吉林江湾大桥钢管拱施工技术 1、 钢管拱制造工艺方案： 〈一〉原材料复验 本工程采用的所有主材和焊材的抽查及复验结果应符合相应国家标 准，并具有质量合格证明及试验报告单。 〈二〉钢材表面预处理 所有钢板使用前均应进行抛丸表面除锈，以便于下面的划线及焊接 等工序顺利进行。 〈三〉相贯线的计算绘图、划线、关于相贯线的计算与大样绘图： 相贯线处理的理论推导及技术处理方案： 我们根据相贯线的数学关系，利用计算机放样，完好地解决了在 内用普通切割设切割管相贯线的难题。下面将就拱肋管与管 （φ700*14与φ700*14）、拱肋腹杆与主拱肋弦管（φ351*10与 φ700*14）、风撑弦杆与主拱肋管（φ426*14与φ700*14）的相贯线处理 方法作出详细说明。 ..1、 管与管（φ700*14与φ700*14）相贯线处理： 江湾大桥主拱圈采用δ14板卷制为Φ700钢管，单节长度为 1000~1800mm。一跨536件，约重208吨。 钢管对接的示意图如下图三所示： （图三 拱肋钢管对接示意图） 加工此管通常采用两种办法：一是采用板卷制成直管，并留足二 次去头量，待管的纵缝焊接完成后，在平台上划出相贯线，再用专门的 转胎切割设切割相贯线；另一种方法为管卷制完成后用专用相贯线切 割机切割相贯线。 在以往钢管拱肋相贯线制作中，每个管节均需两头切割相贯线。 在制造江湾大桥钢拱肋时，根据管与管对接放样，单号管节采用斜头， 双号管节采用直头，在保证单号管节管径φ700的情况下，双号管节的管 径为φ700 +0.1~+0.3 ，完全满足公差要求。在发现这个规律后，管的相 贯线切割就比以前减少一半，只制作单号管节相贯线，双号管节全做成 直头，即双号管节不进行相贯线处理，用普通的半自动切割机或裁条机 就可进行加工。 在制造江湾大桥钢拱肋时，我们充分利用了我切割板材的数控切 割机。首先是找出相贯线的数学关系式： L=R×tgθ×(1-cosα) 其中：L—拱肋单管素线长度 R—管中径 θ—相贯角度 α—圆周等分角度 用计算机等分圆周36等分，即取α=10°，平滑连线。如下图四所示。 由于数控切割机无法切割三角函数曲线，只能切割圆弧或直线。为 便于数控切割机加工，我们采用了圆弧拟合原曲线，经验证，采用三段 圆弧拟合，就能保证误差δ0.2mm。 采用数控切割机下料，直接在板材上切割出管的相贯线和焊接坡 口，省去了以往的在转胎上二次去头，使工作量至少减少一半，用不着 转胎切割设 ，更不必使用相贯线切割机，节约了大量费用。 （图四 拱肋管相贯线、拱肋弦杆与主拱肋管（φ351*10与φ700*14）、风撑腹杆 与弦管（φ351*10与φ426*14）相贯线M跨一跨直腹杆、斜腹杆Φ351×10共538件，风撑直腹 杆、斜腹杆Φ351×10的共404件，共约100吨。 管φ351*10与φ700*14（或φ426*14）相贯示意图如下图五所示。 （图五 腹杆φ351*10相贯示意图） 对于此种管的相贯线处理，如果件数较少，仅几件则采用手工放 样，但是接缝误差较大，不能满足规范要求，只能用于次要结构。对于 江湾大桥焊接均需二级以上焊缝，显然手工放样无法保证焊接质量。此 工程批量较大，每个构件的相贯线都不一样，为了保证产品质量和生产 进度，采用专门的相贯线切割机是的办法，但我无此设。 我们通过分析，找到了管与管对接的相贯线数学公式： L={R+r×{sin(α)+1}×cos(β×π/180)-{Rr×cos(a)}1/2/sin(β×π/180)} 其中： L —素线长度 R —被贯管直径 r —管直径 β —两管相贯时倾角 α —等分度数 但如用手工展开放样，皮厚处理方法非常复杂，也很难理解，我们 采用了如下的办法进行了皮厚处理： r分别取管外径和内径计算出L长度后取L=min(L1、L2)，即谁接触 短就取谁，如下图六所示。