超大跨徑鋼管混凝土拱肋加工制造關鍵技術研究

劉興焱

摘要：隨著交通量的不斷增長，超大跨徑鋼管混凝土拱橋在不斷興起。文章以平南三橋為實例，介紹了超大跨徑鋼管混凝土拱肋加工的施工流程以及加工制造關鍵技術，供同類橋梁參考借鑒。

關鍵詞：鋼結構;焊接;匹配制造;關鍵技術

中圖分類號：U448.22⁺2 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.011

文章編號：1673—4874（2020）11—0039-04

0引言

鋼管混凝土拱橋是以鋼管為拱圈外壁，在鋼管內(nèi)澆注混凝土，使其形成由鋼管和混凝土組成的拱圈結構。由于鋼管的重量輕、剛度大，方便吊裝，可以作為拱圈施工的勁性骨架，加之鋼管本身就是模板，這些優(yōu)點給大跨度拱橋施工創(chuàng)造了十分有利的條件。鋼管混凝土拱橋端面尺寸較小，結構感輕巧。由于有上述優(yōu)點，再加上拱橋建筑造型優(yōu)美，在一定跨度內(nèi)，較其他類型橋梁造價低，使鋼管混凝土拱橋在全國各地很快得到推廣應用和迅速發(fā)展，并隨著數(shù)量的增多，跨徑與規(guī)模也不斷增大，分布區(qū)域也越來越廣。平南三橋作為在建跨徑最大的鋼管混凝土拱橋，其拱肋及預埋件總重達9500t，主孔跨徑為575m。為保證合龍精度和使用壽命，對拱肋加工制造關鍵技術的把控尤為重要。

1工程概況

平南三橋為廣西荔浦至玉林高速公路平南互通連接線上跨越潯江的一座特大橋，其主跨拱肋為鋼管混凝土桁架結構，主孔跨徑為575m（計算跨徑548m），凈矢跨比為1/4，拱軸系數(shù)為1.5。拱頂截面徑向高8.5m;拱腳截面徑向高為17.0m，肋寬4.2m;每肋為上、下各兩根φ1400m鋼管混凝土主管，管內(nèi)混凝土采用c70。主管通過橫聯(lián)鋼管φ850mm豎向兩根腹桿φ700mm鋼管連接而構成。按主跨鋼管拱單節(jié)段吊裝，全橋主拱對稱劃分各為22個節(jié)段，共44個節(jié)段，最大吊裝重量為214t;肋間橫梁全橋共16個節(jié)段。主橋拱肋重量約9500t。主拱肋弦管采用Q420qD-Z25鋼材，檢修梯采用Q235B鋼材，其余材料采用Q345C鋼材（見下頁圖1）。節(jié)段采用工廠加工，通過水運發(fā)運至吊裝橋址。

2拱肋加工施工工藝流程

2.1材料進場復驗

材料進場后，檢查材料材質(zhì)證明書是否齊全，數(shù)據(jù)是否滿足相關規(guī)范。根據(jù)發(fā)運清單及訂貨尺寸檢查鋼板數(shù)量、尺寸、外觀。對進場材料按比例進行超聲波檢測及厚度檢查。根據(jù)《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTJ/T F50—2011）、《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（Q/CR9211—2015），鋼材進場后，對同一廠家、同一材質(zhì)、同一板厚、同一出廠狀態(tài)的鋼材，按每10個爐（批）號抽驗一組試樣。復驗內(nèi)容有鋼板力學性能、化學成分等，避免不合格以及帶有缺陷的材料流入產(chǎn)品。

2.2下料

用計算機放樣，鋼板采用數(shù)控等離子切割機和數(shù)控火焰切割機下料，坡口在專用平臺上切割。鋼管下料采用數(shù)控相貫線切割機進行相貫線切割。為保證切割精度，針對不同板厚，選用不同規(guī)格的割嘴和氣體氣壓、切割速度和割縫補償量進行切割實驗，選取切割參數(shù)，檢測切割表面的質(zhì)量及切割面硬度，不允許出現(xiàn)崩坑、鋸齒等表面缺陷。

2.3筒節(jié)制造

板材兩端在專用設備上進行壓頭。在三芯輥床上卷制。筒節(jié)裝配在平臺上進行，焊接在固定專用胎架上進行，焊接采用埋弧自動焊，反面清根。在三芯輥床上完成校圓，檢測其直徑、尺寸，滿足失圓度

