摘要：文章以某在建超大跨度鋼管混凝土拱橋的主拱圈主弦管制造為例，探討“以折代曲”的主弦管加工工藝原理及其關(guān)鍵技術(shù)，并從鋼板下料、焊接坡口切割、鋼管筒節(jié)制作、地標(biāo)放樣、胎架制作、主弦管上胎裝焊等方面，闡述主弦管“以折代曲”的工藝流程和各階段質(zhì)量控制要點(diǎn)及檢測重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋;主弦管加工工藝;以折代曲;質(zhì)量控制

中圖分類號：U448.34

0 引言

我國作為鋼管混凝土拱橋的建設(shè)大國，在世界拱橋發(fā)展史上起著重要的作用，從巫山長江大橋到合江長江一橋，再從平南三橋到天峨龍灘特大橋，中國鋼管混凝土拱橋一次次地刷新了世界拱橋最大跨徑的記錄。隨著我國建設(shè)的鋼管混凝土拱橋跨度越來越大，很多工藝工法得到了不斷的優(yōu)化和升級，其中在大型鋼管拱肋節(jié)段加工制造中，弦管的彎制也經(jīng)歷了熱煨彎管工藝、中頻彎管工藝和“以折代曲”的弦管制作工藝[1]。本文通過研究鋼管混凝土拱橋主弦管加工制造的全過程，探討“以折代曲”的工藝原理、關(guān)鍵技術(shù)、施工工藝流程及質(zhì)量控制重點(diǎn)。

1 工藝原理

鋼管混凝土拱橋鋼管拱肋鋼結(jié)構(gòu)加工制造的關(guān)鍵在于將主弦管加工成滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的懸鏈線形，并保證成橋后拱肋軸線上的各點(diǎn)坐標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求[2]。主弦管的制造采用了“以折代曲”的加工工藝，其完工的焊縫質(zhì)量和線形精度直接影響了鋼管拱肋吊裝的對接精度和成橋的質(zhì)量。

“以折代曲”工藝是采用短直鋼管分段直線逼近的方法形成鋼管弦管的弧線[3]，其關(guān)鍵在于制作有長邊和短邊的單個(gè)鋼管筒節(jié)（見圖1），并將若干個(gè)鋼管筒節(jié)按弦管設(shè)計(jì)弧線裝焊，弦管裝配階段要求鋼管筒節(jié)短邊與短邊對接形成弦管內(nèi)弧，長邊與長邊對接形成弦管外?。ㄒ妶D2）。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全橋拱肋線形放樣

施工圖繪制階段需根據(jù)理論拱軸坐標(biāo)和預(yù)拱度值，經(jīng)計(jì)算分析后進(jìn)行1∶1的全橋拱肋線形放樣。

2.2 鋼管筒節(jié)劃分

“以折代曲”工藝的核心是在圖紙上將鋼管拱肋的主弦管進(jìn)行拆分，并在實(shí)際施工中將拆分的單個(gè)鋼管筒節(jié)按照理論弧線線形裝焊成主弦管實(shí)物。單個(gè)鋼管筒節(jié)的長度越短、數(shù)量越多，則成橋弧線越圓順，曲線越接近理論值，但是焊縫數(shù)量也越多;反之雖然可以減少焊縫數(shù)量，但成橋弧線不圓順，實(shí)際曲線也會偏離理論弧線[4]。鋼管筒節(jié)的劃分還須按《公路工程質(zhì)量評定檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2017）[5]中內(nèi)弧偏離設(shè)計(jì)弧線允許偏差要求考慮，主弦管劃分為單個(gè)鋼管筒節(jié)時(shí)，單個(gè)鋼管筒節(jié)長度方向存在一個(gè)離理論線形軸線最遠(yuǎn)的點(diǎn)，如果單個(gè)鋼管筒節(jié)劃分長度越長，則該點(diǎn)偏離理論線形軸線越遠(yuǎn)，主弦管自然也不符合規(guī)范中內(nèi)弧偏離設(shè)計(jì)弧線允許偏差的要求。