经过实验，这样处理皮厚的办法非常简 单、实用，所形成的自然坡口完全满足焊接要求。 （图六 皮厚处理示意图） 根据以上思路，为方便CAD制图，计算采用EXCEL2000，其制表 格式如下： 序 号 大管 半径 （R） 小管 半径 （r） 小管 壁厚 （t） 相贯 角度 （B） 角度 （a） 弧长 （X） 外皮 (L1) 内皮 （L2） MIN（L1， L2） （X， L） 输入所需数据，下拉（X，L）列，然后复制此列。在AUTOCAD2000 中利用PLINE命令，在命令行粘贴此项，则自动绘制出了所需曲线。如 果采用有关资料中介绍的绘制曲线的方法，用QBASIC或C语言计算软 件编制程序，则还需在打印机上打印出计算结果，然后在制图软件CAD 上一个一个的依次手动输入，则需花费大量的时间，大量数据输入时也 容易出错。利用EXCEL 2000软件省去了中间的打印与手动输入过程， 大大提高了效率。相贯结展开轮廓线如下图七所示： （图七 腹杆相贯线等分，轮廓误差 仅0.05mm，因此当α取10°，36等分已能满足要求。由于腹杆均为成品 管，不能采用切割板材的数控切割机下料，对于此部分，采取计算机 1：1出图，然后用0.5mm白铁皮作样板。切割此部分时，割嘴需垂直管 轴线，切割出的相贯线才能满足计算要求。 实践证明，此办法完全可行，并且间隙误差均能控制在0.5～ 1.5mm，完全满足焊接要求。相贯线切割机切割后拼装间隙一般在1.0mm 左右。 1.2.3、风撑弦杆(φ426*14)与主拱肋管(φ700*14)相贯线处理方法： 风撑包括一字撑和K形撑,其中K形撑中包含斜撑,为管桁架，其结构 复杂，弦杆(φ426*14)不仅与拱肋（φ700*14）相贯，部分还与腹杆 (φ351*10)相贯，而且偏心，其轴线不相交，用常规的数学处理方法则 有一定的难度。其结构示意图如下图八所示： （图八 风撑相贯线示意图） 从上图可以看出，其数学关系复杂，且组成单个桁架的四根弦管还 存在一定的角度，计算非常复杂。通过查阅大量资料，没有这方面的现 成资料可参考。此种相贯线处理是本桥的难点。后，经过研究，我们 利用CAD三维制图非常完整地解决了这个问题，其步骤如下： 1 利用三维实体绘图，准确绘出其空间几何关系； 2 利用三维绘图中的抽壳命令，绘制出其壁厚； 3 利用SUBSTRACT命令，得到所需杆件的相贯线 垂直轴线方向，在轴线上取一点，画取与欲求杆件外径相同大小的 圆，并将此圆沿径向36等分。 5 利用三维命令SLICE，沿直径两端和轴线上任取一点切割，即得到 素线 利用DISTANT命令，量取素线长度并比较，取L=MIN（L1、 L2）； 7 只要量取了所有的素线长度，问题也就基本上解决了，后面的处理 方法同主拱肋腹杆与主管相贯线处理方法。 通过工地现场安装证实，相贯线mm，符 合《公路桥涵施工技术规范》，此方法完全正确，可行。 2、划线：钢管展开长度方向与钢板轧制方向一致。 2.1、上弦管、下弦管划线： a、下料长度：钢管φ700*14按中径φ686展开数值作为下料长度尺 寸； b、划中心线、刨边线及其参考线等并做标识（在筒节外侧），按 图纸分为以下两种： c、对编号个位数为奇数的筒节在下料后进行划线。 说明：划线时应标明大坡口在筒节内侧。 2.2、拱肋腹板（含平联板）划线： 下料前要求划出下料线、刨边线、刨边参考线；下料长度方向需预留 50mm。