2.4主弦管制造

筒節(jié)對接在專用胎架上進行，采用全站儀進行地標放樣。檢驗標準：長度≤±3mm，對接縫處錯邊量≤2mm，線型偏差≤d/6000且≤3mm。筒節(jié)裝配成蝦彎后，吊至滾輪胎架上焊接，焊接采用氣保打底內(nèi)弧縫，外側清根，外弧埋弧焊，焊前打磨見金屬光澤，并預熱至80℃，焊后覆蓋保溫布保溫。

2.5片裝單元件制造

胎架用型鋼制造，片裝分段制造所需的檢查線、中心線均采用全站儀進行地標放樣并作出明顯標記。為保證片裝分段線型，在胎架上用模板來調(diào)節(jié)。上弦管單元件上胎架定位，單元件上胎架時對準地樣上的中心線，并采用工裝將其定位。弦管單元件定位后，按地樣線從拱頂端往拱腳端吊裝橫聯(lián)管，點焊定位。安裝定位內(nèi)側上弦管，采用C02氣體保護焊對稱焊接。為消除參與應力，減少應力集中，對相貫線焊縫焊后進行修磨。將焊縫修磨成r=8的弧度，平順圓滑，嚴禁磨傷母材。

2.6節(jié)段匹配制造

鋼管拱節(jié)段采取“3+1”的方式進行預拼裝，節(jié)段制造過程中拱肋線形及節(jié)段平面幾何尺寸通過地樣和儀器三維坐標測量相結合的方法進行精度控制，節(jié)段側面平面度及腹桿豎向位置以胎架面為基準通過高程測量進行控制。節(jié)段制造過程中嚴格按照工藝流程進行施工，上道工序未完不得進行下道工序施工。節(jié)段匹配制造流程見圖2。

3拱肋加工關鍵技術

3.1 筒節(jié)劃分及精度控制技術

筒節(jié)劃分時盡可能使筒節(jié)長度一致，使板材規(guī)格最少，便于筒節(jié)加工成型，使環(huán)縫避開節(jié)點，減少節(jié)點處焊接應力。確定蝦彎折角θ，使θ

開工前進行切割試驗，通過試驗確定切割參數(shù)，保證切割精度。數(shù)控下料在編程時加放切割補償量，切割補償量根據(jù)切割試驗確定，并在試驗過程中進行跟蹤復核。筒節(jié)零件嚴格控制長度、寬度和對角線差，滾圓加工前畫出長度方向中心線（筒節(jié)母線），作為加工檢查和后道工序定位和劃線基準。筒節(jié)滾圓加工成型后對縱縫進行組裝，嚴格控制裝配間隙，確保筒節(jié)周長、焊縫端頭錯位和焊縫錯變量滿足精度控制要求。焊接完成后重新在滾板機上進行校圓，校圓過程中對圓弧線形用專用樣板檢查，同時檢查筒節(jié)直徑，控制筒節(jié)橢圓度。筒節(jié)校圓完成后進行完工檢查，測量筒節(jié)長度、直徑、橢圓度、縱向彎曲、端口平面度等，合格后方可轉(zhuǎn)入下道工序。

3.2法蘭盤標準化制造及安裝技術（見圖3）

主拱圈安裝重要指標之一就是法蘭盤的密貼度，密貼度不好將會影響橋梁的成橋線性，降低鋼管拱的使用壽命，留下安全隱患。平南三橋?qū)⒎ㄌm盤制作成標準件，法蘭盤加勁板下料時與主拱圈焊縫側做成雙面坡口，并預留2m鈍邊。裝焊法蘭與法蘭盤加勁板，裝焊完畢后將法蘭盤接觸面進行加工處理，此時法蘭盤為標準件，然后配套鉆孔，進行安裝調(diào)試。在法蘭盤安裝調(diào)試完畢后，拱頂側法蘭盤與拱腳側法蘭盤用螺栓鎖緊，將法蘭盤加勁板進行單面焊接。

法蘭盤定位嚴格按照預先匹配成對的編號進行安裝，先以地樣線為基準定位一側構件，與地樣線偏差保證≤1m，然后再以此構件為基準定位另一側接頭部件，通過沖釘和螺栓連接，保證通孔率及貼合面磨光頂緊要求。焊接時將連接部件所有螺栓栓緊，同時保證對稱施焊。

