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钢管拱工艺制作

摘要：本文简明总结了临汾鼓楼西汾河大桥钢管拱工艺制作思绪、制作关键难点和采取工艺方法及特点，并对制作过程中存在问题及处理方法作了较为深刻分析。本文以施工第一手资料为基础，努力争取新奇实用，以期同行在钢管拱制造工艺设计、施工、监理中加以借鉴。

关键词：钢管拱制造 工艺制作 思绪 方法 问题 方法

一、工程介绍
临汾市鼓楼西汾河大桥主桥上部结构采取五跨中承式拱桥，主跨跨径105米，矢跨比为1/3，从跨跨径80米，矢跨比1/4，边跨跨径30米，拱轴线均采取二次抛物线。中跨及从跨拱肋采取钢管混凝土结构，边跨采取矩形断面钢筋混凝土拱肋。在下文中本桥指临汾市鼓楼西汾河大桥主桥，本工程指主跨和从跨，不含边跨。
1.肋拱结构
中跨主拱肋采取桁架式钢管混凝土结构，拱肋高2.7米，宽2米，上下拱圈断面均为哑铃形，由两根直径800mm、壁厚18mm钢管及18mm厚钢板组成，钢管内及上、下平联内充填C50微膨胀混凝土；腹杆直径300mm、壁厚14mm钢管。
从跨主拱肋采取结构式钢管混凝土断面，拱肋高1.8米，宽2米，由四根直径800mm、壁厚16mm钢管及16mm厚钢板组成，钢管内及上、下平联内填充C50微膨胀混凝土。
2.风撑结构
主跨及从跨桥面以上拱肋各设3道风撑，以确保拱肋横向稳定。中跨风撑为钢管桁架结构，桁架上下弦杆钢管为壁厚16mm圆形空钢管，直径为500mm，腹杆为壁厚12mm圆形空钢管，直径为300mm。从跨风撑采取箱型断面，钢板厚12mm。
中跨及从跨桥面以下拱肋间设置加劲桁架，形成横向联络。桁架采取400×16mm圆形空钢管。上弦即拱肋横梁，下弦即桥墩横向联络。

二、工艺制作思绪
依据本工程钢结构特点和运输要求，确定105米跨、80米跨主弦管加工制作后，零部件及主弦管由武汉内厂经陆运至临汾工地，再在临汾工地单元件及总成制造区进行单元件制造和吊装分段匹配制造，分段涂装后转至成桥吊装区，最终配合吊装成桥焊接。
1.制作步骤图
（本图以80m跨拱肋为例加以叙述，105跨需将腹板改为腹杆，风撑制作简单，本图不另作赘述）

（划线、下料——滚圆—— 纵缝装焊、校圆——环缝装焊、拼接弦管—— 火工矫正）

（外腹板及横隔板上胎架——定位两上、下弦管——焊接横隔板、装焊内腹板）

（左弦管片装上总装胎架、装隔板——上层内侧平联板装焊——下层内侧平联板装焊——吊装右侧片装弦管、上层外侧平联板装焊

——安装吊杆管、隔板内部焊接——下层平联板内侧嵌补——下层外侧平联板装配、焊接平联和弦管间对接角焊缝
风撑短接头
分段接头
分段接头
吊杆端头

——装焊分段接头、分段接头、风撑短接头）
2.制作工艺设计
（1）节段划分
依据设计及现场施工吊装方案，105m单个拱肋分为5个吊装节段，全桥共分为10个吊装节段；80m单个拱肋分为5个吊装节段，全桥共分为20个吊装节段。主拱肋预拼装胎架按半桥匹配制造设计，胎架按桥线型（含预拱）设计制造。在胎架上完成主拱肋预拼、腹杆（板）装焊、吊杆处结构装焊及分段接头等构件安装工作。拱肋吊装节段划分见下图。

