鋼拱橋鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置的應用

孟慶斌

（中鐵上海工程局集團有限公司，上海 201906）

0 引言

上承式提籃拱橋的拱橋勁性骨架一般多設計為鋼管拱肋結構，而鋼管拱肋在管口對位時的常規做法多采用內法蘭連接匹配或管外碼板臨時固定的方式。但這兩種對位匹配方式受制于外部因素的干擾都不易靈活調整，往往因為管口錯邊及縫隙過大而導致管節之間環口焊縫質量不能滿足設計及規范要求，極易造成鋼結構的焊接質量缺陷。如何較為便捷地解決上承式提籃拱橋鋼管拱肋管口在現有對位工藝時常出現的問題，是行業內參建人員長期思考的問題之一，是目前上承式提籃拱橋施工亟待解決的一項技術研究課題[1]。

1 依托項目工程概況

鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋位于重慶市奉節縣梅溪河口上游約1.5km處，橋梁全長687.8m，主橋采用1-340m上承式鋼筋混凝土X型提籃拱，跨徑為340m，矢高74m。主拱肋橫向寬度為5m，豎向高度為6～11m，全橋拱肋共分成48個單元（拱腳預埋段及拱頂合龍段除外），主拱肋勁性骨架主材材質采用Q390D、Q345D，用鋼量約4083t。拱肋分叉段橫梁為鋼管桁架結構，其余聯結系為L200×20、L160×16等四肢組合角鋼結構，材質為Q345D，拼接填板等次要構件材質為Q235。拱肋鋼管內灌注C60微膨脹自密實混凝土，拱圈外包C55補償收縮鋼筋混凝土，拱上共計11根墩柱，主橋共計三聯（4孔一聯）連續梁。主拱圈采用勁性骨架外包混凝土結構，主拱座基礎采用水平樁+豎直樁方案，交界墩采用雙柱式空心墩，全橋位于3‰直線縱坡上。如圖1所示。

2 現有施工工藝存在的不足

通過廣泛地調研國內鋼拱橋鋼拱肋主弦管對接焊接工藝工裝的現狀，發現主弦管焊接對接質量和施工過程安全受管理行為、施工工藝和施工工裝等因素的影響十分密切，特別是主弦管焊接質量極易因管口錯邊或管縫過大等原因導致環口焊縫出現質量缺陷[2]。總結歸納目前鋼拱橋鋼拱肋主弦管對接焊接工藝工裝，發現現有工藝工裝存在著以下不足：

（1）剛拱肋主弦管對接精度要求非常高，多采用法蘭連接匹配或管外碼板臨時固定的方式作為臨時固結手段。整個安裝過程需要大型起重設備或重型頂升設備的精密配合，主弦管的空間位置控制難度較大，特別是在水平方向精準調整主弦管位置時難度更大。

（2）針對鋼管桁架拱多根主弦管同時在高空對位的復雜工況，往往要兼顧多個主弦管的同步對位，現有施工工藝極易發生有的主弦管已完成初步對外，但其他主弦管的位置偏差依然較大的情況，需要不斷重復調整鋼構件的空間位置才能確保多根主弦管的對位精準。

（3）現有施工工藝的鋼拱架主弦管對位工序往往耗時較長，需要不同工種工人隨時配合作業，工作效率較低，且長時間起重吊裝作業存在較大安全風險。

3 鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置的結構構成

針對現有鋼拱肋主弦管對接工藝存在要求精度高，易出現質量缺陷等問題，在建設各方的共同參與下，依托中鐵上海工程局集團有限公司鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋開展了新型裝置的研發工作，通過多次試驗總結和分析調整后，最終穩定了加工和實施方案，并達到了預期使用功能[3]。

鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置由對接主弦管管節、匹配件、填板和定位螺栓組成。兩個對接主弦管管節的相對接的管口外壁均相對應地焊接連接有多個匹配件，而匹配件沿對接主弦管管節的周向均布設置。每個匹配件包括焊接連接成一體的匹配板和兩塊支撐板，匹配板沿對接主弦管管節的徑向面設置，兩塊支撐板分別垂直設置于匹配板的兩側。每塊支撐板的一端與匹配板焊接連接，支撐板的另一端與對接主弦管管節的外壁焊接連接。相對應兩個匹配件的匹配板之間設有填板，相對應的兩個匹配件的匹配板及之間的填板通過定位螺栓緊固連接，如圖2所示。為確保連接便捷，每個匹配件的匹配板上開設與定位螺栓相配合的腰型孔。每塊填板上開設與定位螺栓相配合的螺栓孔，相對應兩個匹配件的匹配板上的腰型孔的延伸方向相垂直，并且腰型孔的中心線相重合。填板可根據工藝要求調整厚度來調節兩個對接主弦管管節的管口間隙。沿著每個對接主弦管管節周向均勻布設的四個匹配件，匹配件通過焊接連接的方式與管口外壁相連。其中的兩個匹配件設置于管口的橫向基準線上，另兩個匹配件設置于管口的縱向基準線上。相對應兩個匹配件的匹配板之間設有兩塊填板，相對應兩個匹配件的匹配板和之間的兩塊填板通過兩個定位螺栓緊固連接。每個匹配件的匹配板上開設有兩個腰型孔，兩個腰型孔以匹配件所在基準線為軸對稱分布。同時，每塊填板上相對應地開設有兩個螺栓孔[4]。

