钢拱桥钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置的应用

孟庆斌

（中铁上海工程局集团有限公司，上海 201906）

0 引言

上承式提篮拱桥的拱桥劲性骨架一般多设计为钢管拱肋结构，而钢管拱肋在管口对位时的常规做法多采用内法兰连接匹配或管外码板临时固定的方式。但这两种对位匹配方式受制于外部因素的干扰都不易灵活调整，往往因为管口错边及缝隙过大而导致管节之间环口焊缝质量不能满足设计及规范要求，极易造成钢结构的焊接质量缺陷。如何较为便捷地解决上承式提篮拱桥钢管拱肋管口在现有对位工艺时常出现的问题，是行业内参建人员长期思考的问题之一，是目前上承式提篮拱桥施工亟待解决的一项技术研究课题[1]。

1 依托项目工程概况

郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥位于重庆市奉节县梅溪河口上游约1.5km处，桥梁全长687.8m，主桥采用1-340m上承式钢筋混凝土X型提篮拱，跨径为340m，矢高74m。主拱肋横向宽度为5m，竖向高度为6～11m，全桥拱肋共分成48个单元（拱脚预埋段及拱顶合龙段除外），主拱肋劲性骨架主材材质采用Q390D、Q345D，用钢量约4083t。拱肋分叉段横梁为钢管桁架结构，其余联结系为L200×20、L160×16等四肢组合角钢结构，材质为Q345D，拼接填板等次要构件材质为Q235。拱肋钢管内灌注C60微膨胀自密实混凝土，拱圈外包C55补偿收缩钢筋混凝土，拱上共计11根墩柱，主桥共计三联（4孔一联）连续梁。主拱圈采用劲性骨架外包混凝土结构，主拱座基础采用水平桩+竖直桩方案，交界墩采用双柱式空心墩，全桥位于3‰直线纵坡上。如图1所示。

2 现有施工工艺存在的不足

通过广泛地调研国内钢拱桥钢拱肋主弦管对接焊接工艺工装的现状，发现主弦管焊接对接质量和施工过程安全受管理行为、施工工艺和施工工装等因素的影响十分密切，特别是主弦管焊接质量极易因管口错边或管缝过大等原因导致环口焊缝出现质量缺陷[2]。总结归纳目前钢拱桥钢拱肋主弦管对接焊接工艺工装，发现现有工艺工装存在着以下不足：

（1）刚拱肋主弦管对接精度要求非常高，多采用法兰连接匹配或管外码板临时固定的方式作为临时固结手段。整个安装过程需要大型起重设备或重型顶升设备的精密配合，主弦管的空间位置控制难度较大，特别是在水平方向精准调整主弦管位置时难度更大。

（2）针对钢管桁架拱多根主弦管同时在高空对位的复杂工况，往往要兼顾多个主弦管的同步对位，现有施工工艺极易发生有的主弦管已完成初步对外，但其他主弦管的位置偏差依然较大的情况，需要不断重复调整钢构件的空间位置才能确保多根主弦管的对位精准。

（3）现有施工工艺的钢拱架主弦管对位工序往往耗时较长，需要不同工种工人随时配合作业，工作效率较低，且长时间起重吊装作业存在较大安全风险。

3 钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置的结构构成

针对现有钢拱肋主弦管对接工艺存在要求精度高，易出现质量缺陷等问题，在建设各方的共同参与下，依托中铁上海工程局集团有限公司郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥开展了新型装置的研发工作，通过多次试验总结和分析调整后，最终稳定了加工和实施方案，并达到了预期使用功能[3]。

钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置由对接主弦管管节、匹配件、填板和定位螺栓组成。两个对接主弦管管节的相对接的管口外壁均相对应地焊接连接有多个匹配件，而匹配件沿对接主弦管管节的周向均布设置。每个匹配件包括焊接连接成一体的匹配板和两块支撑板，匹配板沿对接主弦管管节的径向面设置，两块支撑板分别垂直设置于匹配板的两侧。每块支撑板的一端与匹配板焊接连接，支撑板的另一端与对接主弦管管节的外壁焊接连接。相对应两个匹配件的匹配板之间设有填板，相对应的两个匹配件的匹配板及之间的填板通过定位螺栓紧固连接，如图2所示。为确保连接便捷，每个匹配件的匹配板上开设与定位螺栓相配合的腰型孔。每块填板上开设与定位螺栓相配合的螺栓孔，相对应两个匹配件的匹配板上的腰型孔的延伸方向相垂直，并且腰型孔的中心线相重合。填板可根据工艺要求调整厚度来调节两个对接主弦管管节的管口间隙。沿着每个对接主弦管管节周向均匀布设的四个匹配件，匹配件通过焊接连接的方式与管口外壁相连。其中的两个匹配件设置于管口的横向基准线上，另两个匹配件设置于管口的纵向基准线上。相对应两个匹配件的匹配板之间设有两块填板，相对应两个匹配件的匹配板和之间的两块填板通过两个定位螺栓紧固连接。每个匹配件的匹配板上开设有两个腰型孔，两个腰型孔以匹配件所在基准线为轴对称分布。同时，每块填板上相对应地开设有两个螺栓孔[4]。

