某中承式钢拱桥加工制作研究

李兴亮 谢超 李成杰 林旭嘉

摘  要：钢结构工程因其施工快、强度好、刚度大和环保等优点，俨然已经成为建筑业中的超新星之一，在桥梁工程中钢箱梁同样也是桥梁交通网络系统中不可或缺的一部分，其中钢拱桥因其独特的造型而受到各地区的追捧，已经成为各地区必备的地标性交通设施。但与一般的钢箱梁相比，钢拱肋的安装精度是重中之重，而安装精度的前提就是制作精度，钢拱肋加工制作的精度直接影响到安装时钢拱桥的合龙精度。该文以石家庄跨环城水系泊水湾特大桥为例，分析该项目中钢拱肋的加工制作关键技术，尤其是钢拱肋节段的组装技术，其铺设先后顺序为大腹板、隔板、顶底板、吊耳节点、小腹板、斜腹板及其纵肋等。并在最后给出组装过程中的关键技术要求，一为线形控制的关键手段即控制零件的精度及地胎的精度，二为焊接控制的关键手段即保持待焊区域的干净与整洁、引弧板和熄弧板的设置与选择以及焊接工艺的评定。

关键词：钢拱肋；加工；精度；组装；线形；焊接

中图分类号：U445.4      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）05-0121-04

Abstract： Steel structure engineering has become one of the supernovae in the construction industry because of its fast construction， good strength， high stiffness and environmental protection， and steel box girder is also an indispensable part of the bridge traffic network system in bridge engineering. Steel arch bridge is sought after by various regions because of its unique shape， and has become a necessary landmark traffic facilities in various regions. However， compared with the general steel box girder， the installation accuracy of steel arch ribs is the most important， and the premise of installation accuracy is the manufacturing accuracy， which directly affects the closure accuracy of steel arch bridge during installation. Taking the Boshuiwan Bridge of Shijiazhuang water system around the city as an example， this paper analyzes the key technology of the processing and manufacture of steel arch ribs in this project， especially the assembly technology of steel arch rib segments. The sequence of laying is large web， partition， top and bottom plate， lifting ear joint， small web， oblique web and longitudinal rib and so on. At last， the key technical requirements in the assembly process are given， one is the key means of linear control， that is， to control the accuracy of parts and the accuracy of ground tire; the other is the key means of welding control， that is， to keep the area to be welded clean and tidy， as well as the setting and selection of arc plate and flameout plate， and the evaluation of welding process.

Keywords： steel arch rib; machining; precision; assembly; alignment; welding

钢拱桥是一种使用钢材构建的拱形桥梁，其发展可以追溯到19世纪末和20世纪初，当下，钢拱桥已经成为了众多地区的交通地标。因其独特的造型，钢拱桥在现场安装时需要很高的精度，而钢拱桥的加工制作是保证安装精度的前提，各位学者对钢拱桥加工制作的研究也不勝枚举。例如，郭延飞等[1]指出飞雁式异形钢结构拱肋曲线复杂，拱肋截面高度随拱轴线线性变化，给钢结构制作加工带来很大困难。并根据给出的坐标自行设计了一个计算方程式应用到制作中，成功地解决了这个问题。刘兴焱[2]以平南三桥为实例，介绍了超大跨径钢管混凝土拱肋加工的施工流程以及加工制造关键技术，供同类桥梁参考借鉴。孟庆胜[3]以实际工程为例，论述空间既有弯曲又有扭曲，截面为渐变异形的钢结构钢拱肋的加工工艺，并应用了一系列三维建模技术进行了研究，成功保证了空间变截面钢拱肋的加工精度。李国华[4]指出厂内加工制造精度是决定拱肋实现高精度合龙的重要环节，也是确保拱肋成拱线形的关键因素，并通过对拱肋节段控制点进行2次坐标转换的双重线形控制，确保钢拱肋节段厂内制造精度。除了加工制作之外，余浩淼[5]介绍了大跨度拱桥钢拱肋吊装施工关键技术，结合春申塘桥主桥下承式简支系杆拱组合桥梁中钢拱肋吊装施工环节，就钢拱桥整体吊装方案进行了理论分析，为施工进一步提供实施依据。

