240m大跨度飛燕式鋼管拱橋制造施工技術(shù)

蔣東強(qiáng)

（中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司 安徽合肥 230000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中大跨度橋梁日益普遍。大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕，韌性好，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中得到廣泛運(yùn)用[1]。在此借助引江濟(jì)淮銘傳路橋鋼結(jié)構(gòu)工程制造過程，總結(jié)大跨度鋼管拱橋制造施工技術(shù)和經(jīng)驗。

1 橋梁結(jié)構(gòu)

橋梁位于引江濟(jì)淮工程江淮溝通段，主橋全長340m，跨徑布置為50m+240m+50m，采用飛燕式鋼管拱橋結(jié)構(gòu)形式。橋梁分兩幅設(shè)置，單幅寬度27.3m；單幅橋設(shè)置2片拱肋，每片拱肋由4根φ850mm×20mm圓形鋼管組成，鋼管之間采用綴板和腹桿連接；拱肋間設(shè)置8道K型風(fēng)撐和1道平行風(fēng)撐。系梁采用正交異性全焊結(jié)構(gòu)，有等高度閉口箱型和等高度雙邊箱開口兩種截面形式。單幅設(shè)置22對整束擠壓吊桿和16根可調(diào)可換式整束水平系桿。

2 施工圖深化

加工前首先對鋼結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行深化設(shè)計，繪制能夠用于生產(chǎn)的構(gòu)件制造工藝圖。節(jié)段劃分和深化設(shè)計結(jié)合了運(yùn)輸限制條件，并且與架設(shè)安裝方案相互配合設(shè)計。利用（TEKLA）專業(yè)軟件進(jìn)行建模，繪制三維圖形，一方面可復(fù)核節(jié)段劃分方案的可操作性，同時也能為加工制造提供立體圖像并指導(dǎo)施工。針對各種構(gòu)件編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書、試裝工藝卡和防腐涂裝工藝卡等用于指導(dǎo)車間生產(chǎn)。

圖1 橋梁三維模型

3 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段劃分

本工程運(yùn)輸?shù)缆窏l件為制造基地至橋位8.2km市政道路，結(jié)合結(jié)構(gòu)形式、制造、運(yùn)輸和現(xiàn)場吊裝等綜合因素，本橋梁劃分為邊拱肋段、主拱肋段、鋼系梁段。各段再劃分為適宜工廠制造和運(yùn)輸?shù)膯卧⒕幹聘鲉卧鳂I(yè)書。構(gòu)件劃分如下：

（1）邊拱：結(jié)合自拱座到邊墩的架設(shè)順序，邊拱劃分為預(yù)埋段BG0、BG1。按此劃分最大構(gòu)件為BG1，尺寸為12.4m×4.7m×2.2m，單件重78.7t。

（2）主拱：主拱段劃分為ZG0～ZG7和合龍段；拱肋間風(fēng)撐單獨(dú)成段，考慮單個風(fēng)撐尺寸為21.75×5.1×5.09m高度超高和超寬因素，采取將K型風(fēng)撐劃分成三個平面梁，在現(xiàn)場組裝為整體方法解決。按此劃分最長構(gòu)件為 ZG4，尺寸為 19.79×2.35×4.85m，單件重 56.3t。

（3）鋼系梁：分段長度結(jié)合運(yùn)輸和架設(shè)條件，全橋系梁劃分為24段，每段長度9.0～12m。每段內(nèi)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分為系桿箱、橋面板單元、T型橫梁。系桿箱單元件寬度2.2m，橋面板單元件寬度3～3.25m，T型橫梁長度11.5m寬度與翼板寬度一致。按此劃分最大單元件XL2a尺寸為7.2×7.8×3.25m，重量 82.9t。

節(jié)段劃分完成后對每個構(gòu)件進(jìn)行編號，以利于構(gòu)件制造及出廠管理。本次構(gòu)件劃分最大噸位均低于吊裝工況荷載限值（吊裝設(shè)備為200t履帶），構(gòu)件尺寸適宜，超寬超高限情況未超過制造廠至橋位的運(yùn)輸限制條件。

圖2 分段劃分

4 焊接工藝評定

焊接工藝作為鋼結(jié)構(gòu)制作質(zhì)量控制要點(diǎn)，通過焊接工藝評定試驗，檢驗按擬定的焊接工藝實施的接頭焊接質(zhì)量，焊接試件經(jīng)檢驗符合《鐵路鋼橋制造規(guī)范》。根據(jù)焊接的方法和施焊位置，確定了24組具有代表性和針對性的接頭組合進(jìn)行焊接工藝評定試驗，包括8組對接接頭、7組全熔透角接接頭、6組部分熔透角接接頭及4組T型角接接頭。根據(jù)不同施焊位置的焊縫和接頭形式，采用焊接方法包括埋弧自動焊（SAW）、實心焊絲CO2氣體保護(hù)焊（GMAW）、藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊（FCAW）共三種焊接方法。定位焊采用CO2氣體保護(hù)焊，具體的焊接材料及焊接方法見表1。

