大跨径钢管拱加工与现场预拼施工

大跨径钢管拱加工与现场预拼施工

1前言

钢管混凝土拱桥的发展与应用在我国仅有十余年的历史，但发展很快，已遍及全国广大地区，目前已经建成的就达20余座，在建的也有20余座。这主要是因为钢—混凝土组合材料的优越性决定的。关于钢管拱肋的加工、拼装和成拱工艺，对此类结构的施工技术、施工规范、质检和监理程序与指标、施工定额及管理等方面的研究和经验虽然有所积累，但仍不多见。广泛交流施工经验，研究制定和完善该类桥梁统一可行的规范规程，探讨其施工经济技术指标，是目前建造此类桥梁急待解决的课题之一。本文结合某大桥的施工实践，主要对钢管拱加工与现场预拼施工工艺和技术作简要介绍。2工程概况

某大桥位于湖北省某县，全长280.40m，孔跨布置为(20+20+208+20)m，桥幅布置为净-9m+2×1.0m人行道。本桥主跨为208m的中承式钢管混凝土拱桥，主拱为双肋桁式无铰拱，矢高40.530m，矢跨比1/4.935。拱轴线采用以悬链线为基础的三次样条曲线。变截面主拱肋上下弦管中心间距拱脚处为4.439m，拱顶处为2.2m。两条主拱肋横桥向中心距为11.60m。全跨共设11道横撑和6道X形撑，且均为空钢管构成的桁式梁。每条钢管拱分19节段加工制作、预拼和空中焊接。每节段一般长度为12m(拱脚段14.4m，合龙段4.297m)，重量为20～30t。全桥钢管拱总重928t，其中主拱管重785t，横撑(X形撑)重128t，其余约15t。主拱架设采用缆索吊装法施工，最大设计吊装重量为30t。

3钢管拱工厂加工制作

钢管拱的加工制作和现场安装质量直接决定着桥梁的功能和使用寿命。因此，应选择有资质、有能力、有经验和有条件的生产厂家在工厂内加工制作。当工厂内拼装场地和运输条件受到限制时，也可以选择工厂加工与现场预拼相结合的办法。

3.1选材

钢材质量是钢管质量的基础。本桥设计采用16Mn、16Mnq、A3钢材，其机械性能和化学成分指标应符合文献［6］的标准。施工采用武钢生产的优质钢材。由监理工程师和施工单位负责人对每批进场的钢材作质量检查，验证出厂合格证书和材质试验报告单。其它焊接加工材料应满足设计和文献［3］中的要求。

3.2钢管卷制

根据施工图设计线形、座标表、预拱度表等文件资料，在工厂内预拼台座上将钢管拱(包括主拱管、缀板、腹杆、斜撑、横撑和X形撑)以1：1比例放出施工大样，量取各构件的设计下料尺寸，并对部分单元构件制作纸样。然后对主拱管2.0m设计基本管节进行卷制。基本管节必须是整块钢板沿钢板压延方向卷制而成，采用半自动氧割机下料、滚床卷板机卷制。卷制前，应根据设计和规范要求将与钢管纵缝和环缝相对应的板边分别开好坡口，采用纵向氧吹双面坡口。纵缝在设置的专用夹具上分3次焊接。成形的钢管，要采用纠圆机整体校圆。在无应力状态下管口椭圆度控制在3mm误差以内。

3.3焊接

焊接施工以文献［3］的规定为标准。焊缝均按设计要求全部做超声波探伤检查和X射线抽样检查(抽样率大于5%)。焊缝质量应达到二级质量标准的要求。焊接施工前，必须做焊接工艺试验评定，可参照文献［4］附录15-2的要求进行。通过试验评定，确定各钢材焊接所需合理的焊条、焊剂、电流、电压、焊接方式及速度和焊缝的层数、平焊、立焊、仰焊的运条手法等，确定温度影响对构件几何尺寸及变形形态的影响程度，制定合理的焊接工艺与工艺规程，指导实际生产。基本管节制作时，在卷制成管后先用手工电焊打底，然后焊接管内4.5mm厚，再用自动电焊机对管外自动焊接。纵缝略高于母材1～2mm。制作主拱管12.0m安装节段时，在加工胎架上先进行平面放置组装。胎架在竖直面内按施工拱轴线起拱。胎架长度不小于30m，用于钢管对接、上缀板和下缀板的组装焊接。钢管对接时，纵缝布置相互错开，环缝分布与管轴线严格垂直。环缝采用人工电焊打底，自动电焊成形。焊缝经检验合格后才进行缀板焊接。

单哑铃形钢管拱构件制作时，先焊接桁拱拱轴线内侧的缀板，然后焊接其处侧的缀板。在施工内侧缀板之前，须先将外侧缀板安装到位并手工电焊打底和定位。焊接过程中应注意胎架及构件自身的临时刚性定位和对称交错施焊，防止结构变形，减少初应力影响。

