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摘要：在钢管拱桥施工工艺中，拱轴线线型通常采用“以直代曲”的施工工艺，技术工艺虽然较成熟，但施工中主拱钢管现场焊接工程量较大，焊缝施工质量控制措施较难，施工质量不容易保证；“热弯工艺”使主拱钢管的制作精度、焊接质量得到很大的提高，但热弯制方法在温控、作用力及弯管线型调整方面操作难度大；钢管“直管冷弯”技术在工艺品制作方面已经较成熟，钢管线型圆顺、美观；石门水库特大桥为中承式的钢管混凝土拱桥，主拱钢管线型为悬链线，线型采用了“直管冷弯”技术制作，通过技术革新、工艺改造，先后克服了钢管顶弯过程中的线型的弹性回缩，解决了外力顶弯钢管过程中的钢管变形过大，通过工艺调整保证了主拱顶弯线型的准确等技术难题，将“直管冷弯”技术成功运用于钢管拱桥主拱肋线型加工，大大减少了钢管焊缝数量，施工质量容易得到保证，线型更加优美，希望为同类型桥梁施工起到参考作用。
关键词：以直代曲；冷弯；直管顶弯；钢管拱肋加工
一、前言
钢管拱桥拱肋的曲线线形传统是“以直代曲”的制作工艺，工艺复杂，施工效率较低；新型的冷弯技术，在多个领域已有着较好的应用推广，但受到钢管拱桥的制造精度高，施工结构庞大等影响不能进一步推广。
“以直代曲”工艺是采用1.5m-2.5m的段节段直钢管代替曲线节段，通过多个直线节段微小角度焊接形成曲线的形式，特点是焊缝较多，增大了无损检测的工作量，过多焊缝对原材的危害性无法估量，线型不够圆顺，安装过程中空间定位点不易准确把握，不能更好的与设计线型相一致。
热弯工艺是在钢管加热后，通过外力将主拱钢管制作成设计线型，减少了焊缝数量和焊接工作量，提高了主拱线型精度和焊接质量；但是无论是火焰喷枪加热煨弯工艺还是采用红外陶瓷片加热弯管机弯制，都需要将钢管预热到700℃以上完成弯制工作，施工难度较大。
冷弯工艺是通过外力将主拱钢管制作成设计线型的方式，线型可以更加贴近于设计线型，焊缝大大减少，降低了焊缝对原材的伤害，减少了无损检测的工程量；由于能更好的接近设计线型，安装过程中能通过定位点合理的矫正安装误差，可以更好的接近设计线型。
冷弯工艺能够在钢管拱桥拱肋施工中得到应用突破后，可以带来拱桥大型结构制作工艺的革新，提高机械利用率在钢管拱桥施工当中，这将是现代桥梁施工技术上的重大革新。
二、钢管拱桥拱肋的冷弯技术应用可行性分析
2.1 工程概况
石门水库大桥主拱肋弦管钢管采用 Q345 qD钢板卷制，左、右线主桥均采用中承式有推力钢管混凝土拱桥结构，计算跨径248米，计算矢高比1/4，拱轴线为 m＝1.5的悬链线。拱肋整体为钢管混凝土桁架结构，断面双片式拱肋，上下弦管为平放的哑铃形。拱肋断面总高为5.35米，宽为2.75米。主弦管外径为950mm，除第1吊装段、第2吊装段部分壁厚为16mm外，其余拱肋壁厚为14mm，两钢管中心水平间距为1.8米，中间采用厚度14mm平联板连成一体。
2.2 直管冷弯机原理
本项目的主拱钢管冷弯工艺与型钢冷弯机原理基本相同，通过合理的布设支点和受力点并施加弯曲力矩，使用液压千斤顶系统对钢管施加外力，使钢管发生塑性变形，通过连续对钢管进行顶弯作业，直至整条钢管达到设计线型位置，从而达到钢管冷弯曲的目的。
（1）冷弯机结构组成及工作原理