2.3 鋼板下料工藝

除每段鋼管拱肋主弦管拱頂側(cè)第一個(gè)鋼管筒節(jié)所用鋼板須在節(jié)段接頭處預(yù)留切割余量外，其余主拱肋鋼管筒節(jié)用鋼板均根據(jù)1∶1放樣和號料結(jié)果采用無余量一次下料工藝。

2.4 焊接工藝

鋼管拱肋主弦管的焊接工藝由焊接工藝評定確定。焊接工藝評定應(yīng)包含焊接評定項(xiàng)目的接頭形式、試板材質(zhì)、焊接材料、焊接方法、適用部位等內(nèi)容。某在建超大跨度鋼管混凝土拱橋主弦管鋼管筒節(jié)間環(huán)縫對接和單個(gè)鋼管筒節(jié)的縱縫對接處采用的焊接工藝是：CO2氣保焊打底，埋弧焊先焊管內(nèi)側(cè)坡口，背面清根后埋弧焊再焊管外側(cè)，環(huán)縫和縱縫均要求全熔透。

2.5 錯(cuò)縫及節(jié)點(diǎn)接頭避讓

通過“以折代曲”工藝加工形成的主弦管環(huán)縫和縱縫較多，所以主弦管要考慮本身焊縫的錯(cuò)縫，并且要提前考慮在之后的工序中節(jié)點(diǎn)避讓的問題：主弦管的縱縫和環(huán)縫與節(jié)點(diǎn)板、短接頭、平聯(lián)、腹桿及橫撐等節(jié)點(diǎn)接頭的避讓，錯(cuò)縫及節(jié)點(diǎn)接頭避讓應(yīng)滿足《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（QC/R 9211-2015）4.8節(jié)[6]的要求，同時(shí)還要考慮實(shí)際生產(chǎn)中施焊的可操作性。

2.6 編號、標(biāo)識及施工輔助線

編號及標(biāo)識是整個(gè)鋼管拱肋鋼結(jié)構(gòu)加工制造全過程中配套生產(chǎn)、溯源和追蹤的基礎(chǔ);中心線及腰線等輔助線是下一道工序施工高精度定位的有效保障。所以主弦管制造階段的編號及標(biāo)識是必要的，并且要為下一道工序劃好輔助線，以便在下一道工序中做到配套生產(chǎn)和在構(gòu)件不同工位的情況下實(shí)現(xiàn)高精度定位。

3 “以折代曲”施工工藝

本文以某在建超大跨度鋼管混凝土拱橋的主拱圈主弦管制造為例，通過主弦管加工制造的全過程探討“以折代曲”施工工藝及其技術(shù)規(guī)程。該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋主拱圈鋼管拱肋主弦管直徑為900 mm，壁厚有30 mm和35 mm兩種規(guī)格。全橋鋼管拱肋劃分為208根主弦管，每根主弦管由若干個(gè)鋼管筒節(jié)裝焊而成，單個(gè)鋼管筒節(jié)長度范圍為1 400～2 800 mm。

3.1 鋼板下料

（1）鋼板進(jìn)場后采用全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)進(jìn)行無余量一次下料切割（除主弦管拱頂側(cè)第一個(gè)鋼管筒節(jié)需預(yù)留余量外），并且遵循《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）的要求：鋼板的軋制方向與其主要應(yīng)力方向一致[7]。在單個(gè)鋼管筒節(jié)制作階段，其主要應(yīng)力方向即是鋼管筒節(jié)的卷板方向，所以在下料切割階段，應(yīng)將鋼管筒節(jié)的卷板方向設(shè)置在鋼板的軋制方向上。

（2）全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)割嘴的運(yùn)行路徑通過數(shù)控編程設(shè)計(jì)，為了能最終制作出有長邊和短邊的單個(gè)鋼管筒節(jié)，要求用于鋼管筒節(jié)制作的鋼板拱頂端和拱底端方向的邊緣按折線路徑切割，最終切割形成一塊六邊形的下料鋼板。因?yàn)樵撛诮ǔ罂缍蠕摴芑炷凉皹蛩娩摴芡补?jié)長邊與短邊的差值為3～8 mm，所以形成的六邊形下料鋼板不明顯。