示意如下： 说明：对于M-M剖视图，刨边时小坡口的尺寸必须要保证。在M-M、 H-H剖视图中大坡口均在同一面上。 2.3、直腹杆、斜腹杆、平联管划线参照图纸，端部相惯线以实际放样 为准。放样方法如前所述。 3、下料加工： 3.1、 编号个位数为奇数的弦管采用数控切割机直接切出筒节两端的截交 线、切割下料的长度、宽度允许偏差：±2.0mm。 （四）平直： 使用七辊矫平机充分平直——充分释放内部应力。 局部 平面度每米范围内不大于1.0mm。 （五）刨边：按划线示意图进行边缘加工。 边缘加工允许偏差（mm） 项目 零件宽度、长度 加工边直线度 相邻两边夹角 加工面垂直度 加工表面粗糙度 允许偏差 ±1.0 l/3000，且不应大于2.0 ±6＇ 0.025t，且不应大于0.5 （六）卷制钢筒 节 1、压头：采用 100t压力机 压制φ700*14 管：压头范围 （宽度）为120~150mm，取上胎半径R=330mm。 压头前，先在有大坡口的一面弹出2~3条直线、滚圆：采用四辊卷扳机 滚圆前，操作着应按照设使用说明书调整好间隙，保证钢管直 径；进料时，应尽钢板边与滚子轴线平行，以减少纵向错边量。 （七）、拼、焊筒节纵缝 1、拼装 1）定位焊前清理坡口内外侧焊道及其30~50mm范围内的油、锈、毛刺 等污物，坡口表面不得有裂纹、夹层等缺陷。 2）定位焊采用手工电弧焊，使用焊条E5015、φ3.2mm。定位焊长度 10~30mm，高度4~6mm，间距100~300mm。 3）拼装允许偏差如下： 2、焊接纵缝：焊缝质量等级为一级。焊接使用的焊剂和焊条必须经严 格烘干，施工现场中焊条放在保温桶内随用随取（下同）。 1）焊前组装引、熄弧板。焊接过程中，每条焊缝应一次焊完；多层焊 的层间接头应错开，收弧时应将弧坑填满。焊后及时清理有碍于无损检 测的药皮及飞溅物等。 2）施焊方法：先焊筒体内侧的坡口焊缝——采用手工焊（封底用 φ3.2mm焊条）。背面清根合格后，进行埋弧自动焊或半自动焊，使用 H10Mn2+SJ101、焊丝直径φ4.8mm。 3、焊后检查：1）一级质量焊缝外观检查：一级焊缝不得有咬边、未焊 满、根部收缩、表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷。 序号 项目 允许偏差mm 1 对接焊缝余高 0~+1.5 2 对接焊缝错边 ≤1.0 2）无损检测：执行GB50205-2001和JB4730-94，符合一级焊缝质量检测 标准。 4、矫正：采用火焰矫正时，加热温度不超过900℃，且应自然冷却。 （八）、单管拱单元（哑铃单管拱）的组装 1、 运输单元构成及编号如下 本工程中共有两个拱肋，为便于制作，按两个拱肋的安装位置分为 上游（S）和下游（X）。而每个拱肋又由内（N）外（W）侧两个哑铃 形的单管拱组成。 2、单管单元的组装：单管单元由6~7个筒节焊接组成。它的拼装应在 平台（并配合支座）上进行。组装时，相邻筒节的纵焊缝错开150mm。每 个单管单元分成三次组焊，即把一个单元先分成两段组焊，一段三个筒 节、一段四个筒节（或三个筒节），然后再将两段焊成一个单元。每段单 元管的组装控制尺寸，主要是控制单元管下缘的长度和各接口的矢高hi， 考虑到焊接收缩及试拼预留量，长度公差控制在+3~+5mm之内，找圆后加 以支撑固定。筒体上胎后每个筒体下设2个支架，支撑架下安放一个经找 水平的平台，各支撑架的高度必须相等（见图），将每个筒节上预先找好 的4条中心线对正，端口对齐，同时还应保证相邻筒节的纵焊缝相互错开 150mm；初步测量L和hi值，不符合要求时要进行修整接口的错台 ≤1.0mm；尺寸符合要求后，在接口外侧安装夹具进行固定。