超大跨径钢管混泥土拱肋制造误差控制技术研究

刘兴焱

摘要：文章以平南三桥为实例，介绍超大跨度钢管混凝土拱肋制造误差控制技术，供后续同类工程作为参考和借鉴，为超大跨径钢管混凝土拱桥的建设打下坚实基础。关键词：大跨径拱桥;拱肋加工;误差控制;精度

中图分类号：U445.47 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.016

文章编号：1673—4874（2020）11—0058—03

0引言

钢管混凝土拱桥因其外形美观、受力稳定、施工方便、一定跨径造价较低等特点，被大量建设，在桥梁界占了重要的一席。拱肋制造质量直接决定钢管混凝土拱桥的使用寿命，因此，对超大跨径钢管混凝土拱肋制造误差控制技术的研究，势在必行。

1工程概况

平南三桥为广西荔浦至玉林高速公路平南互通连接线上跨越浔江的一座特大桥，其主跨拱肋为钢管混凝土桁架结构，主孔跨径为575m（计算跨径548m），为同类型世界第一跨径。净矢跨比为1/4，拱轴系数为1.5。单侧主拱肋共分为22个节段，以桥梁中心线对称布置，两岸以跨径中心对称，全桥共计44个节段。拱肋中距为30.1m，桥面以上每一节段间均设1道“I”型横撑和1道“△”横撑，共计16道（不含拱脚处横撑）。拱肋节段在专业钢结构加工厂制造成节段，单段最大吊重为215t。安装过程最大悬臂为287。5m，线型控制难度大（如图1所示）。

2超大跨径钢管拱制造误差控制重点与要求

2.1 超大跨径钢管拱制造过程特点

（1）制造周期长、工序多、积累误差比较大。

（2）结构制造采用焊接技术，实行分段制造工艺，焊接变形导致装配过程复杂化，对焊接变形的预防和消除研究还不充分。

（3）结构尺度和重量较大，制造精度相对要求较高。

（4）制造过程所需人工作业量较大，工人技能水平对制造精度影响较大，容易造成误差积累。

（5）构件规格种类较多，制造过程复杂，难以进行数据统计分析。

（6）施工过程受环境影响较大，有相当一部分制造过程是在室外、高空环境下进行，作业环境导致构件完工后的误差难以控制。

（7）使用的材料级别较高，厚度较大，结构复杂，焊接和校正变形都比较困难。

2.2超大跨径钢管拱制造误差控制重点

2.2.1钢管拱肋空间线形的保证

主拱肋主弦管由筒节通过以折代曲焊接而成，主弦管与腹杆通过相贯线焊接节点连接，相贯线焊缝为全熔透焊缝，装配精度要求高，焊接过程中变形复杂。拱肋制造线形如超出设计和规范要求的范围将会对结构受力产生不利影响，因此必须采取有效精度控制手段，确保钢管拱肋线形制造满足设计及规范要求。

2.2.2钢管拱肋节段几何尺寸的保证

钢管拱肋节段是由主弦管、腹杆、斜撑管等钢管杆件组成的空间桁架结构。节段截面高度由17m渐变成8.5m，节段高度为4.2m，长度最大达38m。制造过程中节段端面尺寸、节段长度、腹杆位置、吊杆位置、节段侧面平面度、节段扭曲控制是钢管拱制造精度控制的重點和难点。

2.2.3钢管拱节段工地接头连接精度的保证

拱肋主弦管节段间法兰盘螺栓孔通孔率和贴合度、内套管安装的精确度是节段顺利安装的重要保证。由于法兰盘与加劲板间的密集焊接引起法兰盘变形，精度控制不当将导致法兰盘螺栓孔错位和接触面无法密贴，影响拱肋安装过程中接头受力安全。

拱肋上横撑接头位置的精确与否将直接影响到横撑工地安装质量。拱脚节段的端口尺寸及铰轴位置的精度控制将直接影响到拱脚节段与铰座等结构的配合。

2.3超大跨径钢管拱制造精度控制基本原则

由于钢结构焊接的特殊性，钢管拱制造中发生焊接收缩和变形是不可避免的，也是影响制造精度的因素。通过技术和管理手段对施工过程进行变形预防、监控、校正，达到控制精度的目的，从而获得理想结构尺，其分为主动精度管理和被动精度管理。

