鋼管混凝土拱橋主弦管“以折代曲”工藝及質量控制

摘要：文章以某在建超大跨度鋼管混凝土拱橋的主拱圈主弦管制造為例，探討“以折代曲”的主弦管加工工藝原理及其關鍵技術，并從鋼板下料、焊接坡口切割、鋼管筒節制作、地標放樣、胎架制作、主弦管上胎裝焊等方面，闡述主弦管“以折代曲”的工藝流程和各階段質量控制要點及檢測重點。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋;主弦管加工工藝;以折代曲;質量控制

中圖分類號：U448.34

0 引言

我國作為鋼管混凝土拱橋的建設大國，在世界拱橋發展史上起著重要的作用，從巫山長江大橋到合江長江一橋，再從平南三橋到天峨龍灘特大橋，中國鋼管混凝土拱橋一次次地刷新了世界拱橋最大跨徑的記錄。隨著我國建設的鋼管混凝土拱橋跨度越來越大，很多工藝工法得到了不斷的優化和升級，其中在大型鋼管拱肋節段加工制造中，弦管的彎制也經歷了熱煨彎管工藝、中頻彎管工藝和“以折代曲”的弦管制作工藝[1]。本文通過研究鋼管混凝土拱橋主弦管加工制造的全過程，探討“以折代曲”的工藝原理、關鍵技術、施工工藝流程及質量控制重點。

1 工藝原理

鋼管混凝土拱橋鋼管拱肋鋼結構加工制造的關鍵在于將主弦管加工成滿足設計及規范要求的懸鏈線形，并保證成橋后拱肋軸線上的各點坐標滿足設計及規范要求[2]。主弦管的制造采用了“以折代曲”的加工工藝，其完工的焊縫質量和線形精度直接影響了鋼管拱肋吊裝的對接精度和成橋的質量。

“以折代曲”工藝是采用短直鋼管分段直線逼近的方法形成鋼管弦管的弧線[3]，其關鍵在于制作有長邊和短邊的單個鋼管筒節（見圖1），并將若干個鋼管筒節按弦管設計弧線裝焊，弦管裝配階段要求鋼管筒節短邊與短邊對接形成弦管內弧，長邊與長邊對接形成弦管外弧（見圖2）。

2 關鍵技術

2.1 全橋拱肋線形放樣

施工圖繪制階段需根據理論拱軸坐標和預拱度值，經計算分析后進行1∶1的全橋拱肋線形放樣。

2.2 鋼管筒節劃分

“以折代曲”工藝的核心是在圖紙上將鋼管拱肋的主弦管進行拆分，并在實際施工中將拆分的單個鋼管筒節按照理論弧線線形裝焊成主弦管實物。單個鋼管筒節的長度越短、數量越多，則成橋弧線越圓順，曲線越接近理論值，但是焊縫數量也越多;反之雖然可以減少焊縫數量，但成橋弧線不圓順，實際曲線也會偏離理論弧線[4]。鋼管筒節的劃分還須按《公路工程質量評定檢驗標準》（JTG F80/1-2017）[5]中內弧偏離設計弧線允許偏差要求考慮，主弦管劃分為單個鋼管筒節時，單個鋼管筒節長度方向存在一個離理論線形軸線最遠的點，如果單個鋼管筒節劃分長度越長，則該點偏離理論線形軸線越遠，主弦管自然也不符合規范中內弧偏離設計弧線允許偏差的要求。

2.3 鋼板下料工藝

除每段鋼管拱肋主弦管拱頂側第一個鋼管筒節所用鋼板須在節段接頭處預留切割余量外，其余主拱肋鋼管筒節用鋼板均根據1∶1放樣和號料結果采用無余量一次下料工藝。

2.4 焊接工藝

鋼管拱肋主弦管的焊接工藝由焊接工藝評定確定。焊接工藝評定應包含焊接評定項目的接頭形式、試板材質、焊接材料、焊接方法、適用部位等內容。某在建超大跨度鋼管混凝土拱橋主弦管鋼管筒節間環縫對接和單個鋼管筒節的縱縫對接處采用的焊接工藝是：CO2氣保焊打底，埋弧焊先焊管內側坡口，背面清根后埋弧焊再焊管外側，環縫和縱縫均要求全熔透。

