驗(yàn)：當(dāng)試件達(dá)到規(guī)定角度時(shí)，受拉面的裂紋和缺陷不得大于3mm。c管與管相貫連接的焊接接頭取樣和試驗(yàn)方法。

一般情況下管與管相貫連接時(shí)，因弦管和支管厚度達(dá)不到力學(xué)性能的取樣標(biāo)準(zhǔn)，采用宏觀酸蝕和硬度試驗(yàn)代替。每一評定應(yīng)做一次宏觀斷面酸蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)方法應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕試驗(yàn)方法》（GB226-1991）的規(guī)定。

③外觀檢驗(yàn) 焊縫在焊完24h后進(jìn)行焊縫外觀檢查，即檢查焊縫實(shí)際尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求，焊縫表面無氣孔、裂紋及未焊滿（或弧坑）等缺陷。

④無損檢測 焊縫在外觀檢驗(yàn)合格的基礎(chǔ)上進(jìn)行超聲波探傷、X射線探傷。

6 效益分析

鋼管混凝土拱橋中的鋼管混凝土的徑向變形受到鋼管的約束而處于三向受力狀態(tài)，其承載力大大提高，同時(shí)，鋼管的套箍作用極大的提高了混凝土的塑性性能，高強(qiáng)度混凝土的脆性得到克服；另一方面，混凝土置于鋼管內(nèi)，增強(qiáng)了鋼管的管壁穩(wěn)定性，剛度也遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)，因此鋼管混凝土拱橋較之鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁，有著極大地優(yōu)越性。

與鋼筋混凝土橋梁相比，鋼管制作工廠化，勞動(dòng)效率高，比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋加工制作省時(shí)省力。與鋼結(jié)構(gòu)橋梁相比，在保持自重相近和承載力相同的條件下，可節(jié)省鋼材50%。

7 工程實(shí)例

濟(jì)南市小清河綜合治理工程菜園橋鋼管混凝土拱橋，鋼管拱肋2009年2月15日工廠加工，2009年4月5日現(xiàn)場安裝，2009年6月10日鋼管拱部分安裝完成。質(zhì)量、工期等各方面均得到業(yè)主、監(jiān)理等各方的好評，為小清河兩岸增添了一道亮麗的彩虹。