（1）主动精度管理：在设计、下料、装配、焊接等施工过程中，事先进行一系列预防变形的措施，减小或抵消焊接收缩，达到精度控制的目的。

（2）被动精度管理：施工过程中，利用各种仪器对制造偏差进行测量和监测，对已发生变形的结构进行校正，达到精度控制的目的。

3超大跨径钢管拱制造误差控制关键技术

3.1下料误差控制关键技术

下料由于等离子本身切割线宽，胎架未达到绝对水平，在进行半自动坡口切割过程中，工人划线失误，角度未调整到位，导致部分料的几何尺寸、坡口角度未能达到理想状态。因下料零件众多，全部检查的工作量巨大，而且有些异形件的尺寸不方便复核，只能进行抽检。在下料过程中，应定期复核切割平台的水平胎架，抽检下料几何尺寸，如果发现有偏差较大的构件，立即分析原因，对症解决。为避免部分抽检不合格的产品流入下道工序，考虑焊接收缩变形，在下料时，增大零件几何尺寸1mm，确保在后期加工中有余量进行调整。每节段拱脚段筒节预留100mm余量，在节段大拼制造完工后进行余量切割，确保每个节段长度以及节段间嵌补段长度精准。

3.2主弦管装配误差控制关键技术

筒节卷制会受下料精度、装配精度以及焊接变形的影响，少量筒节的失圆度在多次校圆后不能达到±2mm以内，但偏差在3m左右的，超3m的进行返修报废。此时考虑到筒节对接错台不得>2mm，将筒节失圆度进行记录，在装配时采取大对大、小对小进行对接，控制简节对接错台量在2mm以内。主弦管装配时将筒节长度累计偏差全部留至拱脚，保持拱顶侧在设计位置，待总成焊接完毕后再进行余量切割，达到设计长度。

3.3总成误差控制关键技术

在节段制造过程中，对拱肋线形及节段平面几何尺寸通过地样和仪器三维坐标测量相结合的方法进行精度控制，节段侧面平面度及腹杆竖向位置以胎架面为基准通过高程测量进行控制。总成采用卧式拼装工艺。在总成制造时，将拱肋吊装监控点安装在拱肋外侧，为保证吊装轴线准确定位及胎架标高水平一致。如有误差，留至拱肋内侧，在安装横撑时调整消化。在吊装过程中，标高测量以上弦拱背为定位标准。所以在总成制造轴线定位时，以拱肋外侧为准，优先保证外侧线形，在主弦管及腹杆定位后，根据外侧线形偏差预留焊接收缩量。腹杆安装时，综合拱肋线形偏差以及相贯线与主弦管的装配间隙，合理分配，折中消化。待与主弦管连接的相贯线焊接完毕后，进行接头部件法兰盘的调试焊接。待总成所有焊接量焊接完毕后，再进行吊杆放样开孔定位焊接，避免因焊接变形导致吊杆位置偏差。

3.4焊接误差控制关键技术

焊接变形是焊接过程中普遍存在的问题。焊接均在焊接胎架上进行。针对不同构件，装配间隙，采用不同的焊接顺序。对于主弦管对接，由中至两边，隔仓跳焊;对于片装单元件的相贯线，采用对称施焊;对于总成，先焊接腹杆横隔相贯线，再焊接法兰盘，最后进行吊杆定位焊接。轴线偏小时，加强支撑，焊前进行打磨预热，焊接时分层分道，控制层间温度，焊后覆盖保温。减少返修量，避免集中受热变形。

4结语

超大跨径钢管拱肋制造质量直接决定该桥的使用寿命。本桥通过对误差控制管理，达到理想效果。完工线形、结构尺寸100%满足设计及规范要求。安装连接精准，接头部件通孔率100%，法兰面贴合紧密，间隙d0.2m，满足设计及规范要求。2020—01—10平南三桥拱肋实现高精度合龙，合龙口弦管对接误差<3mm，拱轴线横向偏位<10mm。在吊装期间，顺利召开世界拱桥大会，接受各界专业人士检验，得到业主及外界人士的高度赞扬，证明厂内大跨径钢管拱拱肋制作的方法是可行的。