3.4腹杆、横撑(X形撑)单件制作

根据厂内1：1比例放样及纸样，结合焊接工艺试验评定参数，进行φ400×10mm腹杆、φ500×12mm横撑(及X形撑)、φ299×8mm横联撑杆和隔板等构件的放样与下料。本桥所有钢管构件均在工厂卷制成型。

3.5防腐处理

全桥钢结构在出厂前均采用长效复合防护涂层技术进行防腐处理。处理方案为：1～3号节段喷砂等级为国标Sa3级，4～10号节段喷砂等级不低于Sa2.5级；防腐结构1～3号节段第1层为200μm热喷锌，第2层为75μmSZ-1G无机富锌，第3层为30μmSA-1面漆，第4层为20μm881聚胺脂饰锌面漆；防腐结构4～10号节段第1层为100μm热喷锌，第2层为30μmSZ-1G面漆，第3层为20μm聚胺脂铝粉装漆(注：1～3号节段将被三峡工程库区蓄水淹没)。

构件经运输进场、现场预拼、起吊安装及最终成拱之后，对运输和施工过程中被损伤的防护层，应进行现场防护处理，确保钢管拱在25～30年内不受腐蚀(30年后应进行第2次防腐处理)。

3.6半成品构件的运输与存放

由于该桥钢管拱安装节段外形尺寸和安装重量均很大，这给工厂制作后的运输问题带来较大困难。该桥地处中低山区，水陆交通不便，施工环境较差。大型构件从武汉至香溪走水路很方便，但从香溪港起吊上岸，转运现场困难较大。大桥所在的新建蒲文公路，两岸引道尚未施工。设备、材料和钢管拱构件进场，只能依靠沿龙潭河南坡新修的施工便道。因此，通过与钢管拱生产厂家、交通部第二航务工程局第六工程公司协商，并征求业主、监理和设计等方同意，最后决定将原定方案中要求在工厂预拼的工作量转移到施工现场进行。在工厂内将原材料依设计与施工要求加工成半成品的组合单元构件，并作长效防腐处理之后，再运入现场完成剩下的整体桁式拱结构的预拼焊接成型工作。如此出厂的构件一般为12m长、重约8.35t的单哑铃形钢管拱分片和组拼用单元杆件。

根据施工安装顺序，统一对全桥钢管拱各半成品构件进行顺序编号、标记和存放。在转运、堆放过程中，严防构件被碰撞、挤压而变形或损伤。

4钢管拱现场预拼

经过工厂加工制作、进到施工现场的钢管拱半成品组合单元主要有：单哑铃形2-φ900主拱管84分片、φ400腹杆(及斜腹杆)420根、φ500横撑158根、φ299横联撑杆225根以及隔板、拱脚连接板等。这些单元构件进场后应按照拼装顺序分类堆放，逐一进行现场预拼与安装。

4.1预拼台座制作

现场预拼按卧式组拼方案施工。预拼台座平面布置是根据设计图纸进行坐标换算后的控制参数来进行施工放样的。主拱管预拼台座纵向可同时制作相邻两节段(2×12.0m标准安装节段)。横撑(X形撑)预拼台座布置一组，先制作横撑，再改制X形撑。台座为条凳式底座。在25m长度范围内设置有5条横向条座。条座宽80cm。12.0m钢管端口支承处条座长12.5m，每节钢管中部条座长7.0m。台座采用7.5号浆砌片石材料，表面用水泥浆抹平以便测量放样。台座埋入地面10～30cm深，要求地基密实、稳定。台座顶面高出地面50cm，并呈水平。施工时，按制作需要预埋定位钢板(位置依测量放样而定，为500mm×600mm×12mm钢板)、胎架支承钢板以及备用锚环。

4.2胎架制作

在预拼台座上制作稳固的刚性胎架。按施工大样尺寸并预留工作调节空间，用钢板(厚10～16mm)、型钢(Ⅰ180～220、∠100～160)焊拼成预拼构件的水平支承杆、垂直定位立杆和稳定限位斜撑。用经纬仪和水准仪控制胎架的水平与垂直精度。

4.3主拱管定位

采用经纬仪按换算坐标在台座上放出主拱管的对接口投影线。采用场地龙门吊机将主拱管2个分片吊入胎架。在留有余长的主拱管两端放出对接口环缝样线。通过调整定位，使2个分片的管轴线水平间距为设计坐标值，单个分片上下主管中心线所在平面与胎架水平底线垂直，对接口环缝样线与台座上的对接口投影线重合。精确定位后用限位撑杆焊接固定在胎架上，再用仪器复查一遍。当几何尺寸精度控制合格后，割除端口长度余量(长度的确定应考虑焊接影响)，打好坡口并打磨光顺，保证对焊能顺利进行。

