某中承式鋼拱橋加工制作研究

李興亮 謝超 李成杰 林旭嘉

摘? 要：鋼結構工程因其施工快、強度好、剛度大和環保等優點，儼然已經成為建筑業中的超新星之一，在橋梁工程中鋼箱梁同樣也是橋梁交通網絡系統中不可或缺的一部分，其中鋼拱橋因其獨特的造型而受到各地區的追捧，已經成為各地區必備的地標性交通設施。但與一般的鋼箱梁相比，鋼拱肋的安裝精度是重中之重，而安裝精度的前提就是制作精度，鋼拱肋加工制作的精度直接影響到安裝時鋼拱橋的合龍精度。該文以石家莊跨環城水系泊水灣特大橋為例，分析該項目中鋼拱肋的加工制作關鍵技術，尤其是鋼拱肋節段的組裝技術，其鋪設先后順序為大腹板、隔板、頂底板、吊耳節點、小腹板、斜腹板及其縱肋等。并在最后給出組裝過程中的關鍵技術要求，一為線形控制的關鍵手段即控制零件的精度及地胎的精度，二為焊接控制的關鍵手段即保持待焊區域的干凈與整潔、引弧板和熄弧板的設置與選擇以及焊接工藝的評定。

關鍵詞：鋼拱肋；加工；精度；組裝；線形；焊接

中圖分類號：U445.4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0121-04

Abstract： Steel structure engineering has become one of the supernovae in the construction industry because of its fast construction， good strength， high stiffness and environmental protection， and steel box girder is also an indispensable part of the bridge traffic network system in bridge engineering. Steel arch bridge is sought after by various regions because of its unique shape， and has become a necessary landmark traffic facilities in various regions. However， compared with the general steel box girder， the installation accuracy of steel arch ribs is the most important， and the premise of installation accuracy is the manufacturing accuracy， which directly affects the closure accuracy of steel arch bridge during installation. Taking the Boshuiwan Bridge of Shijiazhuang water system around the city as an example， this paper analyzes the key technology of the processing and manufacture of steel arch ribs in this project， especially the assembly technology of steel arch rib segments. The sequence of laying is large web， partition， top and bottom plate， lifting ear joint， small web， oblique web and longitudinal rib and so on. At last， the key technical requirements in the assembly process are given， one is the key means of linear control， that is， to control the accuracy of parts and the accuracy of ground tire; the other is the key means of welding control， that is， to keep the area to be welded clean and tidy， as well as the setting and selection of arc plate and flameout plate， and the evaluation of welding process.

Keywords： steel arch rib; machining; precision; assembly; alignment; welding

鋼拱橋是一種使用鋼材構建的拱形橋梁，其發展可以追溯到19世紀末和20世紀初，當下，鋼拱橋已經成為了眾多地區的交通地標。因其獨特的造型，鋼拱橋在現場安裝時需要很高的精度，而鋼拱橋的加工制作是保證安裝精度的前提，各位學者對鋼拱橋加工制作的研究也不勝枚舉。例如，郭延飛等[1]指出飛雁式異形鋼結構拱肋曲線復雜，拱肋截面高度隨拱軸線線性變化，給鋼結構制作加工帶來很大困難。并根據給出的坐標自行設計了一個計算方程式應用到制作中，成功地解決了這個問題。劉興焱[2]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。孟慶勝[3]以實際工程為例，論述空間既有彎曲又有扭曲，截面為漸變異形的鋼結構鋼拱肋的加工工藝，并應用了一系列三維建模技術進行了研究，成功保證了空間變截面鋼拱肋的加工精度。李國華[4]指出廠內加工制造精度是決定拱肋實現高精度合龍的重要環節，也是確保拱肋成拱線形的關鍵因素，并通過對拱肋節段控制點進行2次坐標轉換的雙重線形控制，確保鋼拱肋節段廠內制造精度。除了加工制作之外，余浩淼[5]介紹了大跨度拱橋鋼拱肋吊裝施工關鍵技術，結合春申塘橋主橋下承式簡支系桿拱組合橋梁中鋼拱肋吊裝施工環節，就鋼拱橋整體吊裝方案進行了理論分析，為施工進一步提供實施依據。

