天津南港鐵路96m系桿拱橋鋼拱肋制造工藝及關(guān)鍵技術(shù)研析

孫志峰　石立鵬

介紹了天津南港鐵路96m系桿拱的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合制造過程中的生產(chǎn)實際情況介紹了生產(chǎn)工藝流程，同時分析了關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制要點，提高了制造精度，減少焊接變形，從而保證系桿拱的制造質(zhì)量。

工程概況

天津南港鐵路96m系桿拱橋為下承式橋梁，上部結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土系桿拱，梁全長98m，計算跨度95.7m，拱肋立面矢高19.2m，拱肋采用二次拋物線。拱肋在橫橋向內(nèi)傾8。，呈提籃式樣，拱頂處兩拱肋中心距8.058m。橋型整體布置如圖1橋所示。

拱肋的結(jié)構(gòu)特點

拱肋鋼管采用Q345qE鋼材，橫斷面采用啞鈴型鋼管混凝土等截面，截面高度2.5m，鋼管直徑為1.0m，由20mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用16mm的腹板連接。每隔一段距離，內(nèi)設(shè)加勁箍，腹板中間焊接拉桿。

拱肋之間設(shè)置一道橫撐和四道K撐，橫撐采用外徑1.0m的圓形鋼管組成，斜撐采用外徑0.8m的圓形鋼管組成。

吊桿采用平行布置，全橋共設(shè)17對吊桿，吊桿縱向垂直梁面布置，在橫向內(nèi)傾8。。

鋼拱肋制造工藝及關(guān)鍵技術(shù)研析

制造出符合設(shè)計要求的拱肋并且保證拱肋的幾何尺寸、成橋線形及吊桿位置的準(zhǔn)確性是制造方案的關(guān)鍵。

拱肋分段。根據(jù)本橋鋼管拱肋的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，且為了便于制造，由曲線調(diào)整為若干條短直線制造。

鋼拱肋制造。鋼管拱肋的制造分為拱肋筒節(jié)及橫撐、斜撐制造、拱肋節(jié)段制作、單根拱肋整體預(yù)拼裝。拱肋節(jié)段如圖2所示。

拱肋筒節(jié)及橫撐、斜撐筒節(jié)制造工藝流程。筒節(jié)的制作難點分析：拱肋筒節(jié)是鋼管拱的最小制作單元，拱肋筒節(jié)的制造質(zhì)量直接影響拱肋的成橋線形、幾何尺寸及精度，因此筒節(jié)的圓度、縱縫焊接預(yù)留反變形、控制焊接收縮量、校圓等是筒節(jié)制作的難點。

根據(jù)《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》及本橋的結(jié)構(gòu)特點，筒節(jié)劃分節(jié)段基本長度為2m。拱肋筒節(jié)一般由鋼板直接卷制成圓形。制造工藝流程如下：

下料：用計算機放樣后下料。為保證筒節(jié)的幾何尺寸，下料時需充分考慮以下兩點：

①筒節(jié)的長度應(yīng)充分考慮預(yù)留彈性收縮量、環(huán)焊縫焊接收縮量及筒節(jié)的二次切頭量；②筒節(jié)的周長則根據(jù)筒節(jié)直徑、焊接坡口的間隙和焊接收縮量等綜合因素決定。

加工坡口：所有用于卷制筒節(jié)的鋼板縱、環(huán)縫位置均需按照工藝要求開坡口。

預(yù)壓頭：為保證卷制后的成型，卷制前要先進行預(yù)壓頭。詳見圖3。

卷圓：卷圓過程中用樣板進行圓度檢測，卷制時注意坡口朝外，卷管方向與鋼板的壓延方向一致。詳見圖4。

焊接縱縫：筒節(jié)縱縫的裝配、焊接在專用的胎架上完成，控制縱縫間隙，焊前設(shè)置跨縫碼板。縱縫須相互錯開。詳見圖5。

修整：焊接完成后筒節(jié)需重新用三輥趕板機再次進行校圓（復(fù)圓）。

標(biāo)記：對焊縫進行無損檢測。按施工圖要求對筒節(jié)進行編號標(biāo)記，如圖6所示。標(biāo)明徑向線，為后續(xù)筒節(jié)裝配、節(jié)段預(yù)拼裝、檢驗做好標(biāo)記線。