2.5 錯縫及節點接頭避讓

通過“以折代曲”工藝加工形成的主弦管環縫和縱縫較多，所以主弦管要考慮本身焊縫的錯縫，并且要提前考慮在之后的工序中節點避讓的問題：主弦管的縱縫和環縫與節點板、短接頭、平聯、腹桿及橫撐等節點接頭的避讓，錯縫及節點接頭避讓應滿足《鐵路鋼橋制造規范》（QC/R 9211-2015）4.8節[6]的要求，同時還要考慮實際生產中施焊的可操作性。

2.6 編號、標識及施工輔助線

編號及標識是整個鋼管拱肋鋼結構加工制造全過程中配套生產、溯源和追蹤的基礎;中心線及腰線等輔助線是下一道工序施工高精度定位的有效保障。所以主弦管制造階段的編號及標識是必要的，并且要為下一道工序劃好輔助線，以便在下一道工序中做到配套生產和在構件不同工位的情況下實現高精度定位。

3 “以折代曲”施工工藝

本文以某在建超大跨度鋼管混凝土拱橋的主拱圈主弦管制造為例，通過主弦管加工制造的全過程探討“以折代曲”施工工藝及其技術規程。該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋主拱圈鋼管拱肋主弦管直徑為900 mm，壁厚有30 mm和35 mm兩種規格。全橋鋼管拱肋劃分為208根主弦管，每根主弦管由若干個鋼管筒節裝焊而成，單個鋼管筒節長度范圍為1 400～2 800 mm。

3.1 鋼板下料

（1）鋼板進場后采用全自動數控火焰切割機進行無余量一次下料切割（除主弦管拱頂側第一個鋼管筒節需預留余量外），并且遵循《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650-2020）的要求：鋼板的軋制方向與其主要應力方向一致[7]。在單個鋼管筒節制作階段，其主要應力方向即是鋼管筒節的卷板方向，所以在下料切割階段，應將鋼管筒節的卷板方向設置在鋼板的軋制方向上。

（2）全自動數控火焰切割機割嘴的運行路徑通過數控編程設計，為了能最終制作出有長邊和短邊的單個鋼管筒節，要求用于鋼管筒節制作的鋼板拱頂端和拱底端方向的邊緣按折線路徑切割，最終切割形成一塊六邊形的下料鋼板。因為該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋所用鋼管筒節長邊與短邊的差值為3～8 mm，所以形成的六邊形下料鋼板不明顯。

3.2 焊接坡口切割

下料切割完成后進行開坡口施工，即將下料切割好的鋼板邊緣采用半自動火焰切割機切割成焊接的對接形式。該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋鋼結構加工場內半自動火焰切割機主要有軌道和滾輪兩種形式。軌道式開坡口需鋪設軌道，并保證行徑順直，主要用于切割直線坡口（鋼管筒節縱對接縫方向的邊緣）;滾輪式開坡口不采用軌道，滾輪沿著坡口邊帶動切割機行走，主要用于切割折線坡口（鋼管筒節拱頂端和拱底端方向的邊緣）。

3.3 鋼管筒節制作

3.3.1 采頭施工

坡口切割完成后將鋼板轉運到采頭區，用石筆標記出采頭的定位線和鋼板的參照線，按參照線的標識將鋼板端部放入油壓機中，油壓機按采頭的定位線對鋼板端頭進行采頭施工。采頭施工的目的是在卷板之前將三輥卷板機難以卷彎的端頭預先壓制成形。

3.3.2 卷板施工

卷板施工是采用三輥卷板機將采頭完成的鋼板在其軋制方向上反復擠壓使其彎曲，最終卷至鋼管筒節的形狀。卷板施工完成后需在初步成形的鋼管筒節縱對接處進行定位焊固定，根據《鐵路鋼橋制造規范》（QC/R 9211-2015）的要求，定位焊縫距設計焊縫端部應>30 mm，其長度為50～100 mm，相鄰定位焊縫間距為400～600 mm。

