大跨徑鋼管拱加工與現(xiàn)場預(yù)拼施工

大跨徑鋼管拱加工與現(xiàn)場預(yù)拼施工

1前言

鋼管混凝土拱橋的發(fā)展與應(yīng)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(jīng)建成的就達(dá)20余座，在建的也有20余座。這主要是因?yàn)殇摗炷两M合材料的優(yōu)越性決定的。關(guān)于鋼管拱肋的加工、拼裝和成拱工藝，對(duì)此類結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)、施工規(guī)范、質(zhì)檢和監(jiān)理程序與指標(biāo)、施工定額及管理等方面的研究和經(jīng)驗(yàn)雖然有所積累，但仍不多見。廣泛交流施工經(jīng)驗(yàn)，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(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，是目前建造此類橋梁急待解決的課題之一。本文結(jié)合某大橋的施工實(shí)踐，主要對(duì)鋼管拱加工與現(xiàn)場預(yù)拼施工工藝和技術(shù)作簡要介紹。2工程概況

某大橋位于湖北省某縣，全長280.40m，孔跨布置為(20+20+208+20)m，橋幅布置為凈-9m+2×1.0m人行道。本橋主跨為208m的中承式鋼管混凝土拱橋，主拱為雙肋桁式無鉸拱，矢高40.530m，矢跨比1/4.935。拱軸線采用以懸鏈線為基礎(chǔ)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4.439m，拱頂處為2.2m。兩條主拱肋橫橋向中心距為11.60m。全跨共設(shè)11道橫撐和6道X形撐，且均為空鋼管構(gòu)成的桁式梁。每條鋼管拱分19節(jié)段加工制作、預(yù)拼和空中焊接。每節(jié)段一般長度為12m(拱腳段14.4m，合龍段4.297m)，重量為20～30t。全橋鋼管拱總重928t，其中主拱管重785t，橫撐(X形撐)重128t，其余約15t。主拱架設(shè)采用纜索吊裝法施工，最大設(shè)計(jì)吊裝重量為30t。

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(zhì)量直接決定著橋梁的功能和使用壽命。因此，應(yīng)選擇有資質(zhì)、有能力、有經(jīng)驗(yàn)和有條件的生產(chǎn)廠家在工廠內(nèi)加工制作。當(dāng)工廠內(nèi)拼裝場地和運(yùn)輸條件受到限制時(shí)，也可以選擇工廠加工與現(xiàn)場預(yù)拼相結(jié)合的辦法。

3.1選材

鋼材質(zhì)量是鋼管質(zhì)量的基礎(chǔ)。本橋設(shè)計(jì)采用16Mn、16Mnq、A3鋼材，其機(jī)械性能和化學(xué)成分指標(biāo)應(yīng)符合文獻(xiàn)［6］的標(biāo)準(zhǔn)。施工采用武鋼生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)鋼材。由監(jiān)理工程師和施工單位負(fù)責(zé)人對(duì)每批進(jìn)場的鋼材作質(zhì)量檢查，驗(yàn)證出廠合格證書和材質(zhì)試驗(yàn)報(bào)告單。其它焊接加工材料應(yīng)滿足設(shè)計(jì)和文獻(xiàn)［3］中的要求。

3.2鋼管卷制

根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)線形、座標(biāo)表、預(yù)拱度表等文件資料，在工廠內(nèi)預(yù)拼臺(tái)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(gòu)件的設(shè)計(jì)下料尺寸，并對(duì)部分單元構(gòu)件制作紙樣。然后對(duì)主拱管2.0m設(shè)計(jì)基本管節(jié)進(jìn)行卷制?；竟芄?jié)必須是整塊鋼板沿鋼板壓延方向卷制而成，采用半自動(dòng)氧割機(jī)下料、滾床卷板機(jī)卷制。卷制前，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)和規(guī)范要求將與鋼管縱縫和環(huán)縫相對(duì)應(yīng)的板邊分別開好坡口，采用縱向氧吹雙面坡口。縱縫在設(shè)置的專用夾具上分3次焊接。成形的鋼管，要采用糾圓機(jī)整體校圓。在無應(yīng)力狀態(tài)下管口橢圓度控制在3mm誤差以內(nèi)。