通过以上分析可知，对钢拱桥加工制作问题的研究并不多，而且各学者对拱肋加工制作问题研究的也不全面，下面以石家庄市复兴大街市政化改造泊水公园特大桥项目工程为例，对钢拱肋的加工制作关键技术作出分析，以期对类似工程提供相关参考。

1  工程介绍

1.1  项目简介

泊水公园特大桥是跨越泊水公园环城水系的重要节点工程（无通航要求），也是全线的景观亮点工程，建成后的泊水公园特大桥将是重要地标建筑。桥位位于南三环立交北侧，是标段项目中技术较复杂、规模较大的桥梁。主跨为1～130 m中承式钢箱拱桥，主拱跨径117.026 m，拱肋采用六边形钢箱断面，拱全宽2.5 m，拱顶、底宽1.9 m，拱顶中部顺桥向60 m范围内的截面高为2.5 m，其余按弧长线性变化至拱脚处4.5 m，拱肋在桥面处与系梁连接，平衡拱的部分水平推力，拱脚处与拱座固结，结构关于跨中对称布置。拱肋横桥向在拱梁相交节点处通过横梁相连，为保证拱肋受力安全和侧向稳定，同时出于行车景观考虑，全桥设置横向风撑，风撑之间钢板连接，形成椭圆开孔造型顶棚。钢拱肋三维视图如图1所示。

1.2  拱肋制作重难点及处理措施

根据钢拱肋构造特点，考虑到其加工主要有以下重难点。

1.2.1  拱肋线形控制难度大

应对措施：采用合理的地胎方案，严格控制地胎稳定性和地胎精度（严格执行地胎详图的点位控制），通过数控下料、数控钻孔等零件加工精度控制，单元件制作并专检，总装长线法预拼装制作的工艺控制流程，严格控制各节段的平面度及尺寸精度、整体线型偏差和线型连续性。

1.2.2  拱肋焊接变形及内应力大

应对措施：桥梁焊接需有合格的焊接工艺评定支撑，单元件焊接、总装焊接前须根据焊接方法、焊接位置、零件材质、板厚和接头形式等制定合理的焊接工艺，条件允许或易于翻转时，尽量避免仰焊，合理采用立位焊接，多采用平位、横位焊接。全熔透、部分熔透焊接量较大的接头，宜双面交替焊接，尽可能多地增加交替次数；不能双面对称焊接时，在保证焊缝质量的同时宜采用小电流高焊速多道次的焊接方式完成焊接，焊缝焊接量较大的长焊缝宜采用分段退焊。

2  加工制作关键技术分析

钢拱肋的加工制造主要划分为以下4个阶段：钢板预处理及零件下料、钻孔、削坡等材料加工准备阶段；板单元件铆对、焊接、矫正、检验阶段；单元件验收合格后上胎进行构件组装、整体焊接及节段预拼装阶段；构件制作交验合格进行二次清理、涂装及验收阶段。下面对关键工序即钢拱肋的节段组装及组装过程的关键技术要求进行介绍。

2.1  拱肋节段组装

拱肋的组装嵌套示意图如图2所示。

铺设大腹板单元，如图3所示。

铺设隔板单元，如图4所示。

立两侧的顶、底板单元，将隔板精确定位后，进行U型槽内部焊缝焊接，隔板与顶底板立位焊缝，隔板与大腹板横位焊缝，进行顶底板和大腹板间箱内主缝的焊接，如图5所示。

插入吊耳节点，并焊接耳板与隔板、底板焊缝，安装总装件并焊接，装配小腹板单元件，如图6所示。

装配斜腹板单元件的纵肋，纵肋以隔板R孔为定位基准，煨弯定位焊接。装配斜腹板面板，以隔板和拱底端为基准进行装配，面板扭曲需采取外力或外力加火焰矫形的方式实现，斜腹板在胎上装配完成，需下胎进行单元件的焊接及检验，然后再次上胎进行总装定位焊接。进行顶底板与斜腹板、斜腹板与小腹板间的箱内主缝的焊接，如图7所示。