3.2 焊接坡口切割

下料切割完成后進(jìn)行開坡口施工，即將下料切割好的鋼板邊緣采用半自動(dòng)火焰切割機(jī)切割成焊接的對接形式。該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋鋼結(jié)構(gòu)加工場內(nèi)半自動(dòng)火焰切割機(jī)主要有軌道和滾輪兩種形式。軌道式開坡口需鋪設(shè)軌道，并保證行徑順直，主要用于切割直線坡口（鋼管筒節(jié)縱對接縫方向的邊緣）;滾輪式開坡口不采用軌道，滾輪沿著坡口邊帶動(dòng)切割機(jī)行走，主要用于切割折線坡口（鋼管筒節(jié)拱頂端和拱底端方向的邊緣）。

3.3 鋼管筒節(jié)制作

3.3.1 采頭施工

坡口切割完成后將鋼板轉(zhuǎn)運(yùn)到采頭區(qū)，用石筆標(biāo)記出采頭的定位線和鋼板的參照線，按參照線的標(biāo)識將鋼板端部放入油壓機(jī)中，油壓機(jī)按采頭的定位線對鋼板端頭進(jìn)行采頭施工。采頭施工的目的是在卷板之前將三輥卷板機(jī)難以卷彎的端頭預(yù)先壓制成形。

3.3.2 卷板施工

卷板施工是采用三輥卷板機(jī)將采頭完成的鋼板在其軋制方向上反復(fù)擠壓使其彎曲，最終卷至鋼管筒節(jié)的形狀。卷板施工完成后需在初步成形的鋼管筒節(jié)縱對接處進(jìn)行定位焊固定，根據(jù)《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（QC/R 9211-2015）的要求，定位焊縫距設(shè)計(jì)焊縫端部應(yīng)>30 mm，其長度為50～100 mm，相鄰定位焊縫間距為400～600 mm。

3.3.3 縱縫焊接

（1）焊接前應(yīng)在鋼管筒節(jié)縱縫端部連接引弧板。根據(jù)《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（QC/R 9211-2015）的要求，引弧板的材質(zhì)、坡口及板厚應(yīng)與所焊件相同，且長度應(yīng)≥100 mm。引弧板的作用是將埋弧焊起弧和熄弧形成的缺陷都留在引弧板上，以此來保證母材上的焊縫質(zhì)量，待鋼管筒節(jié)內(nèi)外側(cè)縱縫焊接完成后再切割引弧板，并打磨母材上連接引弧板的端部。

（2）某在建超大跨度鋼管混凝土拱橋主弦管母材材質(zhì)為Q420qD-Z25的鋼板，焊前須在焊縫兩側(cè)80～100 mm區(qū)域內(nèi)預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100 ℃～120 ℃，同時(shí)焊接環(huán)境的相對空氣濕度須在80%以下，焊前還須將焊縫兩側(cè)30 mm范圍打磨除銹干凈。

（3）鋼管筒節(jié)的焊接首先采用二保焊對內(nèi)側(cè)縱縫進(jìn)行打底，打底完成后再采用埋弧焊進(jìn)行填充和蓋面焊接，埋弧焊的起弧和熄弧必須在鋼管筒節(jié)縱縫端部80 mm以外的引弧板上。焊接過程中要控制每道焊縫的層間溫度，控制在120 ℃～150 ℃。采用點(diǎn)溫計(jì)在焊接過程中進(jìn)行監(jiān)控。

（4）內(nèi)側(cè)縱縫焊接完成后在管外側(cè)對焊縫進(jìn)行氣刨清根處理，其主要目的是將點(diǎn)焊和內(nèi)側(cè)縱縫焊接產(chǎn)生的熔渣刨掉，更好地實(shí)現(xiàn)全熔透。