3.3焊接質(zhì)量及焊接變形控制技術

在裝配時，采用的定位焊主體跟其他焊縫規(guī)定要求一樣，定位焊前需打磨焊縫至金屬光澤。筒節(jié)裝配定位焊焊接長度為50～100m，間隔為400～600mm，焊腳尺寸≤1/2設計焊腳，距離焊縫端部30mm以上。進場進行焊接工藝評定，根據(jù)不同材質(zhì)，選取不同的焊絲焊劑，當母材材質(zhì)為Q345C時，埋弧焊焊絲為H10Mn2，φ4.0mm;當母材材質(zhì)為Q420qD時，埋弧焊焊絲為H08MnMoA，φ4.0mm;埋弧焊焊劑均為SJl01q;藥芯焊絲均為E501T-1φ1.2m。焊前進行打磨預熱，預熱至80℃;焊接時根據(jù)焊接角度、坡口角度、板厚進行分層分道焊接，控制層間溫度;焊后用石棉布覆蓋保溫。焊工進場需進行焊工上崗考試，根據(jù)焊接方法不同，分類考試。考試科目分為埋弧焊、45°管對接、相貫線焊接三個科目，不同科目之間嚴禁互用。相貫線焊縫焊后進行修磨，將焊縫轉(zhuǎn)折修磨成r=8的弧度，平順圓滑，嚴禁磨傷母材。

焊接變形是焊接過程中普遍存在的問題，焊接收縮補償量的加放與焊縫間隙及板厚等因素有關。在焊接過程中，記錄焊接參數(shù)、焊前構件尺寸、焊縫間隙;焊后回胎測量，不斷總結，進行經(jīng)驗數(shù)據(jù)的積累。焊接均在焊接胎架上進行，對于易變性的構件，在胎架旁加碼固定構件，軸線偏小時，加撐支撐。針對不同構件、裝配間隙，采用不同的焊接順序。對于主弦管對接，由中至兩邊，隔段跳焊;對于片裝單元件的相貫線，采用對稱施焊;對于總成，先焊接腹桿橫隔相貫線，然后焊接法蘭盤，最后進行吊桿定位焊接。

3.4線型控制技術

主拱肋主弦管由筒節(jié)通過以折代曲焊接而成，直簡節(jié)與斜筒節(jié)交替布置，按蝦彎折角θ對稱施焊，使筒節(jié)拼接成的主弦管達到設計曲度。在主弦管制作過程中，控制下料精度，定時抽檢復核尺寸，進行分析糾偏。將筒節(jié)依次對接，檢查端口坐標及尺寸、筒節(jié)間錯臺及偏位，通過控制蝦彎單元件的線型控制節(jié)段內(nèi)線型。

節(jié)段制造過程中拱肋線形及節(jié)段平面幾何尺寸通過地樣和儀器三維坐標測量相結合的方法進行精度控制，輔以“BIM+點云誤差”進行校核。拼裝場地進行硬化，保證足夠的承載能力，定期進行沉降觀測。采用全站儀進行坐標放樣，激光經(jīng)緯儀進行連線，在恒溫區(qū)間進行量測（25℃），減少溫度帶來的誤差。胎架設計進行受力計算，保證足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性，胎架標高通過水準儀測量，相對高差控制在±1mm以內(nèi)，提高測量基準精度，減少測量誤差。在主拱肋節(jié)段裝配制作時，考慮焊接收縮變形，提前預留焊接收縮余量。焊接時嚴格按照工藝流程及施工要求，依次分步開焊，不得集中焊接以及工序交叉焊接。

主拱肋整體線型通過匹配段線型傳遞，前一輪所有焊接、校正工作完畢后，進行節(jié)段匹配定位，檢查端口尺寸、法蘭盤貼合度、垂直度;然后將匹配段調(diào)至前輪下胎前狀態(tài)，錨管及端頭位置與前輪狀態(tài)偏差控制在±1mm，待就位完畢以及相鄰兩節(jié)段焊接完畢后，進行法蘭盤匹配，確保每輪總成之間的線型平順。

4結語

超大跨徑鋼管拱施工過程較為復雜，施工難度高，需從各個細節(jié)出發(fā)，嚴格遵循設計及規(guī)范標準。本橋從簡節(jié)劃分、零件精度控制、法蘭盤標準化制造、精準安裝、控制焊接質(zhì)量及焊接變形、提高測量基準精度、減少測量誤差等關鍵技術做起，開工前進行切割工藝、焊接工藝、修磨工藝評定，過程中全程跟蹤，不斷總結改善。在精細化管理和標準化建造下，平南三橋主拱肋線形、結構尺寸100%滿足設計及規(guī)范要求;安裝連接精準，接頭部件通孔率100%，法蘭面貼合緊密，間隙<0.2mm，滿足設計及規(guī)范要求。2020-01—10平南三橋主拱肋實現(xiàn)高精度合龍，合龍口弦管對接誤差<3mm，拱軸線橫向偏位<10mm。在吊裝期間，順利召開世界拱橋大會，接受各界專業(yè)人士檢驗，得到業(yè)主及外界人士的高度贊揚。