钢管混凝土拱桥法兰盘关键技术分析

介绍钢管混凝土拱桥内置式圆形法兰盘制作技术，依照节段线形设置工装管装配法兰盘，采用二氧化碳气体保护焊焊接加劲板，采取刚性固定法作为焊接过程的变形控制措施，增加一道机加工工序，将盘面铣平，达到彻底消除焊接变形的目的。

拱桥具有外观俊美、造价低廉的特点，被广泛应用于城市及公路桥梁中。钢管混凝土拱桥是拱桥家族中的最新代表；随着重庆巫山长江大桥、安徽太平湖大桥的相继建成，特别是跨径达５３０ｍ的合江长江一桥投入运营，钢管混凝土拱桥迎来了大发展。钢管混凝土拱桥施工可大致分为两大部分：第一部分为钢管拱肋的加工；第二部分为钢管拱肋的安装。连接这两部分的一个关键部件，就是节段接头。因此，钢管拱肋节段接头的制作精度，是拱肋安装精度的关键因素之一［１］。在以往的工程实践中，法兰盘的制作通常在拱肋拼装阶段采用刚性固定法与各杆件同时焊接完成，未采取其他的消除变形的措施，导致拱肋安装中法兰盘不密贴的情况。

１常用接头形式及存在的问题

１．１常用接头形式

钢管拱肋常用的接头有３种结构形式。第一种是外置式法兰盘，沿管四周对称布置；法兰面为矩形，通过加劲板与管外壁相连，各部件通过焊缝连接在一起；节段安装时，通过高强螺栓连接。第二种是内置式圆形法兰，沿法兰周圈均匀布置连接劲板（通常为８块），并与管内壁相连，连接方式为焊接；节段安装时，通过高强螺栓连接。第三种是内插式，即在管内沿轴线均匀布置加劲板；加劲板固定端焊接，安装段不焊接；安装时，将加劲板插入管内实现定位，再焊接环缝。内置式圆形法兰由于刚度大，安装方便，被广泛利用。

１．２存在的问题

法兰盘是重要的传力部件，受力复杂，除传递轴向力外还承受弯矩作用，因此，盘面、加劲板均采用厚板，接头焊缝增大，焊接变形相应增大。由于焊接变形的客观存在，节段安装时，导致轴线偏差较大。为纠正偏差，通常在法兰盘处加垫片以调整拱轴线，这是极其危险的方式。法兰盘设计之初，以均布受力进行设计，加垫片后，变为集中受力，是否存在偏心受压、受压区区域均无法准确判断。造成法兰盘间加垫片的原因是多方面的，而法兰结构的精度控制是主要原因之一。

２制作工艺

法兰接头的加工工艺流程见图１。

２．１放样、下料、钻孔

采用计算机三维放样技术，对法兰盘各部件进行准确放样，绘制各零件详图作为下料套图及数控编程的依据。放样时应预留制作和安装时的焊接收缩补偿量和加工余量。特别注意，法兰盘面板应采用厚板（满足Ｚ向力学性能要求），比设计值厚度大５ｍｍ以上，便于后期的变形消除。下料前核对钢板的牌号、规格，检查表面质量；采用数控等离子切割机进行下料；按照焊接工艺，对加劲板进行开坡口。法兰盘面板下料完成后，两两进行匹配，保证内圆对齐，在外侧点焊固定；在匹配后的面板放出栓孔点，进行钻孔；孔径、孔壁垂直度偏差应符合《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》的要求。

２．２装配

利用两节未拼装的主弦管筒节作为法兰盘装配的工具模管［２］。模管壁厚应与实际节段弦管壁厚一致。将管轴线、边线、弦管端面垂线、法兰盘平面线、法兰盘检查线按１∶１比例在平整地面上进行放样，搭设稳固的水平胎架。将两节模管置于胎架上，利用地面检查线进行定位，以通过调整模管的相对位置模拟不同节段间的弧度。在模管间安装法兰盘及加劲板，法兰盘面应与地面平面线绝对垂直，采用激光经纬仪进行检查，确认无误后点焊固定。装配完成后，应进行线形的检查，并在法兰内弧、外弧两侧侧面标记检查线，标明内外弧方向；将法兰盘编号、拱顶拱脚方向标记于两端的加劲板上。

３消除焊接变形

常用的焊接变形消除方法主要有反变形法和刚性固定法［３］。这两种方法消除变形的效果是相对的，两者可相互组合使用，以达到最佳的效果。拱桥法兰盘的特点：盘面为圆形，加劲板沿四周均匀布置，径厚比小。若采用反变形的补偿方式，操作困难；而它的对称性及径厚比小的特点，恰好是应用刚性固定法的最佳条件。刚性固定法在一定程度上消除了焊接变形，但残余的变形仍然不能满足密贴率大于８０％的要求。因此，增加一道机械加工的工序，将盘面变形彻底消除。

３．１刚性固定

法兰盘下料完成后，两两配对，以内圆为参照，上下对齐，在外缘贴缝处点焊固定，内缘四周加竖向加劲板将上下两法兰盘焊接固定，最后加长外缘的焊缝。完成两法兰盘的刚性固定后，进行钻孔、装配加劲板等工序。法兰盘加劲板焊接采用二氧化碳气体保护焊药芯焊丝；焊接前，采用型钢将两端的加劲板连接为一个整体，以纵、横对称为原则，先完成加劲板单侧焊接，再反面碳弧气刨清根，焊接另一侧。焊接完成后，严禁采取任何快速降温措施，使其自然冷却，２４ｈ后进行超声波探伤，合格后送存梁区存放；一周后，将固定法兰盘的焊缝、加劲板切除，完成第一阶段的焊接变形消除。

３．２机械加工

法兰盘与加劲板间为全熔透焊缝，采取焊接过程的变形措施后，仍存在轻微变形；主拱肋的拱轴线是一根空间曲线，每一个法兰盘均有相对应的角度，因此焊接变形后的法兰盘不宜采取冷矫正的方法，最佳方式为机械加工。将法兰盘置于铣床上，以装配标记线为基面，将盘面铣平，平整度要求小于０．２ｍｍ。

４结语

合江长江一桥主拱肋跨径为５３０ｍ，分１８节段安装，全桥共计６４对法兰盘。节段安装过程快速，定位准确，线形顺畅，每一法兰盘均准确对位。采用０．２ｍｍ的塞尺检查盘面密贴情况，全桥６４对法兰盘，密贴率均大于９０％，取得良好效果。见图３。

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