3.3焊接

焊接施工以文獻(xiàn)［3］的規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)。焊縫均按設(shè)計(jì)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(zhì)量應(yīng)達(dá)到二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。焊接施工前，必須做焊接工藝試驗(yàn)評(píng)定，可參照文獻(xiàn)［4］附錄15-2的要求進(jìn)行。通過試驗(yàn)評(píng)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(yùn)條手法等，確定溫度影響對(duì)構(gòu)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(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)?；竟芄?jié)制作時(shí)，在卷制成管后先用手工電焊打底，然后焊接管內(nèi)4.5mm厚，再用自動(dòng)電焊機(jī)對(duì)管外自動(dòng)焊接?？v縫略高于母材1～2mm。制作主拱管12.0m安裝節(jié)段時(shí)，在加工胎架上先進(jìn)行平面放置組裝。胎架在豎直面內(nèi)按施工拱軸線起拱。胎架長度不小于30m，用于鋼管對(duì)接、上綴板和下綴板的組裝焊接。鋼管對(duì)接時(shí)，縱縫布置相互錯(cuò)開，環(huán)縫分布與管軸線嚴(yán)格垂直。環(huán)縫采用人工電焊打底，自動(dòng)電焊成形。焊縫經(jīng)檢驗(yàn)合格后才進(jìn)行綴板焊接。

單啞鈴形鋼管拱構(gòu)件制作時(shí)，先焊接桁拱拱軸線內(nèi)側(cè)的綴板，然后焊接其處側(cè)的綴板。在施工內(nèi)側(cè)綴板之前，須先將外側(cè)綴板安裝到位并手工電焊打底和定位。焊接過程中應(yīng)注意胎架及構(gòu)件自身的臨時(shí)剛性定位和對(duì)稱交錯(cuò)施焊，防止結(jié)構(gòu)變形，減少初應(yīng)力影響。

3.4腹桿、橫撐(X形撐)單件制作

根據(jù)廠內(nèi)1：1比例放樣及紙樣，結(jié)合焊接工藝試驗(yàn)評(píng)定參數(shù)，進(jìn)行φ400×10mm腹桿、φ500×12mm橫撐(及X形撐)、φ299×8mm橫聯(lián)撐桿和隔板等構(gòu)件的放樣與下料。本橋所有鋼管構(gòu)件均在工廠卷制成型。

3.5防腐處理

全橋鋼結(jié)構(gòu)在出廠前均采用長效復(fù)合防護(hù)涂層技術(shù)進(jìn)行防腐處理。處理方案為：1～3號(hào)節(jié)段噴砂等級(jí)為國標(biāo)Sa3級(jí)，4～10號(hào)節(jié)段噴砂等級(jí)不低于Sa2.5級(jí)；防腐結(jié)構(gòu)1～3號(hào)節(jié)段第1層為200μm熱噴鋅，第2層為75μmSZ-1G無機(jī)富鋅，第3層為30μmSA-1面漆，第4層為20μm881聚胺脂飾鋅面漆；防腐結(jié)構(gòu)4～10號(hào)節(jié)段第1層為100μm熱噴鋅，第2層為30μmSZ-1G面漆，第3層為20μm聚胺脂鋁粉裝漆(注：1～3號(hào)節(jié)段將被三峽工程庫區(qū)蓄水淹沒)。

構(gòu)件經(jīng)運(yùn)輸進(jìn)場、現(xiàn)場預(yù)拼、起吊安裝及最終成拱之后，對(duì)運(yùn)輸和施工過程中被損傷的防護(hù)層，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場防護(hù)處理，確保鋼管拱在25～30年內(nèi)不受腐蝕(30年后應(yīng)進(jìn)行第2次防腐處理)。

3.6半成品構(gòu)件的運(yùn)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(yùn)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(gòu)件從武漢至香溪走水路很方便，但從香溪港起吊上岸，轉(zhuǎn)運(yùn)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(shè)備、材料和鋼管拱構(gòu)件進(jìn)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(chǎn)廠家、交通部第二航務(wù)工程局第六工程公司協(xié)商，并征求業(yè)主、監(jiān)理和設(shè)計(jì)等方同意，最后決定將原定方案中要求在工廠預(yù)拼的工作量轉(zhuǎn)移到施工現(xiàn)場進(jìn)行。在工廠內(nèi)將原材料依設(shè)計(jì)與施工要求加工成半成品的組合單元構(gòu)件，并作長效防腐處理之后，再運(yùn)入現(xiàn)場完成剩下的整體桁式拱結(jié)構(gòu)的預(yù)拼焊接成型工作。如此出廠的構(gòu)件一般為12m長、重約8.35t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(duì)全橋鋼管拱各半成品構(gòu)件進(jìn)行順序編號(hào)、標(biāo)記和存放。在轉(zhuǎn)運(yùn)、堆放過程中，嚴(yán)防構(gòu)件被碰撞、擠壓而變形或損傷。

