大跨徑鋼管拱加工與現場預拼施工論文

　　摘要：介紹主跨208 m秭歸龍潭河大橋鋼管拱的加工制作、現場預拼和空中對焊等施工技術。

　　關鍵詞：鋼管混凝土結構 拱橋 橋梁制造 施工方法

　　1 前 言

　　鋼管混凝土拱橋的發展與應用在我國僅有十余年的歷史，但發展很快，已遍及全國廣大地區，目前已經建成的就達20余座，在建的也有20余座。這主要是因為鋼—混凝土組合材料的優越性決定的。關于鋼管拱肋的加工、拼裝和成拱工藝，對此類結構的施工技術、施工規范、質檢和監理程序與指標、施工定額及管理等方面的研究和經驗雖然有所積累，但仍不多見。廣泛交流施工經驗，研究制定和完善該類橋梁統一可行的規范規程，探討其施工經濟技術指標，是目前建造此類橋梁急待解決的課題之一。本文結合秭歸龍潭河大橋的施工實踐，主要對鋼管拱加工與現場預拼施工工藝和技術作簡要介紹，以期能拋磚引玉，供同仁參考。

　　2 工程概況

　　秭歸龍潭河大橋位于湖北省秭歸縣，是三峽工程秭歸移民區交通復建工程蒲(莊河)文(化)公路上的一座特大橋。全長280.40 m，孔跨布置為(20+20+208+20) m，橋幅布置為凈-9 m+2×1.0 m人行道。該橋由鐵道部專業設計院設計，湖北省公路建設總公司(湖北省路橋公司)施工。

　　本橋主跨為208 m的中承式鋼管混凝土拱橋，主拱為雙肋桁式無鉸拱，矢高40.530 m，矢跨 比1/4.935。拱軸線采用以懸鏈線為基礎的三次樣條曲線。變截面主拱肋上下弦管中心間距拱腳處為4.439 m，拱頂處為2.2 m。兩條主拱肋橫橋向中心距為11.60 m。全跨共設11道橫撐和6道X形撐，且均為空鋼管構成的桁式梁。每條鋼管拱分19節段加工制作、預拼和空中焊接。每節段一般長度為12 m(拱腳段14.4 m，合龍段4.297 m)，重量為20～30 t。全橋鋼管拱總重928 t，其中主拱管重785 t，橫撐(X形撐)重128 t，其余約15 t。主拱架設采用纜索吊裝法施工，最大設計吊裝重量為30 t。

　　3 鋼管拱工廠加工制作

　　鋼管拱的加工制作和現場安裝質量直接決定著橋梁的功能和使用壽命。因此，應選擇有資質、有能力、有經驗和有條件的生產廠家在工廠內加工制作。當工廠內拼裝場地和運輸條件受到限制時，也可以選擇工廠加工與現場預拼相結合的辦法。

　　3.1 選材

　　鋼材質量是鋼管質量的基礎。本橋設計采用16Mn、16Mnq、A3鋼材，其機械性能和化學成分指標應符合文獻［6］的標準。施工采用武鋼生產的優質鋼材。由監理工程師和施工單位負責人對每批進場的鋼材作質量檢查，驗證出廠合格證書和材質試驗報告單。其它焊接加工材料應滿足設計和文獻［3］中的要求。

　　3.2 鋼管卷制

　　根據施工圖設計線形、座標表、預拱度表等文件資料，在工廠內預拼臺座上將鋼管拱(包括主拱管、綴板、腹桿、斜撐、橫撐和X形撐)以1：1比例放出施工大樣，量取各構件的設計下料尺寸，并對部分單元構件制作紙樣。然后對主拱管2.0 m設計基本管節進行卷制�；�本 管節必須是整塊鋼板沿鋼板壓延方向卷制而成，采用半自動氧割機下料、滾床卷板機卷制。卷制前，應根據設計和規范要求將與鋼管縱縫和環縫相對應的板邊分別開好坡口，采用縱向氧吹雙面坡口。縱縫在設置的.專用夾具上分3次焊接。成形的鋼管，要采用糾圓機整體校圓。在無應力狀態下管口橢圓度控制在3 mm誤差以內。

