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的思路、制作的重点难点和采取的工艺措施及特点，并对制作过程中存在的问题及处理的方法作了较为深刻的分析。本文以施工的的第一手资料为基础，力求新颖实用，以期同行在钢管拱制造工艺的设计、施工、监理中加以借鉴。
关键词：钢管拱制造 工艺制作 思路 措施 问题 方法
一、工程简介
临汾市鼓楼西汾河大桥主桥上部结构采用五跨中承式拱桥，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，拱轴线均采用二次抛物线。中跨及从跨拱肋采用钢管混凝土结构，边跨采用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
中跨主拱肋采用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的钢管及18mm厚的钢板组成，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的钢管。
从跨主拱肋采用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的钢管及16mm厚的钢板组成，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，以保证拱肋的横向稳定。中跨风撑为钢管桁架结构，桁架上下弦杆钢管为壁厚16mm的圆形空钢管，直径为500mm，腹杆为壁厚12mm的圆形空钢管，直径为300mm。从跨风撑采用箱型断面，钢板厚12mm。
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中跨及从跨桥面以下拱肋间设置加劲桁架，形成横向联系。桁架采用400×16mm的圆形空钢管。上弦即拱肋横梁，下弦即桥墩横向联系。
二、工艺制作思路
根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，最后配合吊装成桥焊接。
1.制作流程图
（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）
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（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、焊接平联与弦管间的对接角焊缝
分段接头
吊杆端头 风撑短接头
——装焊分段接头、分段接头、风撑短接头）
2.制作工艺设计
（1）节段的划分
根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的安装工作。拱肋吊装节段的划分见下图。
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（2）立体构件平面制作
根据主拱肋的结构特点，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，采用侧装法进行建造，拱肋节段由腹板（或腹杆）、隔板、两片体等结构总装而成。
（3）精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，提高放样下料精度。所有零件均预置精度补偿量，并采用无余量下料工艺：
下料尺寸=理论尺寸+焊接收缩量+切割补偿量+加工余量－焊接间隙 下料设备要求：板材采用数控等离子切割机、数控火焰切割机、自动多头切割机等进行精密切割 ；其他型材下料采用型材切割机切割；管材相贯线及坡口
采用数控相贯线切割机切割。
筒节及其它零件加工：对于用于自制筒节的板材，下料开完坡口后上油压机压制辊圆头，根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查，不贴合度≤2mm。筒节纵缝焊接采用埋弧自动焊，
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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用模板套钻，以保证加工精度及法兰盘的可互换
性。
（4）采用先进设备、成熟工艺，确保制作各阶段的精度满足施工及设计规范要求
A虾弯（热弯）单元件的制作 主拱虾弯单元件一
横截面图般由10－12个筒节在虾弯（热弯）与哑铃型片装节段装配胎架上对接而成，对接后的长度约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。对接环缝焊接采用悬臂焊机埋弧自动焊，在滚轮胎架上进行，通过调节滚轮胎架电机转速来调节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
外弧侧主弦管平联板主弦管哑铃型片装单元卧装胎架架地标轮廓线检验矫正线型，矫正采用火工矫正，热矫的温度控制在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)，最后装配两侧平联板。在定位平联板时应保持与两弦管中心线对称，以防偏心。焊接采用先对接再角接的次序，主弦管对接环缝采用陶质衬垫CO2气体保护焊焊接。片装单元脱离卧装胎架后在平台上采用埋弧自动焊焊接平联板与主弦管间的焊缝。为控制焊接变形，焊前应将弦管与平台刚性固定，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 腹管采用自制直缝管，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查切割参数L1和L2，使其偏差控制在-1mm～＋2mm。
6 L1L2
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，采用激光经纬仪配合用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记，以便于节段组装时各构件的定位。胎架是节段匹配制造的基础,要求具有足够的刚度,胎架模板是节段匹配制造的外形依托，必须牢固可靠。节段匹配制造完成一轮，要复验及修正胎架线型及所有标记位置。
主拱肋制造时有风撑的一侧朝上，拱脚预埋段单独制造，但须与第一分段进行匹配，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，若发现片装单元与胎架模板不贴合≥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与主弦管的间距控制在3－4mm，以保证相贯线的焊接质量，焊接时要求焊工分散对称施焊，不允许从一端向另一端依次顺序焊接。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保证吊杆的铅垂度和横梁预埋段的定位精度。匹配制造时，分段接头处两侧法兰与连接板用冲钉和螺栓栓接后可与主拱管装配焊接，工装冲钉的直径不得小于孔径0.1mm。分段接头拆开后其螺栓应反向栓接，内导管与分段一起发运。匹配时，后焊平联板、腹板、腹杆等构件必须参与主拱肋的预拼以保证工地装焊的顺利进行及缩短吊装工期。