4鋼管拱現(xiàn)場預(yù)拼

經(jīng)過工廠加工制作、進(jìn)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-φ900主拱管84分片、φ400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(gòu)件進(jìn)場后應(yīng)按照拼裝順序分類堆放，逐一進(jìn)行現(xiàn)場預(yù)拼與安裝。

4.1預(yù)拼臺(tái)座制作

現(xiàn)場預(yù)拼按臥式組拼方案施工。預(yù)拼臺(tái)座平面布置是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行坐標(biāo)換算后的控制參數(shù)來進(jìn)行施工放樣的。主拱管預(yù)拼臺(tái)座縱向可同時(shí)制作相鄰兩節(jié)段(2×12.0m標(biāo)準(zhǔn)安裝節(jié)段)。橫撐(X形撐)預(yù)拼臺(tái)座布置一組，先制作橫撐，再改制X形撐。臺(tái)座為條凳式底座。在25m長度范圍內(nèi)設(shè)置有5條橫向條座。條座寬80cm。12.0m鋼管端口支承處條座長12.5m，每節(jié)鋼管中部條座長7.0m。臺(tái)座采用7.5號(hào)漿砌片石材料，表面用水泥漿抹平以便測量放樣。臺(tái)座埋入地面10～30cm深，要求地基密實(shí)、穩(wěn)定。臺(tái)座頂面高出地面50cm，并呈水平。施工時(shí)，按制作需要預(yù)埋定位鋼板(位置依測量放樣而定，為500mm×600mm×12mm鋼板)、胎架支承鋼板以及備用錨環(huán)。

4.2胎架制作

在預(yù)拼臺(tái)座上制作穩(wěn)固的剛性胎架。按施工大樣尺寸并預(yù)留工作調(diào)節(jié)空間，用鋼板(厚10～16mm)、型鋼(Ⅰ180～220、∠100～160)焊拼成預(yù)拼構(gòu)件的水平支承桿、垂直定位立桿和穩(wěn)定限位斜撐。用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀控制胎架的水平與垂直精度。

4.3主拱管定位

采用經(jīng)緯儀按換算坐標(biāo)在臺(tái)座上放出主拱管的對(duì)接口投影線。采用場地龍門吊機(jī)將主拱管2個(gè)分片吊入胎架。在留有余長的主拱管兩端放出對(duì)接口環(huán)縫樣線。通過調(diào)整定位，使2個(gè)分片的管軸線水平間距為設(shè)計(jì)坐標(biāo)值，單個(gè)分片上下主管中心線所在平面與胎架水平底線垂直，對(duì)接口環(huán)縫樣線與臺(tái)座上的對(duì)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(fù)查一遍。當(dāng)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(yīng)考慮焊接影響)，打好坡口并打磨光順，保證對(duì)焊能順利進(jìn)行。

4.4現(xiàn)場預(yù)拼焊接

將已制備好的接頭支撐桿準(zhǔn)確焊拼到主拱管端口附近，距對(duì)接口約30cm。接頭支撐桿組拼形式見圖3，并具有足夠的剛性，以保持主拱管端口的對(duì)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(shí)采取對(duì)稱交錯(cuò)、分段反向順序。組拼過程中，嚴(yán)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(zhì)量，在完成整個(gè)節(jié)段的平焊與立焊后，利用龍門吊機(jī)將預(yù)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(duì)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(shè)置必要的支墊或拉繩，防止沖擊和集中受力。翻身后對(duì)原仰焊進(jìn)行平焊之前，抽樣檢查鋼管拱截面的主要控制尺寸，預(yù)防變形。

預(yù)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(gòu)件，設(shè)置橫聯(lián)位置和測量控制標(biāo)記，安裝焊接檢修通道。