　　3.3 焊接

　　焊接施工以文獻［3］的規定為標準。焊縫均按設計要求全部做超聲波探傷檢查和X射線抽樣檢查(抽樣率大于5%)。焊縫質量應達到二級質量標準的要求。焊接施工前，必須做焊接工藝試驗評定，可參照文獻［4］附錄15-2的要求進行。通過試驗評定，確定各鋼材焊接所需合理的焊條、焊劑、電流、電壓、焊接方式及速度和焊縫的層數、平焊、立焊、仰焊的運條手法等，確定溫度影響對構件幾何尺寸及變形形態的影響程度，制定合理的焊接工藝與工藝規程，指導實際生產。

　　基本管節制作時，在卷制成管后先用手工電焊打底，然后焊接管內4.5 mm厚，再用自動電焊機對管外自動焊接。 縱縫略高于母材1～2 mm。制作主拱管12.0 m安裝節段時，在加工胎架上先進行平面放置組裝。胎架在豎直面內按施工拱軸線起拱。胎架長度不小于30 m，用于鋼管對接、上綴板和下綴板的組裝焊接。鋼管對接時，縱縫布置相互錯開，環縫分布與管軸線嚴格垂直。環縫采用人工電焊打底，自動電焊成形。焊縫經檢驗合格后才進行綴板焊接。

　　單啞鈴形鋼管拱構件制作時，先焊接桁拱拱軸線內側的綴板，然后焊接其處側的綴板。在施工內側綴板之前，須先將外側綴板安裝到位并手工電焊打底和定位。焊接過程中應注意胎架及構件自身的臨時剛性定位和對稱交錯施焊，防止結構變形，減少初應力影響。

　　3.4 腹桿、橫撐(X形撐)單件制作

　　根據廠內1：1比例放樣及紙樣，結合焊接工藝試驗評定參數，進行φ400×10 mm腹桿、ⅵ500×12 mm橫撐(及X形撐)、φ299×8 mm橫聯撐桿和隔板等構件的放樣與下料。本橋所有鋼管構件均在工廠卷制成型。

　　3.5 防腐處理

　　全橋鋼結構在出廠前均采用長效復合防護涂層技術進行防腐處理。處理方案為：1～3號節段噴砂等級為國標Sa3級，4～10號節段噴砂等級不低于Sa2.5級；防腐結構1～3號節段第1層為200 μm熱噴鋅，第2層為75 μm SZ-1G無機富鋅，第3層為30 μm SA-1面漆，第4層為20 μm 881聚胺脂飾鋅面漆；防腐結構4～10號節段第1層為100 μm熱噴鋅，第2層為30 μm SZ-1G面漆，第3層為20 μm聚胺脂鋁粉裝漆(注：1～3號節段將被三峽工程庫區蓄水淹沒)。

　　構件經運輸進場、現場預拼、起吊安裝及最終成拱之后，對運輸和施工過程中被損傷的防護層，應進行現場防護處理，確保鋼管拱在25～30年內不受腐蝕(30年后應進行第2次防腐處理)。

　　3.6 半成品構件的運輸與存放

　　由于該橋鋼管拱安裝節段外形尺寸和安裝重量均很大，這給工廠制作后的運輸問題帶來較大困難。該橋地處中低山區，水陸交通不便，施工環境較差。大型構件從武漢至香溪走水路很方便，但從香溪港起吊上岸，轉運現場困難較大。大橋所在的新建蒲文公路，兩岸引道尚未施工。設備、材料和鋼管拱構件進場，只能依靠沿龍潭河南坡新修的施工便道。因此，通過與鋼管拱生產廠家、交通部第二航務工程局第六工程公司協商，并征求業主、監理和設計等方同意，最后決定將原定方案中要求在工廠預拼的工作量轉移到施工現場進行。在工廠內將原材料依設計與施工要求加工成半成品的組合單元構件，并作長效防腐處理之后，再運入現場完成剩下的整體桁式拱結構的預拼焊接成型工作。如此出廠的構件一般為12 m長、重約8.35 t的單啞鈴形鋼管拱分片和組拼用單元桿件。

　　根據施工安裝順序，統一對全橋鋼管拱各半成品構件進行順序編號、標記和存放。在轉運、堆放過程中，嚴防構件被碰撞、擠壓而變形或損傷。

　　4 鋼管拱現場預拼

　　經過工廠加工制作、進到施工現場的鋼管拱半成品組合單元主要有：單啞鈴形2-ⅵ900主拱管84分片、ⅵ400腹桿(及斜腹桿)420根、φ500橫撐158根、φ299橫聯撐桿225根以及隔板、拱腳連接板等。這些單元構件進場后應按照拼裝順序分類堆放，逐一進行現場預拼與安裝。

