大直徑鋼管拱冷彎制作工藝探討

張善剛

（安徽省路港工程有限責任公司，安徽 合肥 230000）

目前大直徑鋼管桁架形式多樣復雜，不再局限于直線形鋼管桁架、固定曲率半徑弧形桁架等簡單形式，隨著建筑美觀要求的提高，出現了更多的空間異形鋼管桁架，即空間曲線形鋼管桁架。對于這種桁架的出現，對鋼結構施工工藝提出了更高的要求，特別是對桁架的上下弦曲線形鋼管的彎制成型，需要采用更合理、更符合質量要求的新工藝。針對一些工程桁架材料材質多為Q345系列的大直徑厚壁鋼管，在制作過程中，人工進行焊接或火焰煨彎，不僅費工時而且制作精度不容易控制，達不到設計要求。文章提出了大直徑鋼管冷彎成型的加工工藝，其是在實際生產中開發形成的，并在唐家山特大橋中進行了實際應用。采用該工法彎制成型鋼管，不僅加工速度快、質量好，還有效提高了經濟效益、安全效益及社會效益，具有廣泛的推廣應用價值。

1 工藝特點

（1）該工法克服了采用短節段焊接或火焰煨彎制作費工、費時和精度不容易控制等缺陷，有效地解決了大直徑鋼管的彎曲成型加工精度控制等難題。（2）該冷彎成型加工工法既可以進行固定曲率的鋼管彎曲，也可以進行變曲率、平面或不規則圓形鋼管的彎曲。（3）采用該工法彎管成型之前，需要充分利用計算機輔助軟件，通過平面或空間放樣，給出每隔一定軸線等間距的彎曲控制點的坐標值，以控制彎管加工成型。（4）采用該工法彎曲鋼管成型，設備投入少，操作方便，質量好，工作效率高，經濟效益、安全效益、社會效益顯著。

2 適用范圍

（1）該工法適用于建筑領域大跨度空間結構中簡單的圓形鋼管彎曲成型，同樣也適用曲線不規則圓形鋼管的彎曲成型。（2）該工法還適用于需要相同頂彎應力和曲率半徑及各類低碳鋼制作的型鋼的彎制施工。

3 工藝原理

3.1 計算機輔助放樣

復雜的大直徑彎曲鋼管桁架，先利用計算機CAD輔助設計軟件，將彎曲管桁架的各控制點依次連接擬合成空間光滑弧線；再利用坐標系轉換原理，將三維曲線轉化成二維平面或平面外Z向值較少的三維曲線，并根據精度控制要求布設等間距加密控制點，獲取相應設計參數，以控制彎管加工精度。

3.2 鋼管冷彎原理

鋼管彎曲主要由兩臺液壓千斤頂利用力學杠桿原理在兩端同步對稱施加推力，管中間采用靠模作為支點，然后利用力的平衡原理進行鋼管彎制，使鋼管彎曲達到塑性變形，如圖1所示。

圖1 彎管示意圖

4 施工要點

4.1 曲線建模及放樣

利用計算機輔助設計軟件CAD標出拱形橋梁每榀鋼管桁架弦桿的參數及特征點、控制點，然后根據所有特征點、控制點擬合成曲線方程，最后根據曲線將弦桿各控制點連接擬合成空間光滑弧線。曲線擬合過程操作要領：（1）擬合曲線必須經過所有控制點，如果沒有經過所有控制點或少經過控制點，勢必造成曲線方程冪次數降低，曲線擬合不充分而造成誤差。（2）擬合曲線時若發現有曲線拐點出現，需檢查控制點建模錯誤，有拐點的擬合曲線圖如圖2所示。由于控制點的錯誤在2、3、4之間易出現拐點，需及時修正。（3）采用坐標系轉換原理，將三維曲線轉化成二維平面或平面外Z向值較少的三維曲線，并進行等間距加密控制點，以控制彎管精度；再利用CAD輔助設計軟件平臺上開發的軟件對各控制點的坐標進行標注，以作為彎管時的控制值，加密控制點的曲線圖及控制坐標如圖3所示。

