深圳北站大桥钢管拱肋制作加工.docx
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深圳北站大桥钢管拱肋制作加工
钢管拱肋制作
中铁二局五处吴明
１.工程概况
深圳北站大桥主桥是一座下承式钢管砼系杆拱桥，全桥设竖向拱肋2片，每片拱肋由4根上下主弦钢管及上下平联管、腹杆焊接成四肢格构桁式截面，截面高3米，宽2米，桥面结构采用预应力钢——高托座砼叠合板组合梁，横梁与主拱之间采用双吊杆形式连接，吊杆间距为8米，位于深圳火车北站，横跨广深、广九铁路及深圳火车北站站场，共跨29股铁道，主跨距为150米，由于其特殊的地理环境导致拱肋安装非常困难。
因此，在拱肋制作时的节段划分和加工质量的好坏，在很大程度上会影响到大桥的安装、整体成型和运输的可行性，所以拱肋节段的划分和加工精度的控制，也就成为本座大桥钢结构制作的重点和难点。
下面具体从工艺的制定、分段划分和制作工艺流程以及加工精度控制三方面来阐述以制作精度保证安装和合拢的顺利。
2.技术控制的目标
主拱拱型线公差控制在JBJ10212-98规范规定范围之内，保证现场安装一次成型，保证焊接变形控制到最小量，减少焊接应力对结构受力影响，这样，才能保证质量、周期、产值、利润。
下面就从技术控制的几方面来阐述一下北站大桥拱肋加工所需控制的重点及难点。
3.成型节段的划分
节段的划分主要考虑以下几个方面的因素。
a.整个拱肋钢结构重500余吨，共两片拱肋，意味着每片拱肋的重量为250吨，考虑到安装时吊机的最大吊重为50吨，每个分段的重量控制在30～40吨的范围内。
b.由于构件要从广州运往深圳，通过对这段运输路线的考虑，最大的运输高度为4.5米，车辆的转弯半径控制在20米左右，利用电脑进行分析，每段长度应控制在25米左右。
c.分段越多安装时对安装精度和焊接变形的控制越难，所以分段数量应尽量少，并且注意对称性，使制作加工时有更多的通用件。
综合以上三个因素，拱肋划分为7个分段如下图所示：
从东到西分别为D、C、B、A、B、C、D分段，经过实践证明这种分段的划分既有利于生产，又最大限度减少了安装的难度，满足了生产及运输方案的顺利进行。
4.制作工艺流程
钢板下料直管筒节辊制节焊接筒节返辊筒节拼成直管小节直管小节焊接直管小节拼成直管分段直管分段焊接安装加强肋上火工胎架弯管焊接加强肋上片体组装胎架制作南片体和北片体南片体和北片体各自构件焊接制作预拼装胎架南片体上胎架定位划线安装平联管安装北片体和其它构件立体分段焊接立体分段和整体线型报验安装吊杆护筒吊杆护筒焊接预拼装整体报验立体分段涂装运输。
5.加工精度的控制
加工精度的控制应从下料切割、焊接变形，火工弯制和预拼装4个方面来进行总体控制：
5.1下料的控制
5.1.1拱肋之拱管直径为φ750mm,板厚为12mm，是由一个个筒节拼焊而成，所以，每个筒节的制作公差，影响到筒节拼接时的错边量，筒节的展开长度为2317.3mm，每个筒节+1.5mm的焊接收缩余量，通过检定，制作出的筒节失园度在±0.5mm的范围内完全符合公差要求，另注意切割时注意对称切割，以减少钢板切割时产生变形，具体切割形式如下图：
5.1.2直腹杆斜腹杆的下料。
在电脑上将直腹杆主拱管，斜腹杆—主拱管相交的相贯线放样，并制作成纸样，考虑到焊接坡口烙透深度和经过火工弯管后主拱管与腹杆相交位置都为负公差，这里焊接收缩量比较大，所以直、斜腹杆每条留8～10mm的收缩余量。
5.1.3上下平联管下料
同样利用电脑放样，将平联管与主拱管相贯线放样，并制作线纸样，考虑到各方面的影响每条平联管加大4mm收缩余量。
5.2焊接变形的控制
5.2.1筒节焊接变形的控制
每个筒节纵向对接焊缝为全烙透焊缝,所以对接处焊接变形比较大，这样对焊接坡口形式选择、焊接收缩余量的选定和焊接顺序是很关键的，焊接收缩余量按常规考虑为1.5mm，通过焊接工艺评定，选用下图的坡口形式，利用自制的自动焊工装设备，对筒节正反两面进行自动焊，焊接时由一端顺序向另一端焊接，这样有效的控制了对接处的焊接变形和提高了工效，施焊完工后，再利用三星辊进行返辊之后，公差在±0.5mm之内，完全符合公差要求。
5.2.2片体变形的控制
片体焊接变形的控制直接关系到总体线型的好坏,直接关系到片体与片体对接合拢口能否顺利的进行合拢,所以对片体变形的控制是非常的关键,在这里主要采取以下措施。