表1 選用的焊接方法及焊接材料

5 加工制造

全橋構(gòu)件較多，在此對具有代表性的幾種典型構(gòu)件的制造過程及技術(shù)要求進(jìn)行總結(jié)。

5.1 零件制造

鋼板預(yù)處理生產(chǎn)線進(jìn)行表面清理、鋼板輥平，零件下料利用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行精密下料，按工藝要求預(yù)留適當(dāng)余量。對零件進(jìn)行平面度和直線度矯正，火焰矯正后鋼材表面無明顯凹槽和損傷。U肋加工過程控制尺寸，開口誤差控制在（-1，+2）以內(nèi)，肢高誤差控制在±1.5mm以內(nèi)。坡口設(shè)在外側(cè)，鈍邊尺寸按照1mm設(shè)置。零件機(jī)加工采用雙面臥式和單面銑床進(jìn)行，可以保證零件的制作精度。

5.2 箱型單元件制造

本項目箱型單元件包括系桿箱、箱型橋面和箱型邊拱，在此以弧形箱型構(gòu)件為例對制造技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

劃線：經(jīng)預(yù)處理后鋼板吊入胎架并畫出縱向與橫向基準(zhǔn)線，以縱向基準(zhǔn)線為基準(zhǔn)采用多點(diǎn)擬合劃線方式在鋼板單元上劃出縱肋定位線及橫隔板組裝定位線，通過此方式控制箱型構(gòu)件弧形。

縱肋組裝：按照從一端到另一端的順序依次組裝并定位焊接。T形肋在反變形胎架上焊接，保證T肋線性均勻，采用火焰矯正對板肋折點(diǎn)處彎曲成形。T肋兩端各留15cm不焊。

切邊：復(fù)測板單元輪廓與縱向基準(zhǔn)線的實際偏差，寬邊按照兩邊切除，長度方向一邊切除，并開制坡口。

桿件槽型制作：板單元吊入校平后的組裝胎架上，底板縱基線與胎架縱基線對正；隔板單元與縱向同軸，垂直度偏差≤2mm[2]。采用支撐固定保證精度，以隔板單元為內(nèi)胎，將頂、底板吊入胎架內(nèi)組裝，檢查垂直度，用千斤頂輔助調(diào)整并定位焊接。

槽裝：按線組裝箱內(nèi)U型隔板、實腹隔板、加勁板等零構(gòu)件。內(nèi)部焊接完成后打磨、修正并進(jìn)行無損檢測，對腹板平面度和箱口尺寸等檢查。

組裝：將剩余一側(cè)的箱體腹板板單元按照縱、橫基線進(jìn)行定位組裝，固定焊接前復(fù)核開口尺寸和對角線偏差。

箱體焊接：箱型組裝完成后，將構(gòu)建轉(zhuǎn)移至焊接胎架上，焊接箱體四道主棱角焊縫必須同向施焊，減少焊接引起的箱體扭曲變形。焊接后24h內(nèi)進(jìn)行焊縫外觀檢查和無損檢測，檢查探傷合格后轉(zhuǎn)入校正平臺采用火焰校正焊接變形[3]。

5.3 正交異性板橋面單元制造

正交異性板橋面單元由面板、U肋、板肋等組成。橋面板焊接在反變形胎架上進(jìn)行，首件記錄分析預(yù)變形量，作為后續(xù)構(gòu)件制造依據(jù)。

板單元構(gòu)件加工：①面板平鋪，畫出縱向U肋基準(zhǔn)線和板中心橫向基準(zhǔn)線。②將面板轉(zhuǎn)移至U肋組裝臺，按照定位線組裝U肋，并進(jìn)行定位焊固結(jié)。③將構(gòu)件轉(zhuǎn)移至反變形胎架平臺；平臺45°放置，采用自動焊接設(shè)備進(jìn)行U肋一側(cè)焊接；單側(cè)焊接完成后，翻轉(zhuǎn)平臺使U肋另一側(cè)朝上，U肋焊接施焊方向一致，兩端預(yù)留5～20cm長度不焊接。④U肋焊接焊縫采用火焰矯正。⑤組拼完成后復(fù)測單元件輪廓線，以縱橫基線為標(biāo)準(zhǔn)切割單元件對接坡口邊。

質(zhì)量控制方法：面板對接，采用火焰矯正的方式，保證整體面的平面度和直線度。U肋加工增加焊接收縮量，首件按0.5%確定，根據(jù)實際焊接后變形情況微調(diào)，經(jīng)成品檢查驗收此預(yù)留收縮量可行。

5.4 桁架式主拱單元制造

大跨度鋼管拱橋制造中，拱肋線型控制做為制造環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。本橋主跨拱肋跨度240m，綜合考慮各項限制因素，鋼管拱肋構(gòu)件采用側(cè)臥式3+1連續(xù)拼裝工藝，有利于對控制橋梁的線形控制、吊桿套管精度定位控制和相鄰接口的匹配對接質(zhì)量的控制。