鋼管拱肋節(jié)段制作的工藝流程（詳見圖7）

拱肋節(jié)段制作難點分析：成橋的整體線形及精度由節(jié)段精度來保證，因此拱肋節(jié)段制造時的精度是節(jié)段制造的關(guān)鍵。由于各構(gòu)件之間的連接均采用焊接，焊接時的焊接收縮及變形控制、節(jié)段的制造精度控制是拱肋節(jié)段制造的難點。

組焊管內(nèi)加勁板及筒節(jié)接長：筒節(jié)接長是在專門設(shè)計的工裝胎架上采用側(cè)臥法進行，胎架線性值由AutoCAD軟件放樣計算，采用經(jīng)緯儀配合鋼卷尺在平臺上建立測量體系。胎架上設(shè)置牙板，牙板要進行頂面標(biāo)高測量調(diào)整，嚴(yán)格控制頂面高程。胎架上應(yīng)劃出拱肋軸線、水平線、檢查線等必要的標(biāo)記。拼裝時對胎架圓弧弧度、高程、橫縱基準(zhǔn)線進行校驗，合格后將筒節(jié)縱基線對齊、基準(zhǔn)頭與橫基線對齊依次就位。各筒節(jié)依次按順序及工藝要求的間隙利用工藝碼板調(diào)整各筒節(jié)之間的接口。在對拱肋標(biāo)高和外形尺寸作詳細(xì)檢查合格后，方可進行焊接。如步驟①、②。

內(nèi)、外側(cè)腹板安裝：腹板組裝在胎架上進行，筒節(jié)接長后環(huán)焊縫焊接檢驗合格方可安裝腹板。兩片腹板組焊時為了確保拉桿孔同心，組焊前應(yīng)利用拉桿定位，定位后方可進行焊接。如步驟③。

拱肋預(yù)拼裝

對每側(cè)拱肋節(jié)段進行連續(xù)匹配預(yù)拼裝，預(yù)拼裝的目的是確保線形，進行吊桿軸線放樣、吊桿零件、錨箱等組焊，然后進行橫撐、斜撐預(yù)留段的組焊，最后完成其他剩余工序。如圖8所示。

拱肋成形是否符合設(shè)計線形是成橋的關(guān)鍵，為保證節(jié)段幾伺尺寸的一致性和正確性及節(jié)段間工地連接的匹配性，在拱肋節(jié)段制作完成后，須通過預(yù)拼對其跨徑、拱軸線、矢高等進行全面檢查。

拱肋預(yù)拼裝采用單根拱肋整體預(yù)拼裝的制作方案。單根拱肋整體預(yù)拼裝是在有足夠承載力的剛性平臺上進行。在平臺上利用經(jīng)緯儀配合鋼卷尺建立拼裝及測量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。拱肋節(jié)段制作完成后根據(jù)其定位點精確就位，以達到與平臺地標(biāo)點相吻合。

吊桿零件及錨箱等組焊：拱肋吊桿安裝的準(zhǔn)確性也是決定全橋質(zhì)量是否優(yōu)良的關(guān)鍵之一，并且為了確保成橋時吊桿位置的準(zhǔn)確性，吊桿位置的確定在拱肋預(yù)拼裝階段進行。利用經(jīng)緯儀及在胎架上劃吊桿定位線并對其進行檢測。檢測符合圖紙要求后方可定位切錨箱及吊桿孔。拱肋整體預(yù)拼裝階段需要完成：腹板、錨箱、封板、節(jié)段端口接頭及工藝隔板的組裝。

