大跨徑鋼管拱加工與現(xiàn)場預拼施工論文
摘要：介紹主跨208 m秭歸龍?zhí)逗哟髽蜾摴芄暗募庸ぶ谱�、現(xiàn)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(fā)展與應用在我國僅有十余年的歷史，但發(fā)展很快，已遍及全國廣大地區(qū)，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(yōu)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(guī)范、質檢和監(jiān)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(tǒng)一可行的規(guī)范規(guī)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?zhí)逗哟髽虻氖┕嵺`，主要對鋼管拱加工與現(xiàn)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?zhí)逗哟髽蛭挥诤笔★鰵w縣，是三峽工程秭歸移民區(qū)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(yè)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(jié)段加工制作、預拼和空中焊接。每節(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(yōu)質鋼材。由監(jiān)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(jù)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(jié)進行卷制�；� 管節(jié)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(jù)設計和規(guī)范要求將與鋼管縱縫和環(huán)縫相對應的板邊分別開好坡口，采用縱向氧吹雙面坡口�？v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(tài)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(guī)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(shù)、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(tài)的影響程度，制定合理的焊接工藝與工藝規(guī)程，指導實際生產。
基本管節(jié)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(jié)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(huán)縫分布與管軸線嚴格垂直。環(huán)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(jù)廠內1：1比例放樣及紙樣，結合焊接工藝試驗評定參數(shù)，進行φ400×10 mm腹桿、ⅵ500×12 mm橫撐(及X形撐)、φ299×8 mm橫聯(lián)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(jié)段噴砂等級為國標Sa3級，4～10號節(jié)段噴砂等級不低于Sa2.5級；防腐結構1～3號節(jié)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(jié)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(jié)段將被三峽工程庫區(qū)蓄水淹沒)。
構件經運輸進場、現(xiàn)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(xiàn)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(jié)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(qū)，水陸交通不便，施工環(huán)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(xiàn)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?zhí)逗幽掀滦滦薜氖┕け愕�。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(xié)商，并征求業(yè)主、監(jiān)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)施工安裝順序，統(tǒng)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(xiàn)場預拼
經過工廠加工制作、進到施工現(xiàn)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(lián)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(xiàn)場預拼與安裝。
4.1 預拼臺座制作
現(xiàn)場預拼按臥式組拼方案施工。預拼臺座平面布置是根據(jù)設計圖紙進行坐標換算后的控制參數(shù)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(jié)段(2×12.0 m標準安裝節(jié)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(jié)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(wěn)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(huán)。
4.2 胎架制作
在預拼臺座上制作穩(wěn)固的剛性胎架。按施工大樣尺寸并預留工作調節(jié)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(wěn)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(huán)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(huán)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(xiàn)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(jiān)測鋼管拱的組拼尺寸誤差。
由于現(xiàn)場焊接仰焊難度較大，為保證焊縫質量，在完成整個節(jié)段的平焊與立焊后，利用龍門吊機將預拼節(jié)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(jié)段，起吊前要在地面焊接好各類吊裝輔助構件，設置橫聯(lián)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(jié)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(jié)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(jié)段接口的橢圓形態(tài)不一致。施工對接時，對接口鋼板(管壁)相互錯位現(xiàn)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(xiàn)場每組臺座上的兩節(jié)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(huán)的對接錯位誤差限制在±1 mm內。起吊時，相鄰節(jié)段解體后先吊走安裝節(jié)段，再將后安裝節(jié)段移位到已經吊走節(jié)段的原胎架位置上，再進行新一節(jié)段的預拼。這里，隨著節(jié)段的推進，主拱管節(jié)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(jié)段焊接成拱。這對鋼管拱的加工制作、現(xiàn)場預拼和空中對焊以及纜索吊裝-扣定系統(tǒng)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(jié)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(jù)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(wěn)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(guī)定要求的接頭，應采用鋼板襯板(或預制備用的鋼管環(huán)形箍)進行加強處理，確保成拱質量。
4.7 橫撐(X形撐)現(xiàn)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(xiàn)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(jié)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(jié)允許偏差±2 mm；12.0 m標準安裝節(jié)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(jié)為±2 mm；12.0 m單啞鈴形管節(jié)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(jié)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(guī)范［3］［4］辦理。
6 施工體會
秭歸龍?zhí)逗哟髽蜾摴芄凹庸ぜ艾F(xiàn)場預拼施工經檢查驗收均符合設計和規(guī)范要求。通過該橋實踐，我們有以下幾點體會：
(1) 現(xiàn)行規(guī)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(lián)結結構的施工是適當?shù)模槍ΜF(xiàn)場制作和鋼管拱橋分節(jié)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(xiàn)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(qū)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(xiàn)場組拼及安裝純占用時間，一般為3 d預拼一節(jié)段、4 d安裝一節(jié)段。該橋實際施工4～5 d預拼一節(jié)段、5～10 d安裝一節(jié)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(xiàn)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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