3.3.3 縱縫焊接

（1）焊接前應在鋼管筒節縱縫端部連接引弧板。根據《鐵路鋼橋制造規范》（QC/R 9211-2015）的要求，引弧板的材質、坡口及板厚應與所焊件相同，且長度應≥100 mm。引弧板的作用是將埋弧焊起弧和熄弧形成的缺陷都留在引弧板上，以此來保證母材上的焊縫質量，待鋼管筒節內外側縱縫焊接完成后再切割引弧板，并打磨母材上連接引弧板的端部。

（2）某在建超大跨度鋼管混凝土拱橋主弦管母材材質為Q420qD-Z25的鋼板，焊前須在焊縫兩側80～100 mm區域內預熱，預熱溫度為100 ℃～120 ℃，同時焊接環境的相對空氣濕度須在80%以下，焊前還須將焊縫兩側30 mm范圍打磨除銹干凈。

（3）鋼管筒節的焊接首先采用二保焊對內側縱縫進行打底，打底完成后再采用埋弧焊進行填充和蓋面焊接，埋弧焊的起弧和熄弧必須在鋼管筒節縱縫端部80 mm以外的引弧板上。焊接過程中要控制每道焊縫的層間溫度，控制在120 ℃～150 ℃。采用點溫計在焊接過程中進行監控。

（4）內側縱縫焊接完成后在管外側對焊縫進行氣刨清根處理，其主要目的是將點焊和內側縱縫焊接產生的熔渣刨掉，更好地實現全熔透。

（5）管外側縱縫的埋弧焊焊接在氣刨清根完成后。在施焊過程中，焊劑不斷自動流入包裹和保護熔池，杜絕空氣中的有害元素滲入熔池，影響縱縫質量。

3.3.4 校圓施工

完成縱縫焊接的鋼管筒節需重新回到卷板機進行校圓施工，校圓完成后鋼管筒節的幾何尺寸才能達到最終的設計值。

3.4 地標放樣及胎架制作

主弦管加工制造前，需選擇有足夠承載力且不易發生沉降的平臺。根據理論拱軸坐標和預拱度值，經計算分析后在施工平臺上按1∶1進行地標放樣，并按地樣坐標的線形，制作主弦管拼裝專用胎架。

3.5 主弦管上胎裝配

主弦管胎架制作完成并檢測合格后，鋼管筒節按施工圖及地樣線形逐個上胎定位，并將若干個有長邊和短邊的單個鋼管筒節按弦管設計弧線進行裝配。弦管裝配階段要求鋼管筒節短邊與短邊對接形成弦管內弧，長邊與長邊對接形成弦管外弧，最終實現短直鋼管分段直線逼近形成主弦管的弧線。

3.6 主弦管環縫焊接

主弦管裝配完成并檢查后進行環縫焊接。首先，采用二保焊對內側環縫進行打底，打底完成后再采用懸臂埋弧焊機進行填充和蓋面焊接。內側環縫焊接完成后在管外側對焊縫進行氣刨清根處理，氣刨清根完成后采用埋弧焊對管外側環縫進行焊接。主弦管裝配如圖3所示。

3.7 主弦管回胎矯正

主弦管環縫焊接完成后還需進行回胎檢測。回胎的主要目的是通過地樣線和水平胎架檢查主弦管的完工線形。如果該階段線形超過預期，則需采取火工矯正的方法對超出部位進行矯形，該過程與熱煨彎管工藝相同，采用火焰加熱的方式使主弦管局部發生形變，必要時還需采用千斤頂進行頂壓輔助矯正。

4 質量控制重點

4.1 鋼板下料切割

全自動數控火焰切割機和半自動火焰切割機屬于精密切割下料設備，所以鋼板下料和開坡口應符合《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650-2020）的要求，在數控切割下料編程時除應考慮焊接收縮外，還應考慮切割熱變形的影響。另外，《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650-2020）給出了鋼板號料外形尺寸的允許偏差，應為±1 mm。鋼板切割面質量應符合《鐵路鋼橋制造規范》（QC/R 9211-2015）中表4.3.3焰切面質量的相關要求。