4.4现场预拼焊接

将已制备好的接头支撑杆准确焊拼到主拱管端口附近，距对接口约30cm。接头支撑杆组拼形式见图3，并具有足够的刚性，以保持主拱管端口的对接几何尺寸。腹杆焊接按从下到上、先直腹杆后斜腹杆的顺序组拼，焊接时采取对称交错、分段反向顺序。组拼过程中，严格监测钢管拱的组拼尺寸误差。

由于现场焊接仰焊难度较大，为保证焊缝质量，在完成整个节段的平焊与立焊后，利用龙门吊机将预拼节段整体翻身，再焊接另一面焊缝。在翻身前的施工中要注意按要求对仰焊缝作手工电焊打底，并先组拼焊好隔板，翻身过程中要轻柔、平缓，设置必要的支垫或拉绳，防止冲击和集中受力。翻身后对原仰焊进行平焊之前，抽样检查钢管拱截面的主要控制尺寸，预防变形。

预拼好的安装节段，起吊前要在地面焊接好各类吊装辅助构件，设置横联位置和测量控制标记，安装焊接检修通道。

4.5相邻标准安装节段对接口地面处理

为了减少空中对焊精确对位的工作量和施工难度，预拼成型的安装节段必须作对接口的地面预接和必要的技术处理。由于钢管拱在制作的过程中会遇到各种因素的影响，主拱管的椭圆度误差客观存在，且两相邻节段接口的椭圆形态不一致。施工对接时，对接口钢板(管壁)相互错位现象普遍存在，错位值一般有1～5mm、甚至可达到20mm以上。为此，预拼现场每组台座上的两节钢管拱要在起吊前进行预接整圆，相互对应着设置夹具和记号，使每道对接口的4根钢管、8个接口端面钢管圆环的对接错位误差限制在±1mm内。起吊时，相邻节段解体后先吊走安装节段，再将后安装节段移位到已经吊走节段的原胎架位置上，再进行新一节段的预拼。这里，随着节段的推进，主拱管节段尺寸亦在随之变化，胎架上限位撑杆的位置亦需作相应的调整。

4.6空中对焊

本桥钢管拱采取分节段焊接成拱。这对钢管拱的加工制作、现场预拼和空中对焊以及缆索吊装-扣定系统都提出了很高的技术要求，增大了整个安装工程的难度，同时大大延长了安装工期。钢管拱安装节段经缆索吊装就位后用预设接口定位钢筋(或钢板)进行初定位，根据经纬仪和水准仪(或全站仪)的线形控制指令，利用缆索吊机、横向稳定风缆和手拉葫芦对它进行竖、横、纵及旋转四维调整，使对接口两两吻合。对失圆误差和中心距微小误差，可利用钢质夹具空中整形，必要时可以采用千斤顶配合。对变形或错位较大，超出规定要求的接头，应采用钢板衬板(或预制备用的钢管环形箍)进行加强处理，确保成拱质量。

4.7横撑(X形撑)现场预拼

横撑(X形撑)进场单元构件利用场地龙门吊机组拼焊制成安装桁式单片，利用缆索吊机安装。其现场预拼施工流程为：横撑(X形撑)通用台座和胎架制作、放样划线、弦管吊运定位、撑管组拼定位、焊接、检测、起吊外移、下一单元预拼。

5钢管拱预制质量控制

5.1焊缝质量

焊缝质量符合国标二级质量标准的要求［3］。

5.2几何尺寸允许误差

(1)钢管拱轴线：2.0m基本管节取直线，起弧方向允许偏差1mm，起弧反向允许偏差0mm；12.0m单哑铃形管节允许偏差±2mm；12.0m标准安装节段允许偏差±3mm；成桥后拱轴线允许偏差±10mm或≤L/15000。

(2)横截面外形：钢管椭圆度±3mm或≤3/1000；整体长和宽允许偏差-0mm、+5mm；四肢主拱管两条中心对角线长度允许偏差±3mm。

(3)长度：2.0m基本管节为±2mm；12.0m单哑铃形管节为±5mm；安装成拱的各接口桩号(即拱跨纵坐标)允许偏差±20mm(限制安装节段的误差累积)。

(4)断面安装垂直度：单条拱肋断面安装垂直度±3mm。

(5)缀板焊接位置：±2mm。

(6)腹杆、斜杆组装：杆中线(管中线)与主拱管竖直对称面之间的偏离距离为±2mm；杆与主拱管连接的沿弧长方向的位置为±5mm。

5.3防腐处理

防腐处理按设计要求和有关规范［3］［4］办理。

6施工体会

某大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)现行规范对钢结构的加工制作要求，针对工厂内施工和外场螺栓联结结构的施工是适当的，针对现场制作和钢管拱桥分节段空中焊接成拱则要求甚高，难以达到，需采取一定的特殊措施方能满足。空中直接对焊成拱方案的合理性值得探讨。因此，在施工精度的现场及空中控制客观难度与施工误差对拱桥承载能力的影响方面，建议设计部门予以充分考虑。

(2)某桥址所在山区谷