（5）管外側(cè)縱縫的埋弧焊焊接在氣刨清根完成后。在施焊過程中，焊劑不斷自動(dòng)流入包裹和保護(hù)熔池，杜絕空氣中的有害元素滲入熔池，影響縱縫質(zhì)量。

3.3.4 校圓施工

完成縱縫焊接的鋼管筒節(jié)需重新回到卷板機(jī)進(jìn)行校圓施工，校圓完成后鋼管筒節(jié)的幾何尺寸才能達(dá)到最終的設(shè)計(jì)值。

3.4 地標(biāo)放樣及胎架制作

主弦管加工制造前，需選擇有足夠承載力且不易發(fā)生沉降的平臺。根據(jù)理論拱軸坐標(biāo)和預(yù)拱度值，經(jīng)計(jì)算分析后在施工平臺上按1∶1進(jìn)行地標(biāo)放樣，并按地樣坐標(biāo)的線形，制作主弦管拼裝專用胎架。

3.5 主弦管上胎裝配

主弦管胎架制作完成并檢測合格后，鋼管筒節(jié)按施工圖及地樣線形逐個(gè)上胎定位，并將若干個(gè)有長邊和短邊的單個(gè)鋼管筒節(jié)按弦管設(shè)計(jì)弧線進(jìn)行裝配。弦管裝配階段要求鋼管筒節(jié)短邊與短邊對接形成弦管內(nèi)弧，長邊與長邊對接形成弦管外弧，最終實(shí)現(xiàn)短直鋼管分段直線逼近形成主弦管的弧線。

3.6 主弦管環(huán)縫焊接

主弦管裝配完成并檢查后進(jìn)行環(huán)縫焊接。首先，采用二保焊對內(nèi)側(cè)環(huán)縫進(jìn)行打底，打底完成后再采用懸臂埋弧焊機(jī)進(jìn)行填充和蓋面焊接。內(nèi)側(cè)環(huán)縫焊接完成后在管外側(cè)對焊縫進(jìn)行氣刨清根處理，氣刨清根完成后采用埋弧焊對管外側(cè)環(huán)縫進(jìn)行焊接。主弦管裝配如圖3所示。

3.7 主弦管回胎矯正

主弦管環(huán)縫焊接完成后還需進(jìn)行回胎檢測?；靥サ闹饕康氖峭ㄟ^地樣線和水平胎架檢查主弦管的完工線形。如果該階段線形超過預(yù)期，則需采取火工矯正的方法對超出部位進(jìn)行矯形，該過程與熱煨彎管工藝相同，采用火焰加熱的方式使主弦管局部發(fā)生形變，必要時(shí)還需采用千斤頂進(jìn)行頂壓輔助矯正。

4 質(zhì)量控制重點(diǎn)

4.1 鋼板下料切割

全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)和半自動(dòng)火焰切割機(jī)屬于精密切割下料設(shè)備，所以鋼板下料和開坡口應(yīng)符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）的要求，在數(shù)控切割下料編程時(shí)除應(yīng)考慮焊接收縮外，還應(yīng)考慮切割熱變形的影響。另外，《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）給出了鋼板號料外形尺寸的允許偏差，應(yīng)為±1 mm。鋼板切割面質(zhì)量應(yīng)符合《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（QC/R 9211-2015）中表4.3.3焰切面質(zhì)量的相關(guān)要求。

4.2 鋼管筒節(jié)制作

4.2.1 鋼管筒節(jié)完工外形尺寸

鋼管筒節(jié)完工外形尺寸偏差應(yīng)符合《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》（GB 50923-2013）表8.3.1中鋼管構(gòu)件外形尺寸允許偏差[8]的要求。本節(jié)將結(jié)合整個(gè)主弦管制造的全過程對《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》（GB 50923-2013）表8.3.1中列出的檢查項(xiàng)目及允許偏差進(jìn)行解讀：