冷弯机由装置构架、冷弯系统、液压系统、传动装置和辅助设备组成。
工作时，用辅助设备配合转动装置将需要顶弯的直钢管放入冷弯机反力门架孔道内，将顶弯点与千斤顶中心对正，启动液压系统使安设在顶弯装置构架底座上的千斤顶推动顶弯装置上托架与反力门架相互作用实现冷弯作业；一个顶弯点顶弯后，收回千斤顶，将钢管下一顶弯点移至千斤顶中心继续顶弯作业，最终实现直管冷弯工作。
本套钢管冷弯设备一览表：
该套设备中液压千斤顶的水平最大推力为1500T，其他各辅助结构的板材均按照设计使用要求进行定做。
（2）冷弯机顶弯流程
（01）直管制备→（02）直管放入门架孔道→（03）直钢管中心线及顶弯点对位→（04）顶弯→（05）收回千斤顶→（06）跟换对位顶弯点→（07）继续顶弯→（08）成品弯管检验
2.3 冷弯工艺试验分析
在项目前期准备阶段，对同材料等级的两根钢管试件进行了冷弯工艺试验，以验证工艺的可行性，同时采集到钢管弹性回缩、最佳顶出量、顶弯点间距、失圆度和波浪度等相关数据，为主拱肋施工提供依据。
（1）实验分析
试验件采用的是两根长10米、Φ950mm×16mm的Q345qD钢管，编号为①和②，钢管采用钢板卷纸成直缝管形式。制作完成的直缝管外径为φ950mm，成品试验钢管标准参见《钢管混凝土拱桥技术规范》GB 50923-2013，具体的顶弯布置图如下：
试验1：计划将编号为①和②的两根试验管同时顶弯到设计线形位置；编号①的试件直接一次性顶进到设计顶进量，编号②的试件采用的是分级顶进，按照每200T力为一级，逐级对各点进行顶进到设计顶进量位置。完成试验后对两根钢管的数据整理如下：
由表中数据可以看出，两根试验管由于钢材的回缩量导致都没有达到设计的顶进量，但编号②所采取的措施能够更加接近线形，并根据回缩量统计表数据可说明钢管②的回缩量小，容易控制最佳顶出量；同时对两根钢管的相关数据进行检测发现，钢管①的失圆度远超过钢管②的失圆，综合分析采用分级顶进在控制整体结构尺寸、控制回缩量方面有良好的优势。
试验2：在试验1的基础上，为保证制作出整体线形符合设计要求的线形数据，对两根钢管继续施加回缩量两倍的超顶量，来克服钢材回缩对整体线形的影响。同时对钢管①采取隔点进行逐级顶进，对钢管②进行每个点进行逐级顶进。完成试验后对两根钢管的数据整理如下：
由表中数据可以看出，钢管①和钢管②的整体线形在跨中内5个点的数据基本分布在设计线形左右，满足设计要求，即在跨中位置施加两倍的回缩量进行超顶量满足施工要求。但在两侧端头位置的4个点的数据都存在顶进量数据过大，应降低两端的顶进回缩量的倍数。同时对两根钢管的相关数据进行检测时发现，钢管①的整体波浪度相比于钢管②的波浪度大很多，钢管②的最终回缩量也降低到很少，说明钢管在顶进的过程中，应按照每个1米设置一个点，并全部进过顶进后，能够降低钢管的整体波浪度等参数。
通过以上两个试验件的顶弯过程分析后，对两次试验出现的问题及对比情况进行总结如下：
1）顶弯过程中为达到设计线形，需确定最佳的顶进量来得到线形，最佳顶进量由设计顶进量和回缩量同时控制，钢管的回缩量需由顶进试验逐渐确定。
2）钢管顶弯受力方向的失圆度，受到加载方式决定，应采取逐级分部进行施加外力进行顶进过程，避免因外荷载施加过大导致失圆度过大。
3）钢管顶弯过程中波浪度等参数受到顶弯点的选取决定，应在钢管的每1米布置顶进点，降低钢管整体的波浪度等参数超标。
