钢管拱肋现场制作技术浅谈

所属栏目：机械论文
发布时间：2011-06-17 09:32:26 更新时间：2023-07-06 11:33:05

钢管拱肋现场制作技术浅谈
叶伟达、翁建胜
摘要：介绍杭甬运河明伟3号桥（现名郁浪浦桥）钢管拱的现场加工制作、空间立体预拼等施工技术。
关键词：钢管混凝土结构现场制作拱桥空间立体预拼
1　前　言
　　钢管混凝土拱桥的发展与应用在我国仅有二十余年的历史，钢管砼结构是将混凝土填充到钢管内形成的一种组合结构，兼有钢结构和砼结构的特点，有效的发挥了砼和钢材的力学特性，并利用钢管的环箍作用，大大提高结构的抗压能力和抗变形能力。钢管砼拱桥造形美观、结构严谨、受力科学、经济合理，近年来在公路、城市桥梁建设中被广泛采用。简要谈谈其钢管拱肋的加工制作及平面、空间立体预拼技术和施工质量控制。
2　工程概况
本工程为浙江省杭甬运河余姚段明伟3号桥，地处浙江余姚市梨洲街道，桥梁长度为430.74m，主桥为单跨跨径67m的下承式钢管砼系杆拱，两侧引桥为多跨20m空心板简支梁，主桥通航标准为Ⅳ级航道。主拱拱肋哑铃型主管φ800*14mm、横撑为φ500*10mm、φ300*10mm钢管，均为压头滚管焊接而成，主拱肋连接缀板为厚14mm钢板。
3　钢管拱现场加工制作
主要工艺流程
原材料检验→放样→下料→加工→装配与焊接→节段组装与腹杆焊接→吊杆相关部(附)件组装→焊接过程检测→拱肋平面预拼装→拱肋横撑立体预拼装→涂装防锈→拱肋运输→吊装。
3.1、单管加工
3.1.1、放样、下料
（1）放样前熟悉图纸、参与技术交底工作，放样坐标应考虑预拱度值。按照新计算的各拱度坐标表进行放样。
（2）放样主要分为两步，第一步为计算机放样，在计算机上按照一定的比例放半辐桥的大样，得出放样结果。然后再选择一个光线充足，地面光洁的平台上进行1:1实际放样，放样方法为逐点坐标放样法。
（3）对照两种放样结果后，管节、腹杆、缀板列出下料清单，并与样板相对应，使用相应的计算机软件计算出管节相接处的相贯线展开图并制作出样板来。
（4）下料根据放样提供的样板、草图及有关工艺图纸、施工图纸进行。材料切割采用半自动切割机，切割前每个气焊工应根据自身的技能水平以及设备性能状况确保可以确保技术要
求的各项参数，并按此严格执行。划线号料样板外型尺寸为-0.5mm；气割时并考虑气割缝宽度，板材或型材厚度14mm以下气割缝宽量为2mm，20mm气割缝宽量为2.5mm，24mm气割缝宽量为3mm。
（5）放样制作样板及下料时应将每相邻两筒纵向焊缝相互错开200mm，并将上弦纵缝朝上，下弦纵缝朝下。所有零部件下料后要及时编号，用油漆书写清楚。
3.1.2、压头、滚圆、校圆
在正式压头前，应进行试压工作，同时还应调整好模具，使之压头精度能达到规范要求。
在下料前，必须把来料进行除渣，同时，对来料的外行尺寸进行检查，以避免产生返工。
压头时，必须对正定位线，不得有偏斜。
压头到一定数量（90块左右）时，必须对胎架进行检查、修正。
压头必须按照顺序进行压制，并按顺序进行堆放，防止因堆放产生变形。
滚圆、压头过程中，必须用准备好的、经过检验的样板反复、多点进行检查，直到合格为止。
滚圆中如出现曲率不对时，必须使用中间加强环校正，以保证整个钢管的椭圆度不超标。
滚圆时，必须对正定位线，不得有偏斜。
定位焊应距离设计焊缝端部30 mm以上，定位焊长度50—100mm，间距400—600mm，焊脚高度不得大于设计焊脚尺寸的1/2,，电焊时，在焊缝上起弧，使用φ4mm，J507焊条，焊条必须进行烘箱烘烤，使用时放入保温桶中。
为调整焊后变形，必须进行校圆工作。
压头、滚圆、校圆均应按工艺指导书进行。
3.1.3、单管焊接
焊接是全桥质量控制的关键环节之一，其直接影响到大桥的生命和使用安全，因此，必须严格管理，确保焊接质量。