⑴.每个片体的两条主拱管在定位时，按照线形往外加大6mm，如右图：
⑵.焊接前，必须对片体进行固定，不允许片体在自由状态下施焊。
⑶.每个片体施焊时，注意对称施焊，焊工人数不能超过4个，每条焊缝烧好底焊后，再全面进行施焊。
⑷.由于端部位置的焊接收缩很难控制，所以片体两端，腹杆与主拱管的相接位置一端不进行施焊，等预拼装时再施焊。
通过以上的工艺措施，保证了片体端口位置的精确度，为拱肋的合拢和预拼装的顺利进行提供了尺寸保证。
5.3火工弯管时的控制
根据火工工艺评定考虑到钢管拱肋直径较大，板较厚的实际情况，要使弯管后成型美观，选择了以下的火工参数。
加热温度：
800℃～850℃，用点温度计测量。
火焰方式：
线状加热。
加热炬移动速度：
3～6mm/s。
加热宽度：
18～25mm。
冷却方式：
空冷
5.3.1胎架制作：
（详见下图）要求胎架中心线偏差不大于正负1mm，曲线尺寸偏差不大于1mm，钢管曲线的钢拱承接板采用调节螺栓调节高度，高度尺寸由电脑放样结合实际放样的管背弧线确定，曲线检查采用管腹样板和胎架模板，样板在每次使用前应在样楼校验过，用后送回样楼，要求位置尺寸偏差不大于2mm，火工胎架弯制一个分段重新校验一次。
5.3.2直管上胎定位
直管水平放置于胎架，利用制作时的十字检查线的水平检查线平面水平放置，水平度偏差（纵向及横向）不大于1mm，以直管纵向中线作为直管上胎前后定位的依据也是以后火工弯管检验的位置标记。
5.3.3直管上胎架定位后，火工弯管的工艺措施。
在钢管上用火焰灼烤钢管，使直管依靠重力下垂（可以附加外力）当直管接触到胎架各模板时，则为弯管达到预定曲线，增加外力。
加载位置在管子长度中间或1/3处，另由于钢管经过火工加热后，会产生变形，并且应力会释放到管端，所以，在管端100mm处必须增加一个加强环，用以减少管端的失圆度。
实践证明，管端没有加加强环的直管经火工加热后，管口失圆度为正负5mm，而加了加强环的直管，管口失圆度为正负2mm。
5.3.3.1弯管从钢管两头向钢管中部进行火工，在每端施行三道焰后，转另一端再施三道焰，轮换向中部推进，焰道间隔约为250~350mm，依此类推划出加热线位置。
5.3.3.2弯管工作由两人同时进行，从管中和轴下位置（约为2/3半周长）由下到上向管面中线加热，要求两人加热温度，运焰方式、加热炬移动速度、加热线宽度、水火距等火工参数均相同，避免产生横向的侧偏扭转。
5.3.3.3在火工过程中，必须保持加热过程中的加热参数的稳定。
5.3.3.4当焰道加热到钢管中部仍未使曲线达到预定形状时，可在每两道焰之间中部插入短焰道，短焰道加热形式及推进方式与原焰道相同，但长度约为原焰道的1/2。
依此类推，直到曲线达到要求为止。
5.3.3.5用样板和胎架模板检查曲线形状，不符合要求的部分，继续采用插入焰道法加热直到成形。
5.3.3.6为方便弯管时随时检查是否出现侧弯扭曲，可在胎架中部钢管两边对称位置竖起一标杆。
若管子碰到标杆，则表明出现弯管侧向弯曲，此时可以在弯曲突出部分施以火工使之矫正，要求标杆应垂直于地面，距钢管距离不大于3mm。
5.3.3.7火工弯管达到预定的曲线时，用样板检查管子曲线偏差，内弧轴线偏离设计轴线不大于3mm，钢管弧度曲线的局部凹陷不大于2mm，按钢线检查管子垂直检查线是否出现侧弯及断面扭曲，侧向弯曲应不大于L/1000，断面扭曲不大于L/1000，每个分段不大于5mm。
5.3.3.8火工弯管检验合格后，重新根据样板的大接头线，校核弯管上原有的大接头线，若出现偏差，则重新在弯管上划出大接头线，并以此大接头线为基准线。
经过以上火工参数的选择、胎架的控制以及直管上胎的定位和加热时的工艺和检验措施，能很好的控制直管弯曲后曲线形状。
5.4预拼装的控制
拱肋安装是由两头向中间安装，中间合拢段须留余量，所以合拢段不能参与预拼，预拼装只能相邻三段进行预拼，即DCB分段进行拼装，A段不参与预拼，这样，怎样保证AB分段合拢口四条钢管一次对接成功，合拢口的尺寸控制就成了在B立体分段预拼装时和A立体分段制作时重点控制对象，为了节省时间，增加场地的利用率和减少预拼难度，立体分段的制作和预拼装同时进行，先将南边的片体上胎架进行片体预拼装，拼装的同时，划线安装平联管，一个分段的平联管安装完成后，可以安装北片体，一个分段制作完成后，经过检验合格可以进行施焊，下面从地样线、预拼装胎架和制作时的工艺要求来阐述一下制作和预拼装所需重点控制的要点。