4.2 鋼管筒節制作

4.2.1 鋼管筒節完工外形尺寸

鋼管筒節完工外形尺寸偏差應符合《鋼管混凝土拱橋技術規范》（GB 50923-2013）表8.3.1中鋼管構件外形尺寸允許偏差[8]的要求。本節將結合整個主弦管制造的全過程對《鋼管混凝土拱橋技術規范》（GB 50923-2013）表8.3.1中列出的檢查項目及允許偏差進行解讀：

（1）長度允許偏差≤±3 mm。主弦管用鋼管筒節長邊長度和短邊長度允許偏差均要求≤±3 mm。多個鋼管筒節長度累計偏差會影響主弦管的總長度，單個鋼管筒節長度偏差較大或多個鋼管筒節累計誤差較大也會對主弦管的曲率、內弧偏離設計值及線形的走向產生影響。

（2）縱向彎曲允許偏差≤L/1 000且≤5 mm（L為鋼管筒節理論長度）。主弦管劃分為單個鋼管筒節時，單個鋼管筒節長度方向的中點是離理論線形軸線偏差最遠的點，如果單個鋼管筒節劃分長度越長，則線形偏離理論線形軸線越遠，所以鋼管筒節都采用短直鋼管。有一定板厚和直徑的短直鋼管不容易發生縱向彎曲，所以該項可不作為重點檢查項目。

（3）橢圓度允許偏差≤D/500且≤5 mm（D為鋼管筒節理論直徑），直徑允許偏差≤±D/500且≤±5 mm。鋼管筒節的橢圓度偏差和直徑偏差是造成主弦管裝配時對接縫處產生錯邊的主要原因，對接縫處錯邊會造成環縫有效截面積減少，影響構件受力和傳力。

（4）管端不平度允許偏差≤D/500且≤3 mm。這里的管端不平度是實測的鋼管筒節端部平面與理論設計值的差，因為單個鋼管筒節有長邊和短邊，所以其理論端部平面是不垂直于單個鋼管筒節長度方向的。端部平面度偏差會造成主弦管對接縫處產生間隙，如果間隙過大還會影響環縫的焊接施工。

4.2.2 縱縫外觀質量及內部質量要求

（1）鋼管筒節縱縫必須在全長范圍內進行外觀質量檢查，不得有裂紋、未融合、夾渣、未填滿和焊瘤等缺陷，并應符合《鐵路鋼橋制造規范》（QC/R 9211-2015）表4.9.12焊縫外觀質量標準的規定。

（2）鋼管筒節縱縫全長進行100%的超聲波探傷，超聲波探傷質量等級為Ⅰ級，檢驗等級為B級[6]。該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋鋼管筒節所用鋼板厚度分為30 mm和35 mm兩種，這兩種板厚的鋼管筒節縱縫還需分別增加10%的射線探傷和10%的超聲波探傷，且應符合《鐵路鋼橋制造規范》（QC/R 9211-2015）的要求。

4.3 地標放樣及胎架制作

（1）主弦管地樣為其理論外輪廓水平投影上的坐標點，直接反映主弦管的線形、曲率、長度等重要信息，是制作和檢查主弦管線形的重要手段。主弦管地樣坐標允許偏差控制在±1 mm內。

（2）胎架是主弦管的加工制造平臺，直接影響主弦管貼胎面的線形，所以要保證胎架建在有足夠承載能力的平臺上，胎架本身要有足夠的承載力和強度，確保能承受主弦管的重量。胎架完工驗收要重點檢查承接主弦管的支承平面標高，整個支承平面的相對標高允許偏差控制在±1 mm以內。