单管的焊接采用双面自动焊，焊接时，必须清除焊缝两边30-50mm范围内铁锈、油污，水气和杂物，露出钢材金属光泽。焊接时严禁在母材的非焊接部位引弧。
自动焊：焊丝、焊剂的选用，焊剂的烘烤，焊前准备，施焊电流、电压、速度及焊后清理必须严格按照工艺试验确定的焊接工艺参数进行，以确保焊接质量。进行自动焊之前，应进行气刨清根处理。
自动焊在焊接前必须对焊缝两边进行清理、磨光，并加100mm×100mm的引弧板，引弧板板材应与母材等强度，焊缝不允许有咬边，表面裂缝气孔等缺陷。
焊后对焊缝进行100%超声波检验，并进行15﹪X射线检查。如出现返工，则必须制定返工工艺，并按工艺严格执行，且返工不宜超过两次。
3.2、单管单元的制作
单元管单元的接长工作在放样焊接平台及焊接车间内进行，平台上方有可移动式的临时车间，具有防风、防雨及保温的作用，同时又可以移动不防碍放样及组对工作，单管接长主要采用以折代曲的接长工艺。该道工序具体分为以下几个步骤：
3.2.1放样
按照已经放好的大样图在平台上放出单元管的小样按照小样制作平面胎具
3.2.2、单管单元的接长
单管单元的接长是在一个平面胎具上进行的（见图一）。钢管拱曲线由小直线段连接而成，小直线长度等于曲线弧长，直线段的长度取板的宽度，钢管拱肋由小段直管连接而成，吊杆点的位置错开
每个单管单元分成三～四次组焊，即把一个单元先分成两段组焊，每段2节筒体，然后再将两段组焊成一个单元，以次类推。每段和单元管的组装控制尺寸，主要控制单原管下缘的长度L和各接口的矢高难度hi,考虑到焊接收缩及试拼预留量，长度公差控制在±3mm之内，找圆后加以支承固定。筒体上胎后每个筒体下设2个支架，支承架下安放一个经找水平的平台，各支承架的高度必须相等（见图一），将每个筒节上预先划好的4条中心线对正，端口对齐，同时还应保证两相邻筒体的纵焊缝相互错开90度；初步测量L和hi值，不符合要求时要进行修整，接口的错台≦1.5mm；尺寸符合要求后，在接口外侧安装夹具进行固定。用水准仪测量端头两个筒节的水平度，应控制在2mm以内，超出要求时应进行调整，以消除筒体直径误差造成的影响，保证整桥拱肋组装后顺直。水平度调整好后再次测量调整L和hi值达到工艺要求后，进行定位焊。定位焊长度50mm，间隔200-250mm

图一钢管拱单管单元组装示意图
3.2. 3 、单管单元的焊接
各组装段和组装单元的所有接口焊缝内侧（有坡口的一侧）采用手工电弧焊或二氧化碳气体保护焊封底，外采用埋弧自动焊及焊手工电弧焊接，并尽可能采用自动焊和半自动焊。单管环焊缝焊接工艺为：
焊缝接头同样采用55°V形坡口，焊前用砂轮角磨机进行清理，采用二氧化碳气体保护焊与埋弧自动焊结合的工艺和二氧化碳气体保护焊与手工电弧焊结合的工艺进行焊接。第一层为二氧化碳气体保护焊打底,采用陶瓷衬片,单面焊双面成型，在焊接的过程中不断转动管子，焊丝为RM-56焊丝，电流为140-1600A，直流反接，电弧电压为23-25V，焊接速度11-13cm/min；第二层采用RM-56φ1.2mm焊丝，电流为240-260A，电弧电压为32-34V，焊接速度为19-21 cm/min；第三层采用RM-56φ1.2mm焊丝，电流为24-260A，电弧电压为30-32V，焊接速度为23-25 cm/min；第四层采用埋弧自动焊在自制的转胎上进行（如图所示），焊接时机头不动，管子匀速转动，焊丝为H10Mn2直径φ4.8mm，电流为640-660A，电弧电压为32-34V，焊接速度为41-43cm/min，焊剂为HJ431焊剂。当管子较长不能自由转动时,采用手工电弧焊盖面。
进行内侧焊之前先检查各段及单元管的L值和hi值。当小于工艺设计值时应先焊单元管的下缘。当大于设计值时应先焊单元管上缘。焊接时第一层采用跳焊的方法，要求小电流快速焊，沿圆周焊完后再进行其它各层的焊接，仍先从下缘开始焊，采用两人分别从两侧同时焊接。