用水平仪测量 端头两个筒节的水平度，应控制在2mm以内，超出要求时应进行调整以消 除因筒节直径误差造成的影响，保证整桥拱管组装后顺直。水平度调整好 后再次测量调整L和hi值达到图纸要求后，进行定位焊。定位焊长 10~20mm，间距100~150mm。 3、 单管单元的焊接：焊缝质量等级为一级。 环焊缝的焊接采用内（有坡口）侧手工焊；外侧采用碳弧气刨清根 后，埋弧自动焊焊接。进行内侧焊之前先检查各段及单元管的L、hi 值。当hi＜设计值时应先焊单元管的下缘。当hi＞设计值时应先焊单 元管的上缘。焊接时层采用跳焊（焊200mm断200mm）的方 法，要求采用φ3.2mm焊条小电流快速焊，沿圆周焊完后再进行其它 各层的焊接，仍先从下缘开始焊。 单管单元制作允许偏差 检查项目 允许偏差mm 内弧偏离设计弧线 轴线壁厚 拱圈高程 符合图纸要求 说明：每个单管单元两端头接口处的hi值应控制在±1.0mm以内。 6、单管拱单元（哑铃单元）的组装 单管拱单元的组装是指单管单元与腹板（截面Ⅰ，腹板厚14mm）或腹 杆（截面Ⅱ，腹杆为φ350*10钢管）的组装，分述如下： 1）截面形式Ⅰ（拱脚）单管拱单元的组装 拱脚单管拱单元的组装在工装胎上进行，此工装胎应经水平仪检测并 垫实固定，其上设置三个支撑架。 将已经焊合格的上下两个单管单元放于工装胎支架上，调整两个管 水平，两端对齐，按图纸控制两个单元管中心距离1500mm。用水平仪 在每根管上分别测量三个点（两端和中间），调整在一个水平面上，然 后以上弦管的下缘和下弦管的上缘中心轴线为基准向两侧各划出一条平 行于轴线的水平线mm，按此线拼、焊临时支撑 （剪刀撑）和加劲板（间距~1000mm），每个单管拱单元安装三组支 撑。支撑的作用是防止在焊接腹板时产生拱肋变形，支撑焊完后，组装 上面的腹板。根据图纸尺寸用划线定位与胎具定位相结合的方法拼装腹 板，腹板与单元管相接触的部位要密贴，不合适的地方应进行修整。上 面腹板打底焊完后，在单元体的上面和两端各焊两根加劲槽钢后出胎。 因腹板与拱管是坡口焊、焊接量大，所以为减小焊接变形应严格控制焊 接顺序和焊接参数，焊接顺序见下图： 图中3、6、7、10为腹板对接焊缝（腹板间采用带垫板的手工焊， 对接间隙为6±1mm，按工艺评定进行施焊，焊缝质量等级为一级）。焊 接时先焊腹板与下管的焊缝，再焊与上管的焊缝，均采用跳焊封底焊后 将单管拱单元体翻身，去掉位于中间位置的支撑，拼装另一面的腹板、 穿好螺杆并紧固。仍按以上顺序进行施焊并焊至图纸尺寸后，将单元体 翻身完成焊接。 2）截面形式Ⅱ单管拱单元的组装 将已经焊合格的上下两个单管单元放于工装胎支架上，调整两个管水 平，两端对齐，按图纸控制两个单元管中心距离1500mm。用水平仪在 每根管上分别测量三个点（两端和中间），两根管应调整在一个水平面 上，然后以上弦管的下缘和下弦管的上缘中心轴线为基准向两侧各划出 一条平行于轴线的水平线mm，按此线拼、焊临 时支撑（剪刀撑），每个单管拱单元安装三组支撑。支撑的作用是防止 在焊接腹板时产生拱肋变形，支撑焊完后，划出直腹杆和斜腹杆的安装 位置。根据图纸尺寸用划线定位与胎具定位相结合的方法拼装各腹杆， 固定焊时应对称进行，为便于调整点焊长度及高度要尽量小，待整体组 装合格后再进行打底焊。焊接顺序及加固方法与截面形式Ⅰ的制作相 同。 将单元体立放并固定后，采用φ3.2mm焊条手工封底，翻身焊另一 弦管与各腹杆间的角焊缝至图纸尺寸。 