4 钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置的使用方法

所有结构构件的尺寸及连接均需根据实际情况通过计算确定，以郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥主桥为例，钢拱肋拱轴线为悬链线造型，每个节段的空中倾角、姿态均不相同，单节段最大重量150t。钢拱肋节段现场吊装时，采用钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置进行拱肋节点高空定位精调施工，顺利地完成了拱肋节段的管口精调定位。其中，对接主弦管管节直径750mm，壁厚24mm，匹配板和支撑板厚24mm，填板厚24mm，定位螺栓采用8.8级M28的螺栓。具体操作流程如下：

（1）施工前，在钢拱肋节段加工厂内对匹配件进行预制和试拼装，每一匹配板和两块支撑板组合焊接构成一匹配件，每四个匹配件焊接在一对接主线管管节用于对接的管口的相应位置。

（2）在钢拱肋节段安装现场，两个对接主弦管管节吊装到高空后开始粗调定位，相对应两个匹配件的匹配板之间及时塞填板，利用定位螺栓进行紧固固定。

（3）定位螺栓紧固结束后立即对拱肋节段进行空间支撑，使其固定牢靠，空间支撑的方式一般采用支架法或斜拉扣挂法支撑。

（4）拱肋节段空间加固结束后随即启动管口精调作业程序。管口精调时，先松动定位螺栓，借用千斤顶或者手拉葫芦等外力装置对管口上下、左右进行精确调整，精确就位后，紧固定位螺栓进行固定。可根据工艺要求对填板的厚度调整来调节管口间隙。

（5）管口精调作业完成后，开始对未被钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置遮挡的管缝部位进行焊接作业，为降低因焊接过程中的温度变化对构件产生变形影响，焊接作业宜对称进行。

（6）对称解除钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置固定螺栓，并切割已解除固定螺栓的钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置，切割完成后立即对其遮挡的管缝部位进行焊接作业。为保证操作过程安全，并降低因焊接过程中的温度变化对构件产生变形影响，整套操作过程应对称进行。

（7）以上工序完成后，该作业内容全部完成，剩余作业内容重复以上步骤进行。

5 钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置使用后效果显著

采用自主研发的钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置后效果显著，与现有钢管拱肋的管口对接采用法兰连接匹配或管外码板临时固结的工艺相比，此种新型安装工艺工装具有结构简单，入门门槛低，便于拱肋节段高空对位，安装快速便捷等优点。特别适用于钢管桁架拱多根主弦管同时在高空对位的需要多维度精准控制的复杂施工工况。通过先进行粗对接方式，将对接管进行临时固定，为后续精准对接提供稳固的工作面。将填板引入该装置后，可以对管缝距离实现准确控制，为后续管缝对接焊接的质量提供了有力保障。再通过腰型孔垂直方向开孔的巧妙设计，能够实现随时对管口精准对位的双向调节的效果[5]。

钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置的投入使用，在实现了减少劳动力投入和显著提高了工作效率的目标的同时，还显著提升了钢管拱肋管口对接焊接的质量，提高了钢构件一次焊接合格率。大幅缩短了作业人员高空作业的时长，有效地降低了高空作业安全风险。综上，该新型装置具备大范围推广使用条件。

6 结语

在郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥施工过程中，由中铁上海工程局集团有限公司自主研发的钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置，获得了各参建单位的高度认可，在大幅提高施工安全的同时，也显著提升了钢拱肋主弦管对接的焊接质量，取得了显著的经济和社会效益。同时，该成果获得了国家实用新型发明专利（专利名称：一种钢拱肋主弦管外置式双向调节匹配装置，专利号：ZL 2020 2 2032363.7），在一定程度上也促进了我国钢拱桥的施工技术发展。