对接焊接是全桥质量控制的关键环节之一，必须严格管理，确保焊接质量。焊前准备，施焊电流、电压、速度及焊后清理必须严格按照工艺试验确定的焊接工艺参数进行。现场焊接时，焊条必须按规范要求进行烘烤，施工时放入保温桶中存放，以备随用随取。
焊丝、焊剂的选用，焊剂的烘烤，焊前准备，施焊电流、电压、速度及焊后清理必须严格按照工艺试验确定的焊接工艺参数进行，以确保焊接质量。进行自动焊之前，应进行气刨清根处理。
手工焊、自动焊的焊接前必须对焊缝两边进行清理、磨光，并加100mm×100mm的引弧板，引弧板板材应与母材等强度，焊缝不允许有咬边，表面裂缝长度的1/10，连续长度不得大于40mm，所有焊接不允许在焊缝以外起弧。
焊后对焊缝进行100%超声波检验，并进行15%射线检查。如出现返工，则必须制定返工工艺，并按工艺严格执行，且返工不能超过两次。
焊后清理，以上各分段焊完后，立即清除焊渣、焊瘤和钢材表面油污及氧化皮并打磨光滑。
3.3、单管拱肋分片制作
分片制作是钢管拱节段制作的前奏，是整个钢管拱制作中很重要的中间环节，在制作过程中应按照工艺技术要求进行，同时，还应采取措施防止分片焊接变形。
（1）在水泥平台上搭设分片制作胎架，并用水平仪测平。
（2）在经测平的地平上放出单片制作地样并制作好胎架（包括主管拱、各腹杆、地样线及胎架）。
（3）在水泥平台上放出经过坐标转换后的钢管拱地样线，并用油漆笔画线，自检合格后填报，检验合格后才能进行下一道工序。
（4）主拱单管定位，根据地样，焊好主管拱定位板，然后定位主管分段。
（5）腹杆、缀管的划线、下料
①腹杆、缀管均为卷制钢管和无缝钢管，其划线、下料工作均在现场进行。
②腹杆、缀管均与主拱相接，因此，其两端口形状均为不规则形，必须对其两端口形状进行放样。
③放样工作应在放样平台上进行或结合计算机进行计算。
④放样后的样板应用不易变形的材料进行剪制，并存放在平坦、干燥的地方。
⑤现场号料：把钢管吊到简易平台上，用吊锤和卷尺对钢管进行分中，画出平等管轴线的基线，而后把样板基线和管基线重合，用样板严密贴紧钢管外壁，沿样板边线画线，取下样板即可。
⑥下料：气焊工沿着放样线下料，但必须注意割枪的倾斜角度。
⑹主管放好后，将腹杆、缀管全部吊装到位，经检验合格后方可施焊。
⑺将腹杆位置影射到腹杆支撑上，并焊接好定位板。
⑻此分片焊接成型经检验合格后，方可吊离胎架，并进行下一分片拼装、焊接。
⑼拼装顺序按照技术要求进行。
3.4、立体段组装制作
为了便于控制拱肋间距以及减少焊接内应力，减少焊接变形，采用卧式组装法进行组装。
（1）.将上述制好的半成品分片准确定位，使之能与平台上的投影线相吻合，同时用垂线法严格控制主拱肋片对水平胎架的垂直度，。
（2）将缀管安装在平台上的单片上，在将另一单片经扣装在完成的半成品上，得到此立体段。水平检测各点是否水平，上下主拱间距应先略大于理论尺寸，以保证直腹杆的顺利安装，检测两片间距合格后点焊，最后施焊，可从中间向两边施焊以防变形。
（3）。定位支撑安装
在焊接前进行定位支撑安装，可以减少因焊接、吊装等因素的影响，从而有助于保证立体分段的几何尺寸、外观尺寸。
（4）焊接
①为保证接口焊缝的强度、质量，在接口两边要采用型坡口型式，以保证接口质量。
②为保证接口焊缝质量，选用直流焊机进行焊接，从而可以获得较稳定的电流、电压，以保证焊接质量。
③在焊接过程中，采用合理的焊接顺序，以防止焊接变形。
④在焊接过程中以及焊后，都要求焊工自己进行自检，项目部质检员全检，监理抽检。对不合格焊口实施返工。
（5）检测
在每一道工序开始前，都应对构件进行全面检查，包括几何尺寸、焊缝外观质量、焊接余量等等。
（6）余料切割