4.4 主弦管制造

4.4.1 主弦管裝配質量控制重點

裝配檢查是焊接前控制主弦管線形、長度、對接縫處錯邊量和間隙的重要手段，既要按設計尺寸對主弦管進行裝配檢查，又要考慮焊接收縮的影響并預留余量。

（1）主弦管裝配施工過程中，要保證鋼管筒節對接縫處的間隙和錯邊符合設計、工藝及規范的要求。環縫間隙按工藝要求控制，該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋主弦管鋼管筒節間環縫對接處采用的焊接工藝對環縫間隙要求為0;對接縫處的錯邊按《公路工程質量評定檢驗標準》（JTG F80/1-2017）的要求：≤0.1倍板厚，且≤2 mm。

（2）下彎管長度方向應留有足夠的余量：①為了抵消環縫焊接產生的收縮變形;②為了預留端頭余量給片裝單元件制造和總成匹配制造，更好地實現鋼管拱肋節段間的高精度對接。

（3）主弦管裝配內外弧線形通過地樣坐標和吊線錘的方式來控制，其允許偏差應參考公路工程質量評定檢驗標準》（JTG F80/1-2017）中內弧偏離設計弧線允許偏差的要求，但同時也要考慮到之后工序加工產生誤差的累積。“以折代曲”加工工藝中，主弦管內外弧線形控制以焊前控制為主，即裝配前有誤差就要及時調整，如果焊后發現誤差超出預期才采取返工或者火工矯正的方法調整，則偏差往往達不到允許值。

4.4.2 主弦管焊接完工質量控制重點

（1）主弦管的完工內外弧線形是質量檢查的控制重點，需回胎檢查，其應符合《公路工程質量評定檢驗標準》（JTG F80/1-2017）表8.8.6-1中內弧偏離設計弧線允許偏差<8 mm的要求。但是在主弦管加工階段，不能把8 mm的允許偏差值全部用完，因為在后續片裝單元件制造和總成匹配制造的過程中還會產生偏差，而且每個工序產生的偏差都會累加，所以在主弦管制造階段，該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋將線形誤差控制在2 mm內，必要時還需對弦管線形偏離設計值較多的部分進行火工矯正。

（2）核查主弦管的編號、標識及施工輔助線是否清晰準確。

（3）環縫外觀質量及內部質量的要求參照前文。

5 結語

“以折代曲”的工藝因其比早期的熱煨彎管和中頻彎管等工藝更能高精度地控制弦管的線形，所以一直被應用于大跨度鋼管混凝土拱橋的鋼管拱肋加工中，并且相對于其他需加熱和外力頂壓輔助彎管的鋼管彎制工藝，“以折代曲”還有著更經濟、更好控制、返工量少等優勢。近年來，隨著國內大跨度鋼管混凝土拱橋的興起，“以折代曲”工藝被更加廣泛地應用于弦管的加工中，因此如何應用“以折代曲”工藝更加高精度地控制鋼管拱肋的線形成為鋼結構施工過程中探討的重點。本文通過全面闡述主弦管加工全過程的施工流程及技術規程，為超大跨度鋼管混凝土拱橋鋼管拱肋主弦管的加工制造提供參考。

參考文獻

[1]王宏軍.淺談鋼管混凝土拱橋的發展現狀與施工工藝[J].科技創新導報，2008（13）：64.

[2]劉燦磊，阮先波，李秀軍，等.大跨度鋼結構拱橋的加工制作[C].2010全國鋼結構學術年會論文集，2010.

[3]王小敏.青干河大橋鋼管拱肋的制作工藝與質量控制[J].中外公路，2003（3）：30-32.

[4]張西謀，徐學年.136鋼管拱橋管節整體切割技術[J].鋼結構，2012（9）：54-58.

[5]JTG F80/1-2017，公路工程質量評定檢驗標準[S].

[6]QC/R 9211-2015，鐵路鋼橋制造規范[S].

[7]JTG/T 3650-2020，公路橋涵施工技術規范[S].

[8]GB 50923-2013，鋼管混凝土拱橋技術規范[S].

作者簡介：

陳冠名（1995—），助理工程師，主要從事鋼結構監造工作。