4 鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置的使用方法

所有結構構件的尺寸及連接均需根據實際情況通過計算確定，以鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋主橋為例，鋼拱肋拱軸線為懸鏈線造型，每個節段的空中傾角、姿態均不相同，單節段最大重量150t。鋼拱肋節段現場吊裝時，采用鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置進行拱肋節點高空定位精調施工，順利地完成了拱肋節段的管口精調定位。其中，對接主弦管管節直徑750mm，壁厚24mm，匹配板和支撐板厚24mm，填板厚24mm，定位螺栓采用8.8級M28的螺栓。具體操作流程如下：

（1）施工前，在鋼拱肋節段加工廠內對匹配件進行預制和試拼裝，每一匹配板和兩塊支撐板組合焊接構成一匹配件，每四個匹配件焊接在一對接主線管管節用于對接的管口的相應位置。

（2）在鋼拱肋節段安裝現場，兩個對接主弦管管節吊裝到高空后開始粗調定位，相對應兩個匹配件的匹配板之間及時塞填板，利用定位螺栓進行緊固固定。

（3）定位螺栓緊固結束后立即對拱肋節段進行空間支撐，使其固定牢靠，空間支撐的方式一般采用支架法或斜拉扣掛法支撐。

（4）拱肋節段空間加固結束后隨即啟動管口精調作業程序。管口精調時，先松動定位螺栓，借用千斤頂或者手拉葫蘆等外力裝置對管口上下、左右進行精確調整，精確就位后，緊固定位螺栓進行固定。可根據工藝要求對填板的厚度調整來調節管口間隙。

（5）管口精調作業完成后，開始對未被鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置遮擋的管縫部位進行焊接作業，為降低因焊接過程中的溫度變化對構件產生變形影響，焊接作業宜對稱進行。

（6）對稱解除鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置固定螺栓，并切割已解除固定螺栓的鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置，切割完成后立即對其遮擋的管縫部位進行焊接作業。為保證操作過程安全，并降低因焊接過程中的溫度變化對構件產生變形影響，整套操作過程應對稱進行。

（7）以上工序完成后，該作業內容全部完成，剩余作業內容重復以上步驟進行。

5 鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置使用后效果顯著

采用自主研發的鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置后效果顯著，與現有鋼管拱肋的管口對接采用法蘭連接匹配或管外碼板臨時固結的工藝相比，此種新型安裝工藝工裝具有結構簡單，入門門檻低，便于拱肋節段高空對位，安裝快速便捷等優點。特別適用于鋼管桁架拱多根主弦管同時在高空對位的需要多維度精準控制的復雜施工工況。通過先進行粗對接方式，將對接管進行臨時固定，為后續精準對接提供穩固的工作面。將填板引入該裝置后，可以對管縫距離實現準確控制，為后續管縫對接焊接的質量提供了有力保障。再通過腰型孔垂直方向開孔的巧妙設計，能夠實現隨時對管口精準對位的雙向調節的效果[5]。

鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置的投入使用，在實現了減少勞動力投入和顯著提高了工作效率的目標的同時，還顯著提升了鋼管拱肋管口對接焊接的質量，提高了鋼構件一次焊接合格率。大幅縮短了作業人員高空作業的時長，有效地降低了高空作業安全風險。綜上，該新型裝置具備大范圍推廣使用條件。

6 結語

在鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋施工過程中，由中鐵上海工程局集團有限公司自主研發的鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置，獲得了各參建單位的高度認可，在大幅提高施工安全的同時，也顯著提升了鋼拱肋主弦管對接的焊接質量，取得了顯著的經濟和社會效益。同時，該成果獲得了國家實用新型發明專利（專利名稱：一種鋼拱肋主弦管外置式雙向調節匹配裝置，專利號：ZL 2020 2 2032363.7），在一定程度上也促進了我國鋼拱橋的施工技術發展。