（2）全桥加工试验件分析
通过试验件的加工效果充分证明了冷弯工艺可以在钢管拱桥中使用，随后展开了石门水库特大桥的钢管拱肋加工生产，主拱阶段长度平均在15米，钢管顶弯过程中线型基本可以得到保证，随着主拱肋线型影响每15米节段最大内弧约为166mm，对实际需要的线形进行试验分析。
利用上述试验总结的经验，在实际拱肋试验件中对各施工工艺进行优化措施如下：
1）最佳顶进量控制选择在进行中部的1/2的点进行两倍的回缩量进行顶进，在两端的另1/2的点采取1.5倍的回缩量进行顶进，来寻求更接近设计线形的顶进措施。
2）由于失圆度和波浪度等钢管参数的影响下，施加外力荷载过程中，采取按照200T为阶梯进行逐级增加，同时施加外力荷载在顶弯点的顺序为隔点穿针的方式进行，来验证优化的顶进顺序及施加荷载对钢管的影响。
按照如上述的技术手段进行操作施工后，得到如下数据：
▲ 线形与设计线形对照表 ▲ 回缩量统计表
通过对拱肋实际的试验件进行试制后，设计线形基本控制在了2mm内的误差，顶进过程中的回缩量控制在了1mm内；同时对所有试验件进行了超声和射线探伤检测结果显示，冷弯工艺对卷制的直缝钢管没有任何影响；可以认为试验所采取的制作措施可以满足施工需求，可以展开扩大生产。
三、主拱肋加工制作技术应用
石门水库大桥主桥拱肋整体为钢管混凝土桁架结构，拱肋整体为钢管混凝土桁架结构，断面双片式拱肋，上下弦管为平放的哑铃形。主弦管壁厚为16mm、14mm，外径为950mm。
3.1 主拱肋加工制作工艺简介
（1）施工步骤
主要施工步骤如下：（01）统筹下料→（02）编号→（03）画出直钢管中心线→（04）调整档模块间距→（05）划顶弯点间距→（06）确定顶出量→（07）继续顶弯其余点→（08）质量检验
（2）操作工艺过程
（01）统筹下料：
根据拱肋吊装段长度、现行弧度，进行统筹下料，保证同批量单元长度、弧度相同，这样可以减少试顶弯（新的顶出量的确定）次数。
（02）编号
根据吊装段统一编写全桥所须顶弯弧形管段的号码、管材长度、壁厚和半径尺寸。
（03）画出直钢管中心线
在直管两端通过挂线锤确定钢管十字中心点，再用墨斗弹出四条中心线。顶弯时四条中心线分别与反力门形只挡模板上的纵轴中心重合后，再顶弯，便于观察钢管是否扭曲，保证平面度。
（04）调整挡模块间距
挡模块间距越大是顶出力越轻，本项目为950mm钢管，间距选择为5m。
（05）划分顶弯点间距
顶弯点间距对弯管线型影响很大，顶弯点间距过大会影响线型质量，顶弯点间距过小会影响工作效率。顶弯点间距通过冷弯工艺试验分析得出，项目采取的是1m间距，钢管中段应等分，两端的长度等于或接近中部分段长度的一半。
（06）确定顶出量
通过试顶弯确定弯管最佳顶出量，顶出量是计算弦高值与n倍回缩量之和（n通过试验得出），采用最佳顶进量，经过多回合的的微量递增试顶确定。
（07）继续顶弯其余各点：
按试顶弯结果对钢管上其余各点进行顶弯。
（08）质量检验
①弦长弦高值检验
将顶弯后的单元管件放置在胎型上，根据弦高值计算对照表，逐点检验，避免过顶和欠顶现象，减少返工率。有效保证曲率半径。
②波浪度检验
利用长度等于反力门型架宽度的平尺，在顶点处用塞尺进行波浪度检验。
③平面度检验
将顶弯后的钢管卧放在平台用塞尺进行平面检验。
④失圆度检验