圖2 有拐點的擬合曲線圖

4.2 下料切割

圖3 加密控制點的曲線圖及控制坐標

通過對彎曲弦桿的曲線放樣，在計算機輔助軟件中可以查詢出彎曲弦桿的軸線長度，即擬合曲線長度。因彎曲時兩端各有一部分直段（約300mm長），即下料長度為直線長度加上600mm。鋼管采用數控相貫線切割機進行下料切割，以保證下料切割的精度，數控相貫線切割下料現場圖如圖4所示。鋼管切割完成之后，在直段鋼管采用粉線標出管軸線及控制點位置的標記環線。

圖4 數控相貫線切割下料現場圖

4.3 液壓頂彎

（1）頂彎設備裝置準備。液壓頂彎設備主要由兩臺油壓千斤頂、頂彎靠模、控制油缸及剛性控制操作臺組成。兩臺油壓千斤頂需根據待彎管的管徑及壁厚的大小選用，一般選用600t或1000t的型號。另外，根據鋼管彎曲的曲率半徑選用靠模。頂彎設備裝置圖如圖5所示。

圖5 頂彎設備裝置圖

（2）直管放置。采用行車或吊機將直徑符合設計要求的鋼管吊入頂彎設備裝置內，水平放置且一端采用油壓千斤頂壓緊。在鋼管和千斤頂之間采用專用的夾具定位裝置，保證千斤頂對鋼管的傳力均勻，以免造成鋼管被壓扁或局部曲屈、不在同一平面內等現象。鋼管放置圖如圖6所示。

圖6 鋼管放置圖

（3）平面彎管。通過校核過的數控油壓控制采用兩臺千斤頂同步對稱對鋼管施加外力，使鋼管整體彎曲達到設計要求的塑性變形。在彎曲的同時通過控制進給量，確定是否彎曲到位。彎曲需分多步頂進，且速度要求緩慢，以免出現起皺現象。彎曲到位置后需持荷靜置30～60s，最后回油釋放外力。鋼管液壓頂彎圖如圖7所示。

圖7 鋼管液壓頂彎圖

（4）平面外彎管（Z向彎管）。通過對平面的彎管弧度校正后，將鋼管旋轉90°，然后進行Z向的頂彎。但Z向彎管的幅度只能控制在200mm以內，即平面外的彎管行程只能在200mm以內。

（5）切割端頭直線段。

4.4 檢測與矯正

采用高精度全站儀，對每一根鋼管建立局部坐標系，沿著彎管基準線對控制點位進行檢測，必要時在中間補充插入一些點，記錄測量點的三維坐標。將實測坐標輸入計算機后，轉換為圖紙構件的同一坐標，用曲線擬合后還原成實物的中心軸線。將實測構件關鍵點坐標與構件理論模型最大擬合對齊，得出偏差。如果偏差超過10mm，則需要重新上機彎管平臺進行局部矯正；偏差小于10mm，則可以進入下道對接工序。實測與理論對比圖如圖8所示。

圖8 實測與理論對比圖

5 結論

（1）采用計算機輔助放樣，保證了加工制作及后期對接精度，冷頂彎可實現長管節的頂彎成型，減少了現場的拼接作業量和高空作業，加快了生產進度，減少了高空作業安全風險，從而降低了生產成本。（2）生產設備投入少，可實現施工現場就地頂彎加工，減少超長構件山區運輸受限難題，費用低，僅需兩臺油壓千斤頂改裝成彎管設備，操作簡單、方便，且頂彎變形可控。（3）經工程實踐驗證，采用本工法，彎管生產效率比正常彎管機彎管生產效率提高了3倍，同時彎管成本只有火煨彎管的50%。（4）該工藝可以進一步向數字化和智能化方向升級，前景廣闊。