通過以上分析可知，對鋼拱橋加工制作問題的研究并不多，而且各學者對拱肋加工制作問題研究的也不全面，下面以石家莊市復興大街市政化改造泊水公園特大橋項目工程為例，對鋼拱肋的加工制作關鍵技術作出分析，以期對類似工程提供相關參考。

1? 工程介紹

1.1? 項目簡介

泊水公園特大橋是跨越泊水公園環城水系的重要節點工程（無通航要求），也是全線的景觀亮點工程，建成后的泊水公園特大橋將是重要地標建筑。橋位位于南三環立交北側，是標段項目中技術較復雜、規模較大的橋梁。主跨為1～130 m中承式鋼箱拱橋，主拱跨徑117.026 m，拱肋采用六邊形鋼箱斷面，拱全寬2.5 m，拱頂、底寬1.9 m，拱頂中部順橋向60 m范圍內的截面高為2.5 m，其余按弧長線性變化至拱腳處4.5 m，拱肋在橋面處與系梁連接，平衡拱的部分水平推力，拱腳處與拱座固結，結構關于跨中對稱布置。拱肋橫橋向在拱梁相交節點處通過橫梁相連，為保證拱肋受力安全和側向穩定，同時出于行車景觀考慮，全橋設置橫向風撐，風撐之間鋼板連接，形成橢圓開孔造型頂棚。鋼拱肋三維視圖如圖1所示。

1.2? 拱肋制作重難點及處理措施

根據鋼拱肋構造特點，考慮到其加工主要有以下重難點。

1.2.1? 拱肋線形控制難度大

應對措施：采用合理的地胎方案，嚴格控制地胎穩定性和地胎精度（嚴格執行地胎詳圖的點位控制），通過數控下料、數控鉆孔等零件加工精度控制，單元件制作并專檢，總裝長線法預拼裝制作的工藝控制流程，嚴格控制各節段的平面度及尺寸精度、整體線型偏差和線型連續性。

1.2.2? 拱肋焊接變形及內應力大

應對措施：橋梁焊接需有合格的焊接工藝評定支撐，單元件焊接、總裝焊接前須根據焊接方法、焊接位置、零件材質、板厚和接頭形式等制定合理的焊接工藝，條件允許或易于翻轉時，盡量避免仰焊，合理采用立位焊接，多采用平位、橫位焊接。全熔透、部分熔透焊接量較大的接頭，宜雙面交替焊接，盡可能多地增加交替次數；不能雙面對稱焊接時，在保證焊縫質量的同時宜采用小電流高焊速多道次的焊接方式完成焊接，焊縫焊接量較大的長焊縫宜采用分段退焊。

2? 加工制作關鍵技術分析

鋼拱肋的加工制造主要劃分為以下4個階段：鋼板預處理及零件下料、鉆孔、削坡等材料加工準備階段；板單元件鉚對、焊接、矯正、檢驗階段；單元件驗收合格后上胎進行構件組裝、整體焊接及節段預拼裝階段；構件制作交驗合格進行二次清理、涂裝及驗收階段。下面對關鍵工序即鋼拱肋的節段組裝及組裝過程的關鍵技術要求進行介紹。

2.1? 拱肋節段組裝

拱肋的組裝嵌套示意圖如圖2所示。

鋪設大腹板單元，如圖3所示。

鋪設隔板單元，如圖4所示。

立兩側的頂、底板單元，將隔板精確定位后，進行U型槽內部焊縫焊接，隔板與頂底板立位焊縫，隔板與大腹板橫位焊縫，進行頂底板和大腹板間箱內主縫的焊接，如圖5所示。

插入吊耳節點，并焊接耳板與隔板、底板焊縫，安裝總裝件并焊接，裝配小腹板單元件，如圖6所示。

裝配斜腹板單元件的縱肋，縱肋以隔板R孔為定位基準，煨彎定位焊接。裝配斜腹板面板，以隔板和拱底端為基準進行裝配，面板扭曲需采取外力或外力加火焰矯形的方式實現，斜腹板在胎上裝配完成，需下胎進行單元件的焊接及檢驗，然后再次上胎進行總裝定位焊接。進行頂底板與斜腹板、斜腹板與小腹板間的箱內主縫的焊接，如圖7所示。