4.5相鄰標(biāo)準(zhǔn)安裝節(jié)段對(duì)接口地面處理

為了減少空中對(duì)焊精確對(duì)位的工作量和施工難度，預(yù)拼成型的安裝節(jié)段必須作對(duì)接口的地面預(yù)接和必要的技術(shù)處理。由于鋼管拱在制作的過程中會(huì)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(duì)接時(shí)，對(duì)接口鋼板(管壁)相互錯(cuò)位現(xiàn)象普遍存在，錯(cuò)位值一般有1～5mm、甚至可達(dá)到20mm以上。為此，預(yù)拼現(xiàn)場每組臺(tái)座上的兩節(jié)鋼管拱要在起吊前進(jìn)行預(yù)接整圓，相互對(duì)應(yīng)著設(shè)置夾具和記號(hào)，使每道對(duì)接口的4根鋼管、8個(gè)接口端面鋼管圓環(huán)的對(duì)接錯(cuò)位誤差限制在±1mm內(nèi)。起吊時(shí)，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(jīng)吊走節(jié)段的原胎架位置上，再進(jìn)行新一節(jié)段的預(yù)拼。這里，隨著節(jié)段的推進(jìn)，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(yīng)的調(diào)整。

4.6空中對(duì)焊

本橋鋼管拱采取分節(jié)段焊接成拱。這對(duì)鋼管拱的加工制作、現(xiàn)場預(yù)拼和空中對(duì)焊以及纜索吊裝-扣定系統(tǒng)都提出了很高的技術(shù)要求，增大了整個(gè)安裝工程的難度，同時(shí)大大延長了安裝工期。鋼管拱安裝節(jié)段經(jīng)纜索吊裝就位后用預(yù)設(shè)接口定位鋼筋(或鋼板)進(jìn)行初定位，根據(jù)經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀(或全站儀)的線形控制指令，利用纜索吊機(jī)、橫向穩(wěn)定風(fēng)纜和手拉葫蘆對(duì)它進(jìn)行豎、橫、縱及旋轉(zhuǎn)四維調(diào)整，使對(duì)接口兩兩吻合。對(duì)失圓誤差和中心距微小誤差，可利用鋼質(zhì)夾具空中整形，必要時(shí)可以采用千斤頂配合。對(duì)變形或錯(cuò)位較大，超出規(guī)定要求的接頭，應(yīng)采用鋼板襯板(或預(yù)制備用的鋼管環(huán)形箍)進(jìn)行加強(qiáng)處理，確保成拱質(zhì)量。

4.7橫撐(X形撐)現(xiàn)場預(yù)拼

橫撐(X形撐)進(jìn)場單元構(gòu)件利用場地龍門吊機(jī)組拼焊制成安裝桁式單片，利用纜索吊機(jī)安裝。其現(xiàn)場預(yù)拼施工流程為：橫撐(X形撐)通用臺(tái)座和胎架制作、放樣劃線、弦管吊運(yùn)定位、撐管組拼定位、焊接、檢測、起吊外移、下一單元預(yù)拼。

5鋼管拱預(yù)制質(zhì)量控制

5.1焊縫質(zhì)量

焊縫質(zhì)量符合國標(biāo)二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求［3］。

5.2幾何尺寸允許誤差

(1)鋼管拱軸線：2.0m基本管節(jié)取直線，起弧方向允許偏差1mm，起弧反向允許偏差0mm；12.0m單啞鈴形管節(jié)允許偏差±2mm；12.0m標(biāo)準(zhǔn)安裝節(jié)段允許偏差±3mm；成橋后拱軸線允許偏差±10mm或≤L/15000。

(2)橫截面外形：鋼管橢圓度±3mm或≤3/1000；整體長和寬允許偏差-0mm、+5mm；四肢主拱管兩條中心對(duì)角線長度允許偏差±3mm。

(3)長度：2.0m基本管節(jié)為±2mm；12.0m單啞鈴形管節(jié)為±5mm；安裝成拱的各接口樁號(hào)(即拱跨縱坐標(biāo))允許偏差±20mm(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±3mm。

(5)綴板焊接位置：±2mm。

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

5.3防腐處理

防腐處理按設(shè)計(jì)要求和有關(guān)規(guī)范［3］［4］辦理。

6施工體會(huì)

某大橋鋼管拱加工及現(xiàn)場預(yù)拼施工經(jīng)檢查驗(yàn)收均符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。通過該橋?qū)嵺`，我們有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

(1)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的加工制作要求，針對(duì)工廠內(nèi)施工和外場螺栓聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的施工是適當(dāng)?shù)?，針?duì)現(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(dá)到，需采取一定的特殊措施方能滿足。空中直接對(duì)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(duì)拱橋承載能力的影響方面，建議設(shè)計(jì)部門予以充分考慮。

(2)某橋址所在山區(qū)谷