2.2  组装关键技术要求

2.2.1  线形控制关键手段

线形控制关键之一，零件精度控制。零件宜采用火焰或等离子（数控、自动、半自动）切割下料，桥梁零件下料严禁采用剪板剪切。在数控切割下料编程时除应考虑焊接收缩量之外，尚应考虑切割热变形的影响；手工气割仅可用于工艺特定的或切割后仍需加工的零件。

线形控制关键之二，地胎精度控制。为提高节段拼装精度，按技术部发放的三维坐标搭设地胎。各地胎平面坐标在地面上划线定位完成后，进行X值、Y值的检测测量，偏差不得大于±2.0 mm；地胎制作完毕，对地胎高程进行测量，相邻两点的高程允许偏差在±2 mm以内，任意两点的高程允许高差小于等于3 mm。

2.2.2  焊接控制关键手段

焊接控制关键之一，保持待焊区域的干净与整洁。所有焊缝在组装前应将待焊区域的车间底漆、铁锈、氧化皮、污垢和水分等有害物清除干净，使其表面露出金属光泽。清除范围应符合图8的规定，坡口面切割角度偏差为±2.5°，坡口装配角度偏差为-5°～+10°，间隙偏差为-3～+2 mm。接头的具体清除范围如图8所示。

焊接控制关键之二，引弧板和熄弧板的设置与选择。板接料时必须在引弧端和收弧端设置引弧板和熄弧板，引弧板、熄弧板要求采用同母材材质相同的材料。手工焊引熄弧板尺寸为60 mm×60 mm，引熄弧焊缝长度不短于25 mm；埋弧自动焊引熄弧板尺寸为100 mm×150 mm，引熄弧板坡口同母材坡口，引熄弧焊缝长度不短于50 mm。焊接后，必须用气割切掉两端的引熄弧板，并磨平切口，不得损伤母材，严禁锤击。

焊接控制关键之三，焊接工艺的评定。在工厂或工地焊接工作之前，对首次使用的钢材、焊接材料、焊接方法应根据项目要求的相关标准进行焊接工艺评定（PQR）。焊接工艺评定（PQR）是保证钢结构焊缝质量的前提。通过焊接工艺评定选择最佳的焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数等，以保证焊接接头的力学性能达到设计要求。焊接工艺评定的具体流程如图9所示。

3  结论

石家庄市复兴大街市政化改造泊水公园特大桥项目是石家庄的重点民生工程，其中钢拱肋的加工制作是现场安装施工的重要前提，加工制作的精度直接影响着现场钢拱肋的安装进度，本文以钢拱肋的加工制作为主题，介绍了钢拱肋加工制作的关键工艺技术，着重作了如下分析。

1）在钢拱肋的加工制作中，对钢拱节段的组装流程做了分析，即其铺设先后顺序为大腹板、隔板、顶底板、吊耳节点、小腹板、斜腹板及其纵肋。

2）在鋼拱肋的加工制作中，对线形精度的控制可以从2个方面加强。一个是控制零件的精度从而减小零件组装后的误差，另一个是控制地胎的精度以保证组装的顺利进行。

3）在钢拱肋的加工制作中，对焊接的控制可以从3个方面来加强。一为保持待焊区域的干净与整洁，二为设置并选择合适的引弧板和熄弧板，三为进行严格的焊接工艺评定。

参考文献：

[1] 郭延飞，刘山洪，王国炜，等.飞雁式异形钢箱拱制作线形控制关键技术研究[J].钢结构（中英文），2020，35（10）：43-50.

[2] 刘兴焱.超大跨径钢管混凝土拱肋加工制造关键技术研究[J].西部交通科技，2020（11）：39-42.

[3] 孟庆胜.空间变截面钢拱肋加工工艺研究[J].天津建设科技，2017，27（1）：48-50.

[4] 李国华.大跨度拱桥钢拱肋卧-立组合式制造与施工技术[J].施工技术，2021，50（11）：75-77，81.

[5] 余浩淼.大跨度拱桥钢拱肋吊装施工技术[J].绿色建筑，2021，13（5）：66-67，71.