焊完毕后应通过端部水平投影线经吊线经切除长度方向余量。单片拱肋及立体节段的组对及焊接都在龙门吊轨道内的水泥平台上进行，水泥平台上有可移动式的车间。
e4　钢管拱现场预拼及防腐
4.1．预拼装、安装大段吊装接头
拱肋的预拼接工作是在龙门吊轨道内的大平台上按照设计1:1的样进行的，每次拼接的节段为七节，即从拱脚段到合拢段半幅桥。主要分为以下几个步骤：
①将连接板、拼接板及各件下料妥当。连接板、拼接板下料偏差应严格控制（0，-2）mm；平面度：2mm。
②节段接头连接板、拼接板要求先在栓孔中心处配钻，然后分开后扩孔。最后连接在一起采用模具组装进行施工。
③连接板、拼接板各构件组装焊接后应进行试对接，合格后，方可安装在拱肋节段接头处弦杆钢管设计位置处并吊线检测与水平投影重合后施焊。
④对几何尺寸，焊接质量，结构构造等进行全面检查后并填写钢管拱制造检查记录表，合格后方可进入涂装工序。
4.2.工序施工细节
（1）施工准备
在分片制作前，应做好施工前的资料、技术、水泥平台、胎架以及地样坐标的转换工作，并做好技术资料的审核工作，以确保技术参数的准确可靠。水泥平台应根据横撑的规格和型号来设计一种通用形式，以保证施工中转换的连续性和可操作性。画地样应确定一个统一基线，每种横撑制作线根据基线确定。
（2）分片制作
①根据设计要求，对横撑管进行1:1放样，画出施工草图及各构件的接头样板。
②根据放样或者工艺草图进行横撑胎架的搭设，并画出地样图。
③各横撑平面分片的构件全部到位后检验人员和工艺人员检验认可后开始按焊接要求施焊。
④上、下横撑φ500*10mm和几根连接管组成，在水平搭施的胎架上分别画出经过坐标的地样图，再根据放样后的下料清单对号进行各道横撑的拼装，横撑拼装完后，进行支撑管和斜撑管的拼装。
⑤各横撑平面分片的构件全部到位后检验人员和工艺人员检验认可后开始按焊接要求施焊。
⑥将拼装好的上、下横撑和斜撑的端点处加上临时支撑，以保持拼装好横撑不产生变形。
⑦拼装完后进行整个横撑的焊接。
⑧焊条施焊前应进行300℃，二小时烘烤，并进行100℃左右的保温，使用中应置于保温桶存放。
⑨同时对各段分片的几何尺寸、焊接质量、结构构造等进行全面的质量检查、验收合格后进入涂装工序。
（3）立体拼装
将每个横撑及相对应的两片拱肋节段按照实际成桥时的空间坐标在加工场地内进行预拼装，由于受到拱肋节段高度的限制，需要将其坐标进行转换。经过预装后，大大提高了横撑的吊装精度，节省了吊装的时间，缩短了施工工期。此外，在各段主拱顶预焊螺帽，便于安装测量棱镜，为以后主拱吊装提供测量便利。
4.3、钢管拱防腐
涂层结构施工安排
因该大桥施工周期较长，为保证大桥防腐的工程质量，以及吊装过程中所损坏涂层所造成的不必要损失，应分二阶段进行施工。
第一阶段：钢结构出厂前拼装场地施工。首先在场地进行喷砂除锈，达到Sa3级后再进行金属喷涂，金属喷涂后必须在4小时内涂装第一道842环氧云铁封口漆，再间隔12小时涂装第二道842环氧云铁中间漆，等待全桥整体吊装。
第二阶段：大桥整体吊装完成桥面上施工。首先对涂层表面进行清洗，除净涂层表面的油污、泥土、杂质等，对所损伤部位及焊缝处进行喷砂除锈至Sa3级后再依次进行补口补伤涂装，然后涂装第三道氟碳面漆，间隔24小时后涂装第四道氟碳面漆。
7　结束语
　明伟3号桥钢管拱加工及现场预拼施工经检查验收均符合设计和规范要求。通过该桥实践，我们有以下几点体会：
(1) 利用现场条件加工制作钢管拱肋，减少了成品运输环节，解决了运输困难的问题。
（2）在现场制作可以随工程进度的要求，合理调整加工制作及运输顺序，便于管理和施工。
（3）采用本施工技术克服了潮湿、高温、低温、风大等诸多不利条件，加工的产品合格率95%以上，具有进度快，质量高的特点，能够保证拱肋吊装的顺利完成，各项指标均满足设计及规范要求。