　　4.1 預拼臺座制作

　　現場預拼按臥式組拼方案施工。預拼臺座平面布置是根據設計圖紙進行坐標換算后的控制參數來進行施工放樣的。主拱管預拼臺座縱向可同時制作相鄰兩節段(2×12.0 m標準安裝節段)。橫撐(X形撐)預拼臺座布置一組，先制作橫撐，再改制X形撐。

　　臺座為條凳式底座。在25 m長度范圍內設置有5條橫向條座。條座寬80 cm。12.0 m鋼管端口支承處條座長12.5 m，每節鋼管中部條座長7.0 m。臺座采用7.5號漿砌片石材料，表面用水泥漿抹平以便測量放樣。臺座埋入地面10～30 cm深，要求地基密實、穩定。臺座頂面高出地面50 cm，并呈水平。施工時，按制作需要預埋定位鋼板(位置依測量放樣而定，為500 mm×600 mm×12 mm鋼板)、胎架支承鋼板以及備用錨環。

　　4.2 胎架制作

　　在預拼臺座上制作穩固的剛性胎架。按施工大樣尺寸并預留工作調節空間，用鋼板(厚10～16 mm)、型鋼(Ⅰ180～220、∠100～160)焊拼成預拼構件的水平支承桿、垂直定位立桿和穩定限位斜撐。用經緯儀和水準儀控制胎架的水平與垂直精度。鋼管拱預拼臺座及胎架示意見

　　4.3 主拱管定位

　　采用經緯儀按換算坐標在臺座上放出主拱管的對接口投影線。采用場地龍門吊機將主拱管2個分片吊入胎架。在留有余長的主拱管兩端放出對接口環縫樣線。通過調整定位，使2個分片的管軸線水平間距為設計坐標值，單個分片上下主管中心線所在平面與胎架水平底線垂直，對接口環縫樣線與臺座上的對接口投影線重合。精確定位后用限位撐桿焊接固定在胎架上，再用儀器復查一遍。當幾何尺寸精度控制合格后，割除端口長度余量(長度的確定應考慮焊接影響)，打好坡口并打磨光順，保證對焊能順利進行。

　　4.4 現場預拼焊接

　　將已制備好的接頭支撐桿準確焊拼到主拱管端口附近，距對接口約30 cm。并具有足夠的剛性，以保持主拱管端口的對接幾何尺寸。腹桿焊接按從下到上、先直腹桿后斜腹桿的順序組拼，焊接時采取對稱交錯、分段反向順序。組拼過程中，嚴格監測鋼管拱的組拼尺寸誤差。

　　由于現場焊接仰焊難度較大，為保證焊縫質量，在完成整個節段的平焊與立焊后，利用龍門吊機將預拼節段整體翻身，再焊接另一面焊縫。在翻身前的施工中要注意按要求對仰焊縫作手工電焊打底，并先組拼焊好隔板，翻身過程中要輕柔、平緩，設置必要的支墊或拉繩，防止沖擊和集中受力。翻身后對原仰焊進行平焊之前，抽樣檢查鋼管拱截面的主要控制尺寸，預防變形。

　　預拼好的安裝節段，起吊前要在地面焊接好各類吊裝輔助構件，設置橫聯位置和測量控制標記，安裝焊接檢修通道。

　　4.5 相鄰標準安裝節段對接口地面處理

　　為了減少空中對焊精確對位的工作量和施工難度，預拼成型的安裝節段必須作對接口的地面預接和必要的技術處理。由于鋼管拱在制作的過程中會遇到各種因素的影響，主拱管的橢圓度誤差客觀存在，且兩相鄰節段接口的橢圓形態不一致。施工對接時，對接口鋼板(管壁)相互錯位現象普遍存在，錯位值一般有1～5 mm、甚至可達到20 mm以上。為此，預拼現場每組臺座上的兩節鋼管拱要在起吊前進行預接整圓，相互對應著設置夾具和記號，使每道對接口的4根鋼管、8個接口端面鋼管圓環的對接錯位誤差限制在±1 mm內。起吊時，相鄰節段解體后先吊走安裝節段，再將后安裝節段移位到已經吊走節段的原胎架位置上，再進行新一節段的預拼。這里，隨著節段的推進，主拱管節段尺寸亦在隨之變化，胎架上限位撐桿的位置亦需作相應的調整。