（1）長度允許偏差≤±3 mm。主弦管用鋼管筒節(jié)長邊長度和短邊長度允許偏差均要求≤±3 mm。多個(gè)鋼管筒節(jié)長度累計(jì)偏差會影響主弦管的總長度，單個(gè)鋼管筒節(jié)長度偏差較大或多個(gè)鋼管筒節(jié)累計(jì)誤差較大也會對主弦管的曲率、內(nèi)弧偏離設(shè)計(jì)值及線形的走向產(chǎn)生影響。

（2）縱向彎曲允許偏差≤L/1 000且≤5 mm（L為鋼管筒節(jié)理論長度）。主弦管劃分為單個(gè)鋼管筒節(jié)時(shí)，單個(gè)鋼管筒節(jié)長度方向的中點(diǎn)是離理論線形軸線偏差最遠(yuǎn)的點(diǎn)，如果單個(gè)鋼管筒節(jié)劃分長度越長，則線形偏離理論線形軸線越遠(yuǎn)，所以鋼管筒節(jié)都采用短直鋼管。有一定板厚和直徑的短直鋼管不容易發(fā)生縱向彎曲，所以該項(xiàng)可不作為重點(diǎn)檢查項(xiàng)目。

（3）橢圓度允許偏差≤D/500且≤5 mm（D為鋼管筒節(jié)理論直徑），直徑允許偏差≤±D/500且≤±5 mm。鋼管筒節(jié)的橢圓度偏差和直徑偏差是造成主弦管裝配時(shí)對接縫處產(chǎn)生錯(cuò)邊的主要原因，對接縫處錯(cuò)邊會造成環(huán)縫有效截面積減少，影響構(gòu)件受力和傳力。

（4）管端不平度允許偏差≤D/500且≤3 mm。這里的管端不平度是實(shí)測的鋼管筒節(jié)端部平面與理論設(shè)計(jì)值的差，因?yàn)閱蝹€(gè)鋼管筒節(jié)有長邊和短邊，所以其理論端部平面是不垂直于單個(gè)鋼管筒節(jié)長度方向的。端部平面度偏差會造成主弦管對接縫處產(chǎn)生間隙，如果間隙過大還會影響環(huán)縫的焊接施工。

4.2.2 縱縫外觀質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量要求

（1）鋼管筒節(jié)縱縫必須在全長范圍內(nèi)進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查，不得有裂紋、未融合、夾渣、未填滿和焊瘤等缺陷，并應(yīng)符合《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（QC/R 9211-2015）表4.9.12焊縫外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（2）鋼管筒節(jié)縱縫全長進(jìn)行100%的超聲波探傷，超聲波探傷質(zhì)量等級為Ⅰ級，檢驗(yàn)等級為B級[6]。該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋鋼管筒節(jié)所用鋼板厚度分為30 mm和35 mm兩種，這兩種板厚的鋼管筒節(jié)縱縫還需分別增加10%的射線探傷和10%的超聲波探傷，且應(yīng)符合《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（QC/R 9211-2015）的要求。

4.3 地標(biāo)放樣及胎架制作

（1）主弦管地樣為其理論外輪廓水平投影上的坐標(biāo)點(diǎn)，直接反映主弦管的線形、曲率、長度等重要信息，是制作和檢查主弦管線形的重要手段。主弦管地樣坐標(biāo)允許偏差控制在±1 mm內(nèi)。

（2）胎架是主弦管的加工制造平臺，直接影響主弦管貼胎面的線形，所以要保證胎架建在有足夠承載能力的平臺上，胎架本身要有足夠的承載力和強(qiáng)度，確保能承受主弦管的重量。胎架完工驗(yàn)收要重點(diǎn)檢查承接主弦管的支承平面標(biāo)高，整個(gè)支承平面的相對標(biāo)高允許偏差控制在±1 mm以內(nèi)。

4.4 主弦管制造

4.4.1 主弦管裝配質(zhì)量控制重點(diǎn)