（2）立体构件平面制作
依据主拱肋结构特点，将拱肋上、下各两根，共四根弦管分成两个片体，单个片体由两根弦管和平联板组成，采取侧装法进行建造，拱肋节段由腹板（或腹杆）、隔板、两片体等结构总装而成。
（3）正确下料确保制作质量
应用计算机三维立体放样和数控编程录入技术，提升放样下料精度。全部零件均预置精度赔偿量，并采取无余量下料工艺：
下料尺寸=理论尺寸+焊接收缩量+切割赔偿量+加工余量－焊接间隙
下料设备要求：板材采取数控等离子切割机、数控火焰切割机、自动多头切割机等进行精亲密割 ；其它型材下料采取型材切割机切割；管材相贯线及坡口采取数控相贯线切割机切割。
筒节及其它零件加工：对于用于自制筒节板材，下料开完坡口后上油压机压制辊圆头，依据辊圆设备要求压制400～800mm长。按图纸要求在三芯辊床上辊制成圆，辊圆后用加工样板检验，不贴合度≤2mm。筒节纵缝焊接采取埋弧自动焊，焊后上三芯辊床和油压机上校正。
弦管接头处法兰盘钻孔时采取模板套钻，以确保加工精度及法兰盘可交换性。
（4）采取优异设备、成熟工艺，确保制作各阶段精度满足施工及设计规范要求
A虾弯（热弯）单元件制作 主拱虾弯单元件通常由10－12个筒节在虾弯（热弯）和哑铃型片装节段装配胎架上对接而成，对接后长度约16－27米，对接错边量控制在≤2mm，对接时注意相临筒节纵缝应错开。对接环缝焊接采取悬臂焊机埋弧自动焊，在滚轮胎架上进行，经过调整滚轮胎架电机转速来调整焊接速度以确保焊接质量。
B片装单元制作 主弦管虾弯（热弯）单元件制作检验合格后再回到专用胎架制作成哑铃形片装单元。
装配前应先将虾弯（热弯）单元件在胎架上对合胎架地标轮廓线检验矫正线型，矫正采取火工矫正，热矫温度控制在600～800℃，矫正后构件随空气缓慢冷却，降至室温以前，不得锤击或用水急冷。
装配时先按地标轮廓线定位下层主弦管，然后定位上层主弦管(两层管之间用工装槽钢定位固定)，最终装配两侧平联板。在定位平联板时应保持和两弦管中心线对称，以防偏心。焊接采取先对接再角接次序，主弦管对接环缝采取陶质衬垫CO2气体保护焊焊接。片装单元脱离卧装胎架后在平台上采取埋弧自动焊焊接平联板和主弦管间焊缝。为控制焊接变形，焊前应将弦管和平台刚性固定，打底、填充焊时先焊外侧平联板，翻身焊接内侧平联板，再翻身盖面外侧平联板。
C腹管相贯线加工 腹管采取自制直缝管，在相贯线数控切割机上加工相贯线和开制坡口，在加工过程中应按加工图检验切割参数L1和L2，使其偏差控制在-1mm～＋2mm。
D分段匹配组装焊接 分段匹配制造在专用总成胎架上进行，胎架线型值由计算机放样给出，采取激光经纬仪配适用Ⅰ级50米钢卷尺在硬化地面上做出零、部件定位线、吊杆和风撑短接头等定位线、分段端口定位线、拱肋外形轮廓等定位标识，方便于节段组装时各构件定位。胎架是节段匹配制造基础,要求含有足够刚度,胎架模板是节段匹配制造外形依靠，必需牢靠可靠。节段匹配制造完成一轮，要复验及修正胎架线型及全部标识位置。
主拱肋制造时有风撑一侧朝上，拱脚预埋段单独制造，但须和第一分段进行匹配，装焊两分段间法兰。片装单元在制造过程中，经过翻身焊接，存在焊接变形，若发觉片装单元和胎架模板不贴合≥5mm（端口处≥3mm）时应进行校正。片装单元在装配时应用槽钢两侧斜撑，以防装配过程中构件不稳定而倾覆。在安装腹杆时应注意保持腹杆和主弦管间距控制在3－4mm，以确保相贯线焊接质量，焊接时要求焊工分散对称施焊，不许可从一端向另一端依次次序焊接。在安装吊杆处构件和横梁预埋段时用激光经纬仪测量以严格确保吊杆铅垂度和横梁预埋段定位精度。匹配制造时，分段接头处两侧法兰和连接板用冲钉和螺栓栓接后可和主拱管装配焊接，工装冲钉直径不得小于孔径0.1mm。分段接头拆开后其螺栓应反向栓接，内导管和分段一起发运。匹配时，后焊平联板、腹板、腹杆等构件必需参与主拱肋预拼以确保工地装焊顺利进行及缩短吊装工期。
三、工艺制作关键难点和工艺方法及特点
1.弦管制作过程失圆度控制问题
主拱拱肋弦管经过管节制作、直管段制作、火工弯管、片体制作和节段总装制作过程，弦管直径达800mm，是拱桥关键受力构件，有比较严格失圆度控制要求，且在火工弯管、片体制作和节段总装制作过程中受到不均匀应力作用，将其失圆度产生不一样程度改变，其失圆度控制是钢管拱制造关键和难点之一，在制作过程中采取了下述方法加以控制：
（1）制作管节时，钢板卷制前进行压边，焊接后进行管节校圆。
（2）制作直管时，环缝装配和焊接采取特制工装进行调整和预防变形。
（3）火工弯管时，管端口要加十字撑和井字撑进行保形，并在中间合适位置加箍保形和中间位置加压加速火工矫正。
（4）严格控制弦管相接构件接缝间间隙，并采取CO2气体保护焊等变形小焊接方法，降低焊接变形。
2.加工过程弦管线形控制问题