2.2? 組裝關鍵技術要求

2.2.1? 線形控制關鍵手段

線形控制關鍵之一，零件精度控制。零件宜采用火焰或等離子（數控、自動、半自動）切割下料，橋梁零件下料嚴禁采用剪板剪切。在數控切割下料編程時除應考慮焊接收縮量之外，尚應考慮切割熱變形的影響；手工氣割僅可用于工藝特定的或切割后仍需加工的零件。

線形控制關鍵之二，地胎精度控制。為提高節段拼裝精度，按技術部發放的三維坐標搭設地胎。各地胎平面坐標在地面上劃線定位完成后，進行X值、Y值的檢測測量，偏差不得大于±2.0 mm；地胎制作完畢，對地胎高程進行測量，相鄰兩點的高程允許偏差在±2 mm以內，任意兩點的高程允許高差小于等于3 mm。

2.2.2? 焊接控制關鍵手段

焊接控制關鍵之一，保持待焊區域的干凈與整潔。所有焊縫在組裝前應將待焊區域的車間底漆、鐵銹、氧化皮、污垢和水分等有害物清除干凈，使其表面露出金屬光澤。清除范圍應符合圖8的規定，坡口面切割角度偏差為±2.5°，坡口裝配角度偏差為-5°～+10°，間隙偏差為-3～+2 mm。接頭的具體清除范圍如圖8所示。

焊接控制關鍵之二，引弧板和熄弧板的設置與選擇。板接料時必須在引弧端和收弧端設置引弧板和熄弧板，引弧板、熄弧板要求采用同母材材質相同的材料。手工焊引熄弧板尺寸為60 mm×60 mm，引熄弧焊縫長度不短于25 mm；埋弧自動焊引熄弧板尺寸為100 mm×150 mm，引熄弧板坡口同母材坡口，引熄弧焊縫長度不短于50 mm。焊接后，必須用氣割切掉兩端的引熄弧板，并磨平切口，不得損傷母材，嚴禁錘擊。

焊接控制關鍵之三，焊接工藝的評定。在工廠或工地焊接工作之前，對首次使用的鋼材、焊接材料、焊接方法應根據項目要求的相關標準進行焊接工藝評定（PQR）。焊接工藝評定（PQR）是保證鋼結構焊縫質量的前提。通過焊接工藝評定選擇最佳的焊接材料、焊接方法、焊接工藝參數等，以保證焊接接頭的力學性能達到設計要求。焊接工藝評定的具體流程如圖9所示。

3? 結論

石家莊市復興大街市政化改造泊水公園特大橋項目是石家莊的重點民生工程，其中鋼拱肋的加工制作是現場安裝施工的重要前提，加工制作的精度直接影響著現場鋼拱肋的安裝進度，本文以鋼拱肋的加工制作為主題，介紹了鋼拱肋加工制作的關鍵工藝技術，著重作了如下分析。

1）在鋼拱肋的加工制作中，對鋼拱節段的組裝流程做了分析，即其鋪設先后順序為大腹板、隔板、頂底板、吊耳節點、小腹板、斜腹板及其縱肋。

2）在鋼拱肋的加工制作中，對線形精度的控制可以從2個方面加強。一個是控制零件的精度從而減小零件組裝后的誤差，另一個是控制地胎的精度以保證組裝的順利進行。

3）在鋼拱肋的加工制作中，對焊接的控制可以從3個方面來加強。一為保持待焊區域的干凈與整潔，二為設置并選擇合適的引弧板和熄弧板，三為進行嚴格的焊接工藝評定。

參考文獻：

[1] 郭延飛，劉山洪，王國煒，等.飛雁式異形鋼箱拱制作線形控制關鍵技術研究[J].鋼結構（中英文），2020，35（10）：43-50.

[2] 劉興焱.超大跨徑鋼管混凝土拱肋加工制造關鍵技術研究[J].西部交通科技，2020（11）：39-42.

[3] 孟慶勝.空間變截面鋼拱肋加工工藝研究[J].天津建設科技，2017，27（1）：48-50.

[4] 李國華.大跨度拱橋鋼拱肋臥-立組合式制造與施工技術[J].施工技術，2021，50（11）：75-77，81.

[5] 余浩淼.大跨度拱橋鋼拱肋吊裝施工技術[J].綠色建筑，2021，13（5）：66-67，71.