裝配檢查是焊接前控制主弦管線形、長度、對接縫處錯(cuò)邊量和間隙的重要手段，既要按設(shè)計(jì)尺寸對主弦管進(jìn)行裝配檢查，又要考慮焊接收縮的影響并預(yù)留余量。

（1）主弦管裝配施工過程中，要保證鋼管筒節(jié)對接縫處的間隙和錯(cuò)邊符合設(shè)計(jì)、工藝及規(guī)范的要求。環(huán)縫間隙按工藝要求控制，該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋主弦管鋼管筒節(jié)間環(huán)縫對接處采用的焊接工藝對環(huán)縫間隙要求為0;對接縫處的錯(cuò)邊按《公路工程質(zhì)量評定檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2017）的要求：≤0.1倍板厚，且≤2 mm。

（2）下彎管長度方向應(yīng)留有足夠的余量：①為了抵消環(huán)縫焊接產(chǎn)生的收縮變形;②為了預(yù)留端頭余量給片裝單元件制造和總成匹配制造，更好地實(shí)現(xiàn)鋼管拱肋節(jié)段間的高精度對接。

（3）主弦管裝配內(nèi)外弧線形通過地樣坐標(biāo)和吊線錘的方式來控制，其允許偏差應(yīng)參考公路工程質(zhì)量評定檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2017）中內(nèi)弧偏離設(shè)計(jì)弧線允許偏差的要求，但同時(shí)也要考慮到之后工序加工產(chǎn)生誤差的累積?！耙哉鄞奔庸すに囍?，主弦管內(nèi)外弧線形控制以焊前控制為主，即裝配前有誤差就要及時(shí)調(diào)整，如果焊后發(fā)現(xiàn)誤差超出預(yù)期才采取返工或者火工矯正的方法調(diào)整，則偏差往往達(dá)不到允許值。

4.4.2 主弦管焊接完工質(zhì)量控制重點(diǎn)

（1）主弦管的完工內(nèi)外弧線形是質(zhì)量檢查的控制重點(diǎn)，需回胎檢查，其應(yīng)符合《公路工程質(zhì)量評定檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2017）表8.8.6-1中內(nèi)弧偏離設(shè)計(jì)弧線允許偏差<8 mm的要求。但是在主弦管加工階段，不能把8 mm的允許偏差值全部用完，因?yàn)樵诤罄m(xù)片裝單元件制造和總成匹配制造的過程中還會產(chǎn)生偏差，而且每個(gè)工序產(chǎn)生的偏差都會累加，所以在主弦管制造階段，該在建超大跨度鋼管混凝土拱橋?qū)⒕€形誤差控制在2 mm內(nèi)，必要時(shí)還需對弦管線形偏離設(shè)計(jì)值較多的部分進(jìn)行火工矯正。

（2）核查主弦管的編號、標(biāo)識及施工輔助線是否清晰準(zhǔn)確。

（3）環(huán)縫外觀質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量的要求參照前文。

5 結(jié)語

“以折代曲”的工藝因其比早期的熱煨彎管和中頻彎管等工藝更能高精度地控制弦管的線形，所以一直被應(yīng)用于大跨度鋼管混凝土拱橋的鋼管拱肋加工中，并且相對于其他需加熱和外力頂壓輔助彎管的鋼管彎制工藝，“以折代曲”還有著更經(jīng)濟(jì)、更好控制、返工量少等優(yōu)勢。近年來，隨著國內(nèi)大跨度鋼管混凝土拱橋的興起，“以折代曲”工藝被更加廣泛地應(yīng)用于弦管的加工中，因此如何應(yīng)用“以折代曲”工藝更加高精度地控制鋼管拱肋的線形成為鋼結(jié)構(gòu)施工過程中探討的重點(diǎn)。本文通過全面闡述主弦管加工全過程的施工流程及技術(shù)規(guī)程，為超大跨度鋼管混凝土拱橋鋼管拱肋主弦管的加工制造提供參考。

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[8]GB 50923-2013，鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范[S].

作者簡介：

陳冠名（1995—），助理工程師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)造工作。