主拱肋是复杂空间桁架结构，其结构不对称性在焊接后易引发弦管线形改变，尤其是105跨拱肋为六弦管曲线相接结构，本工程采取了下述方法加以控制：
（1）弦管加工线形是在设计线形基础上叠加设计预拱。
（2）采取计算机进行线形控制点坐标计算，制作火工矫正胎架上及平面施放在拼装场地。
（3）计算焊接收缩量，装配弦管间结构件时拉开弦管间间距，施放反变形。
（4）在片体制作时，在线形控制点处和节段弦管端部采取门式钢架刚性固定强制防变形方法，其效果显著。
3.腹杆相贯线切割问题
因为105跨上下弦管间由腹杆连接，腹杆端口是多面曲线立体状，是本工程切割精度控制难点，采取数控相贯线切割机切割和开制坡口，实际效果很好。
4.焊接变形控制问题
焊接变形控制是钢结构制作过程关键技术，焊接变形控制直接影响到制作精度。
(1)采取计算焊接收缩赔偿量,构件下料时赔偿精密造桥工艺技术,严格控制构件装配间隙和质量,控制焊接金属填充量。
(2)应用弦管间间距拉开装配反变形技术。
(3)采取双数焊工对称施焊焊接工艺,设计合理焊接程序。
(4)大量采取CO2气体保护焊等高效小变形焊接方法。
(5)采取刚性固定控制变形方法。
5.分段匹配组装精度控制问题
本桥采取节段片体制作后再组装工艺设计，拱肋高度方向变形较小，宽度方向变形较大，依据经验总装时本桥拱肋宽度方向预留了6mm余量施放反变形。并在第一分段总装后搜集数据立即进行了合适调整，大致线形控制效果良好。
6.端口对接控制问题
端口对接直接影响到钢管拱吊装顺利对接问题，在制造过程中采取必需方法加以控制是十分关键。
（1）装配前节段弦管长度方向留5cm左右余量, 管端余量二次切割采取先切除一端,施焊结束后切除另一端,切割时注意端面和拱轴线保持垂直，切割后,拆除管端支撑,并用火工进行局部修整。
(2)依据场地情况,采取单幅拱肋连体制作节段组装工艺,可省去吊装前卧拼工作,主拱肋在下胎前弦管端口对接精度检验满足设计要求。
（3）本桥设计分段连接采取内法兰连接，依据设计要求分段法兰盘是紧密相贴，弦管由后焊嵌补段连接。如按设计施工，可能会造成合拢段吊装困难或吊放不进去，施工时考虑实际情况，制造时缩短了合拢段法兰盘间弧线长2cm，在实际施工中效果良好。嵌补段两道环焊缝施焊，会引发4mm左右收缩，在制造时考虑到由此引发高程偏差相对吊装误差影响极小，在胎架制作时外弧线形中没有考虑，先施焊嵌补段长度方向收缩量在后焊嵌补段祢补。
四、工艺制作中存在问题及处理方法
在钢管拱制作过程中,即使采取了较多方法控制，仍不可避免要出现超出规范要求现象。
1.弦管火工弯制过程方法和效果
（1）依据施工实际检验数据看,弦管端口加十字撑或井字撑作用相当显著,对端口失圆度控制很有效,对节段弦管顺利对接起到很好作用。
(2)中间加箍效果不显著,分析为火工弯制时钢管变形受到周围约束,临时性加箍并不消除火工后内应力,箍拆除外力释放后钢管会产生失圆度改变。怎样改善施工工艺,本桥仍没有找到有效方法。
(3)中间加压可显著加大火工弯管进度, 从施工实际检验数据看,但不宜中间单点加力,宜中间多点均匀加力。
(4)采取激光红外线测量温度,能有效预防过火现象发生。
2.加工过程弦管线形局部超标处理
从本桥组装过程弦管线形检测情况来看,80%点数控制在3mm以内,10%点数控制在3mm～5mm之间,8%点数控制在5mm～8mm之间,2%点数超出8mm。依据(JTG F80/1-)公路工程质量检验评定标准，钢管拱肋制作内弧偏离设计弧线不超出8mm,因为本桥采取侧装法施工,外弧线安装后将影响拱圈顶标高,标准要求拱圈高程±L/3000,80米跨为±26.7mm, 105米跨为±35mm。经监理同意,制造时弦管线形内外弧线控制在8mm内,不影响吊装精度控制。对2%点数超出8mm处理,优异行加密点检测方法找出超标区域,如面积较小(＜0.1㎡)用千斤顶加荷载处理效果很好，如面积较大，采取火工局部矫正法,调整好相当困难,不妥影响加工进度,对管子材料也不利,甚至会产生新线形偏差,合理控制极为困难，或采取千斤顶分区域施加荷载处理,施工进度极为缓慢,且同一区域往往数次反复施加荷载处理。本桥弦管线形局部超标处理取得了一定效果,但做不到根本消除,而且进度缓慢,从“精益求精”施工标准考虑,处理方法待改善。
3.下料误差处理
本桥下料应用计算机三维立体放样和数控编程录入技术，提升放样下料精度。全部零件均预置精度赔偿量，并采取无余量下料工艺。装配构件如拱肋隔板、腹杆等可能会因为装配位置或弦管误差引发往往被人忽略细微下料误差从而造成装配间隙，需对装配构件采取氧气二次切割人工打磨处理。
五、体会
钢管拱制造精度质量控制，采取优异设备和优异成熟工艺是基础保障，作为一名一线施工技术人员在有限资源条件下，积累丰富施工经验数据，掌握钢结构制造过程通常规律，采取灵活有效方法加以控制是很必需。