三、工艺制作的重点难点和工艺措施及特点
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、片作和节段总装制作的过程，弦管直径达800mm，是拱桥的主要受力构件，有比较严格的失圆度控制要求，且在火工弯管、片作和节段总装制作过程中受到不均匀的应力作用，将其失圆度产生不同程度的变化，其失圆度的控制是钢管拱制造的重点和难点之一，在制作过程中采取了下述措施加以控制：
（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，环缝的装配和焊接采用特制工装进行调整和防止变形。 （3）火工弯管时，管端口要加十字撑和井字撑进行保形，并在中间适当位置加
箍保形和中间位置加压加速火工矫正。
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（4）严格控制弦管相接构件接缝间的间隙，并采用CO2气体保护焊等变形小的焊接方法，减少焊接变形。
2.加工过程弦管线形的控制问题
主拱肋是复杂的空间桁架结构，其结构的不对称性在焊接后易引起弦管线形变化，特别是105跨拱肋为六弦管曲线相接的结构，本工程采取了下述措施加以控制： （1）弦管加工线形是在设计线形的基础上叠加设计预拱。
（2）采用计算机进行线形控制点坐标计算，制作火工矫正的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）在片作时，在线形控制点处和节段弦管端部采用门式钢架刚性固定的强制防变形措施，其效果明显。
3.腹杆相贯线切割问题
由于105跨上下弦管间由腹杆连接，腹杆端口是多面曲线的立体状，是本工程切割精度控制的难点，采用数控相贯线切割机切割和开制坡口，实际效果很好。
4.焊接变形的控制问题
焊接变形的控制是钢结构制作过程的关键技术，焊接变形的控制直接影响到制作的精度。
(1)采用计算焊接收缩补偿量,构件下料时补偿的精密造桥工艺技术,严格控制构件的装配间隙和质量,控制焊接金属填充量。 (2)应用弦管间间距拉开装配的反变形技术。
(3)采用双数焊工对称施焊的焊接工艺,设计合理的焊接程序。 (4)大量采用CO2气体保护焊等高效小变形的焊接方法。 (5)采用刚性固定控制变形的措施。
5.分段匹配组装精度控制问题
本桥采用节段片作后再组装的工艺设计，拱肋高度方向变形较小，宽度方向变形较大，根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收集数据及时进行了适当的调整，大体线形控制效果良好。
6.端口对接控制问题
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端口对接直接影响到钢管拱吊装的顺利对接问题，在制造过程中采取必要措施加以控制是十分重要的。
（1）装配前节段弦管长度方向留5cm左右的余量, 管端余量二次切割采用先切除一端,施焊结束后切除另一端,切割时注意端面与拱轴线保持垂直，切割后,拆除管端的支撑,并用火工进行局部的修整。
(2)根据场地情况,采用单幅拱肋连作的节段组装工艺,可省去吊装前的卧拼工作,主拱肋在下胎前的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用内法兰连接，根据设计要求分段法兰盘是紧密相贴的，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，会引起4mm左右的收缩，在制造时考虑到由此引起的高程偏差相对吊装误差影响极小，在胎架制作时的外弧线形中没有考虑，先施焊嵌补段的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
在钢管拱的制作过程中,虽然采取了较多的措施控制，仍不可避免要出现超出规范要求的现象。
1.弦管火工弯制过程的措施和效果
（1）根据施工实际检查数据看,弦管端口加十字撑或井字撑作用相当明显,对端口失圆度控制非常有效,对节段弦管顺利对接起到很好的作用。
(2)中间加箍的效果不明显,分析为火工弯制时钢管变形受到周边约束,临时性加箍并不消除火工后的内应力,箍拆除外力释放后钢管会产生失圆度的变化。如何改进施工工艺,本桥仍没有找到有效的措施。
(3)中间加压可明显加大火工弯管的进度, 从施工实际检查数据看,但不宜中间单点加力,宜中间多点均匀加力。
(4)采用激光红外线测量温度,能有效防止过火现象的发生。
2.加工过程弦管线形局部超标的处理
从本桥组装过程弦管线形检测情况来看,80%的点数控制在3mm以内,10%的点数控制在3mm～5mm之间,8%的点数控制在5mm～8mm之间,2%的点数超出8mm。根据(JTG F80/1-2004)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过
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8mm,由于本桥采用侧装法施工,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%的点数超出8mm的处理,先进行加密点的检测方法找出超标的区域,如面积较小(＜0.1㎡)用千斤顶加荷载处理效果较好，如面积较大，采用火工局部矫正法,调整好相当困难,不当影响加工进度,对管子的材料也不利,甚至会产生新的线形偏差,合理控制极为困难，或采用千斤顶分区域施加荷载处理,施工进度极为缓慢,且同一区域往往的多次重复施加荷载处理。本桥弦管线形局部超标的处理取得了一定的效果,但做不到彻底的消除,而且进度缓慢,从“精益求精”的施工原则考虑,处理方法待改进。
3.下料误差的处理
本桥下料应用计算机三维立体放样和数控编程录入技术，提高放样下料精度。所有零件均预置精度补偿量，并采用无余量下料工艺。装配构件如拱肋隔板、腹杆等可能会由于装配位置或弦管误差引起的往往被人忽视的细微下料误差从而导致装配间隙，需对装配构件采用氧气二次切割人工打磨处理。
五、体会
钢管拱制造的精度质量控制，采用先进的设备和先进成熟工艺是基本保障，作为一名一线施工技术人员在有限的资源条件下，积累丰富的施工经验数据，掌握钢结构制造过程的一般规律，采取灵活有效的措施加以控制是非常必要的。
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