用间距大于管径2cm的门形样板在管端及各弯点处用尺或塞尺进行失圆度检验。
3.2型校核线型设计
为了能够对顶弯线型进行校核，采用了片状单元胎架、吊装节段胎架两级校核方式，对单管顶弯线型进入片状单元进行校验，场内完成主拱钢管拱肋片状单元拼装。总拼装厂进行二次吊装节段拼装，对整体线形进行第二次校验，确保了制作精度准确无误。
（1）厂内片状单元拼装
厂内制作采用卧式拼装方式，在所有顶弯点处设置支点，通过支点高度来调整设计线形量，在将冷弯制作的单根钢管放置于胎型内，通过各顶弯点与各支点的结合程度来进一步校验线形的准确性（胎型见下图），单根钢管检验完成后进行片状单元件拼装。
经统计，所有冷弯制作钢管的顶弯点在胎型内检验内弧偏差值94.4%在2mm内，只有不足5.6%顶弯点偏差值达到3mm，详细比例见右图。
远低于《公路桥涵施工技术规范》JTG /T F50－2011表 16.6.5-1钢管拱肋制作与安装质量检测标准规定的允许偏差值8mm。
（2）二次拼装校核设计
单片结构拼装准确后，运输至总拼装场进行二次组拼，完成吊装段的组拼制作，在此过程中采用了定型的胎架，对所有安装线形单元件进行再次定位拼装，这样既能在方便制作安装，更能反复校验钢管的整体线形情况。
在大桥的所有节段的制作过程中，对冷弯工艺进行了反复的验证，经得住了各种制作工艺的考验，使冷弯成型工艺在钢管拱桥的拱肋施工中得到了进一步的推广使用。
通过总拼装场进行二次组拼校核，发现在运输片状单元件过程中，钢管口由于受压会产生轻微变形，造成管口失圆，因此片状单元件在运输时需要在管口增加临时支撑措施，防止管口变形。
3.3拱肋安装及拱肋合龙情况
全桥单侧拱肋共分为12个吊装段和最后的合龙段进行安装施工，在节段吊装过程监控中，各节段监控数据基本和监控单位的理论监控数据相差无误，最后在合龙段施工中，监控数据体现出，大桥两岸的拱肋相对高差为0，设计标高位置准确无误。
这是在制作拼装过程中的精度证明该技术准确无误后，又一次以高精度的合龙安装，通过冷弯工艺在钢管拱桥拱肋从拼装制作到施工安装的全过程的整体检验，再一次证明冷弯技术在拱桥中的应用可行性。
四、结语
通过石门水库特大桥的钢管拱肋加工使直管冷弯技术在特大桥梁施工中得到验证，从技术准备阶段通过各种实验分析工艺应用的可行性，最终确定线型采用“直管冷弯”技术制作，通过技术革新、工艺改造，先后克服了钢管顶弯过程中的线型的弹性回缩，解决了外力顶弯钢管过程中的钢管变形过大，通过工艺调整保证了主拱顶弯线型的准确等技术难题，将“直管冷弯”技术成功运用于钢管拱桥主拱肋线型加工，大大减少了钢管焊缝数量，施工质量容易得到保证，线型更加优美，为今后同类型桥梁施工能够起到参考作用。
冷弯工艺不仅在工艺制造上简化了拱桥拱肋制造过程的复杂程度，通过机械化的利用，大大降低了劳动力的消耗，同时在制造精度，制作周期等方面，都有着良好的经济效益，从工艺的先进性来说，改变了传统 “以直代曲”、“ 热弯工艺” 制作方法带来的技术限制，“直管冷弯”工艺的适用性更强。
论文作者:武亚超,桂晓华,姜兴伟, 惠勃
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/2/28
标签：钢管论文; 线形论文; 冷弯论文; 拱桥论文; 工艺论文; 间距论文; 回缩论文; 《基层建设》2018年第35期论文;