3）划线 使用水平仪和经纬仪测量配合，重新划出拱肋内、外侧及水平位置 和处的轴线mm）划出去头线并打 样冲线，以作为运输单元控制外形的拼装基准。 （九）、运输单元的制作 运输单元的组装是指平联板或平联管与两个哑铃单元的组合。 1、 截面形式Ⅰ的制作 将哑铃单元置于原拼装胎支架上，用水平仪找正各基准线（另一个哑铃单元为轴线mm，然 后连线mm划出各加劲板位置。在每个单管拱上按全长 布置3~4道剪刀撑。然后先组装两个内侧的平联板1、2，随即与钢管及 各加劲板和支撑点焊固定，再加三道支撑3用以固定两内侧平联板。 组装平联板4、5并点焊固定。这时调整两平联板间距并适当在平联板 间加一些拉条后，进行各平联板与钢管间打底焊，使之形成固定整体。 后，将另一个单管拱单元（先将各加劲板与之焊接完成）放置其上， 在水平仪测量配合下调整两端口截面尺寸和管拱轴线水平度，进行点焊 固定，其允许偏差按L/6000mm。经检查合格后在两端口处加固槽钢使 两个哑铃单元稳固，安装翻转胎，出胎后将此运输单元翻身并垫平置于 平台上进行焊接。焊接顺序同腹板与钢管的焊接。 2、截面形式Ⅱ的制作 与截面形式Ⅰ不同的是平联为φ350*10mm钢管和少部分平联板。将 哑铃单元置于原拼装胎支架上，用水平仪找正各基准线（另一个哑铃单元为轴线mm，然后连 线，在平联管处划十字中心线。为控制运输单元外形尺寸，应布置3块 工艺隔板，工艺隔板的制做应符合下图，厚度为-14mm。 用水平仪测量各平联管高度尺寸将高出工艺隔板的地方进行修整，合格 后与钢管点焊固定，点焊时的焊角尺寸和点焊长度应尽量小，以便于调 整。组装另一个哑铃单元经检查合格后用槽钢斜置于两端口，在长度方 向加固2~3道竖向拉条将两个哑铃单元固定在一起。焊接时先进行平联 管与下面哑铃单元角焊缝打底焊，然后安装翻转胎，出胎后将此运输单 元翻身并垫平置于平台上进行焊接。将平联管与下面哑铃单元的角焊缝 焊至图纸尺寸；再翻身，完成所有焊接至图纸尺寸。 （十）、试拼装 考虑到环境温差对于拱肋几何尺寸的影响，试拼装时应选择在当天 温度的时间进行测量。 由于场地限制，试拼装只限于1/2拱跨内的各运输单元（不包括合拢 段）。试装应在宽敞的场地上进行，在试装平台上按“1/2拱肋1：1放样 平台图”放出大样及各吊杆位置，为便于调整每个运输单元至少设置三 个支架并分别布于两端和中部。将各运输单元“对号入座”，使用经纬仪 测量各接口处上弦和下弦的高度及水平度数值，不断修整接口至符合试 装要求；同时测出各吊杆位置处平联板上吊杆孔位置，然后进行划线。 试装允许偏差应符合下表： 检查项目 允许偏差mm 内弧偏离设计弧线 轴线壁厚 拱圈高程 符合图纸要求 试拼装合格后在接口处的两个上弦管外圆拱顶划出对应标记并加打样 冲；在两个下弦管外圆拱底（处）同样划出对应标记并加打样冲， 便于安装时对中。另外，为便于安装时测量准确，还必须在每个运输单 元两个上弦管的拱顶距上部接口100mm处打出样冲十字线（合拢段在两 个上弦管拱顶处中心即整拱的对称中心）打出样冲十字线，这些十字线 的中心点将作为拱肋安装及检测的重要基准。 三、结束语： 江湾大桥钢管拱的制作难度较大，关键是管相贯线的展开放样。 本文着重从相贯线的不同类型进行了探讨，讲述了如何运用计算机进行 快速放样和皮厚处理，以及对有一定计算难度的相贯线如何利用三维放 样，对拱肋的加工制作也进行了详细的介绍，对制作相似产品具有一定 的参考和借鉴作用。
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