5.4.1地可及型线和胎架精确度的控制是拱肋整体型线的保证和整个拱肋制作和预拱装的依据。
5.4.1.1在组装平台上划出预拼装每一分段的地样，只需划出拱轴，拱背及拱腹线具体方法如下图：
5.4.1.2划出坐标基准线。
5.4.1.3根据拱腹、拱背的曲线样板的长度（约6米一件）在该样板的长度内，按设计图纸的坐标，分别找出该弧线长度上的三点（其中两点为基准点，另一点用于检验），通过这三点用样板划出拱背、拱腹曲线、拱轴曲线用于检验时参考。
5.4.1.4同理可以将整拱各个分段的拱背、拱腹曲线逐段划出，并划出各吊杆线的位置。
5.4.1.5站仪划出吊杆的位置的地样。
5.4.1.6准确程度，用全站仪测量与理论值之差不大于1mm。
5.4.1.7尺寸控制
以平台地样线为基准，每隔2.5米布置一档胎架，每档胎架形式如下图：
胎架报验，用水平管或全站仪检验各胎架模板的上、下管中心线的水平度之差不大于1mm。
拱背、拱腹曲线与地样曲线的偏差范围在0～2mm之内。
5.4.2制作、预拼装工艺和控制要点
拱肋立体分段制作预拼装是同时进行，而且吊杆结构的安装精度要求很高，所以，拼装时的拼装顺序，每个对接接口的焊接补偿量的控制，和各个立本分段各构件焊接时间控制，就成为关键。
另外，合拢段不参与预拼装，所以，对合拢接口的工艺控制也就成为保证安装时合拢顺利的关键，下面从上面所提的几个方面来阐述一下预拼装的控制。
5.4.2.1如下表所示
分段编号
补偿量
补偿量留放位置
A1
3mm
留在A1、A2对接一端
A2
3mm
留在A1、A2对接一端
B1
3mm
两端各留1.5mm
B2
3mm
两端各留1.5mm
C1
3mm
两端各留1.5mm
C2
3mm
两端各留1.5mm
D1
3mm
两端各留1.5mm
D2
3mm
两端各留1.5mm
5.4.2.2量，在B、C、D立体分段安装后，经过测量和找出切割温度后才进行切割，不放焊接补偿量。
5.4.2.3段弯管大约为25米，由于场地限制，在制作时分为两个小分段，即A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2，如上表，下面阐述一下预拼装的装配和焊接顺序和时间。
⑴.1、D2南片体上胎定位合拢，校装对接口依次上C1、C2、B1、B2南片体，D1、D2合拢好后可以划线安装平联管，依次每个大分段合拢好后可以安装平联管。
⑵.斤顶调整各片体的水平和左右位置（使之处于同一平面，可用重锤或经纬仪测量拱背，拱腹曲线是否与地样线重合偏差不大于1mm）。
⑶.每个定位大立体分段合拢好，并与下一立体分段对接口合拢后，这个立体分段报验合格后可以进行平联管和对接口的施焊。
⑷.焊时注意对称施焊，严格按照焊接工艺评定的参数进行施焊，并且每个平联管与主拱管的角接口的焊接时，不能一次焊完，必须全部打好底焊后再进行全面施焊。
⑸.次各个分段按上面顺序进行安装制作。
⑹.拢A分段制作时，按上述步骤。
⑺.结构的安装和焊接时间
5.4.2.4的精确度，吊杆结构的安装和焊接时间必须很好的控制。
⑴.拱肋整个预拼装好，结构整体检验合格后安装吊杆结构。
⑵.由于各个大分段对接口留有焊接补偿量，所以，每个分段的吊杆安装位置要根据补偿量进行移动。
这样，确保了制作时和大合拢焊接后吊杆位置的准确度。
⑶.合拢段口截面尺寸的控制：
5.4.2.5由于合拢断口处于自由状态，合拢断口的附近位置结构的焊接会引起断口自由变形，所以必须采取必要的工艺措施：
⑴.尽量减少断口附近位置结构焊接，必须焊接时采用分段退焊法，减少焊接变形。
⑵.用支撑板将断口位置固定好，即使断口形成框架结构，不处于自由状态。
⑶.离断口最近的平联管和腹杆只进行一端施焊。
⑷.焊后检查AB两立体分段断口尺寸，对尺寸偏差的钢管进行调整。
⑸.由于在火工弯管时钢管失圆度控制得较好，减少了拼装难度。
通过以上工艺措施，并经过实践检验，拱肋安装、合拢时很顺利。
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