橫撐、斜撐預(yù)留段組裝：橫撐、斜撐作為拱肋的骨架，它們與拱肋主管之間的連接精度為本橋制造的關(guān)鍵節(jié)點。本橋的橫撐、斜撐與主管之間采用預(yù)留段相貫式焊接，為保證二者之間的匹配精度，宜采用自動或者半自動加工方式來保證相貫線及坡口的制作精度。組裝時首先需要采用經(jīng)緯儀配合鋼卷尺在平臺上分別畫出上下拱肋的縱、橫向定位線，再以吊桿線劃預(yù)留段相貫口處的定位基準(zhǔn)線。

關(guān)鍵工藝技術(shù)研析

鋼管拱肋在制造過程中，有以下幾個方面作為重點、關(guān)鍵點加以研究并控制：

拱肋線形及分段：系桿拱橋的線形是橋梁成形的關(guān)鍵控制項點之一，因此橋梁線形成形中以直代曲的分段原則和預(yù)拱度擬合是關(guān)鍵工藝技術(shù)，其原則主要是：①分段長度應(yīng)綜合考慮卷管長度、吊桿位置、管內(nèi)加勁位置等因素，且相鄰管節(jié)長度不應(yīng)過于懸殊。②系桿拱拱肋折點應(yīng)在計入預(yù)拱度后的拱軸線上。放樣時應(yīng)使由于制作誤差引起的鋼管彎曲的彎曲方向與拱軸的彎曲方向一致，以減小拱軸誤差。

鋼管成形：鋼管成形過程中應(yīng)重點控制以下三點：①周長控制，預(yù)留合理的焊接收縮量，焊接時要嚴(yán)格按焊接工藝先用CO2氣體保護焊焊接內(nèi)側(cè)，然后在外側(cè)使用埋弧自動焊完成縱縫焊接。②預(yù)壓頭：預(yù)壓頭直接影響鋼管最終成型后的幾何尺寸誤差，即圓管的矢圓度，棱角度。（模具預(yù)彎成型段為漸開線形式，且下模角度可根據(jù)計算進行調(diào)節(jié)以滿足該模具使用范圍內(nèi)的最佳圓弧成型段。）③校園（復(fù)圓）：卷板機上復(fù)圓。幾伺精度要求為：直徑允許偏差±d/500；管口圓度d/500。

節(jié)段拼裝：拱肋拼裝中應(yīng)控制以下幾點：①確保胎架上的筒節(jié)定位正確，簡節(jié)徑向線及中心線應(yīng)與胎架縱基線相吻合。②焊接應(yīng)從兩端向中部對稱進行。③要隨時觀察、測量拱軸線的坐標(biāo)，控制旁彎。

整體預(yù)拼裝：整體預(yù)拼裝節(jié)段中線形的控制及吊索軸線的精確定位是整體預(yù)拼裝的關(guān)鍵。

通過工廠預(yù)拼，可以檢測拱肋節(jié)段的加工精度，最大限度地消除拱肋節(jié)段的加工偏差，完成實地吊裝前的各項準(zhǔn)備工作。

制造過程中的矯正技術(shù)：拱肋筒節(jié)成形的好壞是筒節(jié)之間拼裝、筒節(jié)與腹板拼裝以及焊接質(zhì)量的重要前提。因此，筒節(jié)與腹板等的矯正為拱肋節(jié)段的拼裝奠定良好的基礎(chǔ)。筒節(jié)與腹板等可以采用開式摩擦壓力機進行機械矯正；拱肋節(jié)段可以進行火焰矯正。

天津南港鐵路96m系桿拱的的制造，是總結(jié)和改進了以往生產(chǎn)系桿拱的制造經(jīng)驗，針對制造特點和制造難點，同時結(jié)合以往拱肋制造的成功經(jīng)驗，通過以上工藝方案的研究及關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制和生產(chǎn)過程中的不斷完善，有效地控制了拱肋的跨徑、拱軸線、矢高、吊桿位置等精度，保證了拱肋制造的質(zhì)量達到了預(yù)期目標(biāo)。