　　4.6 空中對焊

　　本橋鋼管拱采取分節段焊接成拱。這對鋼管拱的加工制作、現場預拼和空中對焊以及纜索吊裝-扣定系統都提出了很高的技術要求，增大了整個安裝工程的難度，同時大大延長了安裝工期。鋼管拱安裝節段經纜索吊裝就位后用預設接口定位鋼筋(或鋼板)進行初定位，根據經緯儀和水準儀(或全站儀)的線形控制指令，利用纜索吊機、橫向穩定風纜和手拉葫蘆對它進行豎、橫、縱及旋轉四維調整，使對接口兩兩吻合。對失圓誤差和中心距微小誤差，可利用鋼質夾具空中整形，必要時可以采用千斤頂配合。對變形或錯位較大，超出規定要求的接頭，應采用鋼板襯板(或預制備用的鋼管環形箍)進行加強處理，確保成拱質量。

　　4.7 橫撐(X形撐)現場預拼

　　橫撐(X形撐)進場單元構件利用場地龍門吊機組拼焊制成安裝桁式單片，利用纜索吊機安裝。其現場預拼施工流程為：橫撐(X形撐)通用臺座和胎架制作、放樣劃線、弦管吊運定位、撐管組拼定位、焊接、檢測、起吊外移、下一單元預拼。

　　5 鋼管拱預制質量控制

　　5.1 焊縫質量

　　焊縫質量符合國標二級質量標準的要求［3］。

　　5.2 幾何尺寸允許誤差

　　(1) 鋼管拱軸線：2.0 m基本管節取直線，起弧方向允許偏差1 mm，起弧反向允許偏差0 mm；12.0 m單啞鈴形管節允許偏差±2 mm；12.0 m標準安裝節段允許偏差±3 mm；成橋后拱軸線允許偏差±10 mm或≤L/15 000。

　　(2) 橫截面外形：鋼管橢圓度±3 mm或≤3/1 000；整體長和寬允許偏差- 0 mm、+5 mm；四肢主拱管兩條中心對角線長度允許偏差±3 mm。

　　(3) 長度：2.0 m基本管節為±2 mm；12.0 m單啞鈴形管節為±5 mm；安裝成拱的各接口樁號(即拱跨縱坐標)允許偏差±20 mm(限制安裝節段的誤差累積)。

　　(4) 斷面安裝垂直度：單條拱肋斷面安裝垂直度±3 mm。

　　(5) 綴板焊接位置：±2 mm。

　　(6) 腹桿、斜桿組裝：桿中線(管中線)與主拱管豎直對稱面之間的偏離距離為±2 mm；桿與主拱管連接的沿弧長方向的位置為±5 mm。

　　5.3 防腐處理

　　防腐處理按設計要求和有關規范［3］［4］辦理。

　　6 施工體會

　　秭歸龍潭河大橋鋼管拱加工及現場預拼施工經檢查驗收均符合設計和規范要求。通過該橋實踐，我們有以下幾點體會：

　　(1) 現行規范對鋼結構的加工制作要求，針對工廠內施工和外場螺栓聯結結構的施工是適當的，針對現場制作和鋼管拱橋分節段空中焊接成拱則要求甚高，難以達到，需采取一定的特殊措施方能滿足。空中直接對焊成拱方案的合理性值得探討。因此，在施工精度的現場及空中控制客觀難度與施工誤差對拱橋承載能力的影響方面，建議設計部門予以充分考慮。

　　(2) 秭歸橋址所在山區谷口，四季風力強勁，每天下午和晚上風力可達5～7級。其氣候特征帶有十分突出的特殊性，雨天、霧天、大風天和夜晚占去該橋大量空中焊接時間(占總工期的40%～50%)，嚴重影響施工。若只計算鋼管拱現場組拼及安裝純占用時間，一般為3 d預拼一節段、4 d安裝一節段。該橋實際施工4～5 d預拼一節段、5～10 d安裝一節段。

　　(3) 鋼管拱制作與安裝工程依其施工和質量要求，若參照現有的參考定額，其預算造價明顯偏低，無法滿足實際資金需求。

　　綜上所述，進一步收集整理該類型橋梁的施工經驗，分析探討其科學合理的施工經濟技術指標，這對指導今后的設計、施工和成本管理都將具有重要意義。

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