構(gòu)件下料：主管采用頂彎工藝制作圓弧管，弧長誤差0～10mm，管材下料要留有工藝余量；采用10～12m長直縫焊管，可減少接長焊接，此方法可使拱肋線型更流暢。制造采用數(shù)控切割，確保相貫口精度。

單元制作：按照先將上弦桿和下弦桿組拼成件，后將兩片管桁架組拼在一起的方式，既能保證施工精度要求，也能提高施工效率。在制作胎架按1：1放樣，對拼裝平臺的平面度偏差要求不大于3mm，在平臺上劃出縱橫基準(zhǔn)線，采用多點(diǎn)擬合的方式放出主管定位線，腹桿和吊桿定位線同步畫出。

單片桁架拼裝：在胎架上放入上弦桿并與胎模固定，桿件兩側(cè)留置預(yù)留余量；下弦桿同樣的方式定位。上下弦桿定位無誤后進(jìn)行腹桿的組拼，組拼完成整體尺寸核對無誤后施焊，相貫口焊接接頭采用部分熔透角焊縫，藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，氣體流速20-25L/min。

拱肋綴板組拼：綴板為上下弦桿各兩層，兩層間采用對拉桿加固。對拉孔采取兩塊綴板疊合在一起同步取孔的方式，確保拉桿孔的同心度。按弦桿定位線依次組裝一側(cè)綴板、加勁角鋼、另一側(cè)綴板的順序，完成綴板組裝。

拱肋桁架組拼：綴板焊接完成后，吊裝另外一片桁架并焊接，組拼鋼管中距誤差控制在3mm以內(nèi)，至此一個節(jié)段桁架組拼完成。

拱肋節(jié)段連續(xù)拼裝：測放地樣線，胎架擺放位置避開測量點(diǎn)。拱肋節(jié)段側(cè)放，調(diào)節(jié)使拱肋中面水平。按照吊裝順序連續(xù)組拼三個節(jié)段，控制組拼線型，線型控制包含預(yù)拱度位移量[4]。預(yù)拼完成后定位安裝吊桿套管，完成吊裝監(jiān)測點(diǎn)安裝，拼接口余量的修割，安裝鋼襯墊等工作。組拼順序按拱腳至拱頂合攏段順序進(jìn)行，工廠內(nèi)留置3個節(jié)段如圖3所示，待第4節(jié)段預(yù)拼完成后，吊走第1節(jié)段，依次完成至合攏段的預(yù)拼裝工作[5]。

圖3 單片拱肋連續(xù)拼裝

6 構(gòu)件涂裝

噴砂除銹：噴砂前外露半邊緣磨成半徑為2mm的圓弧倒角，噴砂磨料直徑0.7～1.2mm。空氣出口壓力控制在0.65MPa以上，碰嘴到鋼板表面距離200～300mm，噴射方向與鋼板表面成60°～70°夾角。通過檢查出氣口壓縮空氣清潔度作為質(zhì)量檢查依據(jù)。

本橋鋼結(jié)構(gòu)非外露面僅采用水性冷噴鋅底漆，外露面增加環(huán)氧云鐵中間漆和兩層改性氟碳面漆，其中最后一遍面漆在架設(shè)完成后實施。除銹后4h內(nèi)進(jìn)行涂裝，正式涂裝前做面積不小于1m2的涂裝工藝試驗[6]。涂裝過程中采取隔熱、加熱和通風(fēng)方式，保持漆庫溫度在5℃～38℃，相對濕度80%以下。現(xiàn)場焊縫處兩邊各50mm不涂裝，涂裝時使用濕膜卡檢查濕膜厚度，干膜厚度和累計膜厚達(dá)到設(shè)計值。涂裝完成后，至此構(gòu)架工廠制造工序完成。

7 結(jié)語

大跨度飛燕式拱橋制造施工技術(shù)措施總結(jié)如下：①分段劃分主要考慮超寬超限運(yùn)輸限制，其次是現(xiàn)場吊裝能力，最后綜合考慮加工廠條件限制。②全焊鋼結(jié)構(gòu)中焊接質(zhì)量是制造過程控制重點(diǎn)，制造前工藝經(jīng)焊接評定合格。③飛燕式鋼管拱橋邊拱、主拱及支座處系梁等構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，先做好構(gòu)件施工工藝設(shè)計再制造。④鋼拱橋線型通過胎架基線控制和工廠預(yù)拼裝工藝，可校正拱肋制造線型誤差。

綜上所述大跨度鋼管拱橋梁通過節(jié)段劃分、工藝深化設(shè)計、焊接工藝評定及組拼焊接工藝控制，再結(jié)合三維軟件和試拼等措施，橋梁制造施工可順利實施；此橋的制造工藝和質(zhì)量控制措施可為類似工程提供經(jīng)驗參考。