1.前言

近几年，钢管混凝土拱桥由于其造价低廉，外形美观等优点，在我国得到了越来越多的应用。合江长江大桥为一座由钢管混凝土系杆拱桥，跨度达500余米，其钢管拱由钢厂预制，在桥址处采用钢索吊起，再采用斜拉扣挂的方法进行施工。因斜拉扣挂法的施工特点，拱段间的临时连接需要使用法兰盘进行。法兰盘需要做到密贴传力，受轴力和弯矩都较大，同时法兰盘安装角度直接决定拱肋线型精度。所以法兰盘的制造和安装精度控制在钢管混凝土拱肋制造中起到决定性的影响，需要特别关注。

2.传统法兰盘制造技术存在的问题

广西路桥在其承建的合江一桥中设计了一种高精度的法兰盘制造方案，利用一组样管模拟拱肋连接位置的实际结构角度，在样管内部进行一对法兰盘各组件的定位、焊接。定位和焊接前先将两片法兰使用螺栓连接，焊接后拆分两个组件，分别对贴合面进行铣削的方式确保贴合面平面度，可以实现法兰盘的高精度制造和安装^[1]。

但本项目中，必须使用与管道规格一致的样品管道做副定位工装，并按照钢管钢管的实际生产情况对两个样品管道进行校正。为了保证样品管道的倾斜角不变，将样品管道焊接到工作台上。通过螺栓和定位焊接将两个凸缘和凸筋组件安装到已调试好的样品管道上，组装时要对法兰组件的相对位置和垂直度等重要指标进行测试。在此之前，就可以进行焊接了，焊好的法兰要单独编号。已有号码的法兰组合会在以后固定的钢桁条上进行装配，不能混合使用。对单个法兰拼装也要标明拱肋的内外弧方向，拱肋顶部和底部的方向，便于在施工中确定方位。

每个角8对法兰组装件加工完毕，样品管样要按照下一节段的实际角度对其进行角度调节，并用焊接方法将其再次安装到台架上。在组装法兰时，加强筋也需要和样品管道的内部进行焊接，以确保法兰总成中各个部件之间的相对位置。每个钢管的节段定位都要对样板钢管进行再调整，耗时较长。而角度调节和编号规则的繁琐，给法兰装配件的质量管理带来了困难。

由于对法兰经定位焊接、拆卸定位焊接和外部定位焊接等的反复加热，样品管发生了变形，其尺寸精度已不能满足法兰组装工件的要求。样品管道在制作3-4节时，必须重新安装一对新的。并且经过多次焊接，拆卸后样品管的尺寸精度和物理性能都会有很大的降低，不适用于生产。

所以该方案制造效率较低，样管材料消耗较多。

3.法兰盘新型制造工艺

3.1法兰盘规格标准化

在传统设计中，因为大跨径钢管混凝土拱桥的拱肋线型绝大多数选用悬链线，各位置的曲率半径不是恒定值，所以每个拱肋接头位置的角度会有差别。安装在拱肋分段位置的法兰盘轴线应与拱肋对应位置轴线的切线对齐，导致理论上每一对法兰盘组件的尺寸均有轻微差异。

实际制造过程中考虑曲线钢管加工难度较高，热煨法加工的曲线钢管残余应力较大、热煨加工的温度可能会降低钢管物理性能。为了达到接近悬链线的目的，一般都是以直代曲的方法。通常，钢管混凝土拱桥的实际中心轴线与理论轴线之间的误差不超过30mm。经计算，本桥在直径7m以内，其理论计算值与原设计值相差不大于30mm。

在此基础上，结合法兰组合体的结构特点，结合实际使用情况，对相邻节段端部的拱肋结构作了微调。由于原设计中相邻节段的拱肋主管间有微小的角度，故将其调整为共轴。由于法兰总成的轴和主管轴是共轴的，因此这种改变可以使两个法兰总成共轴。这样法兰上的小差别就消失了，法兰后面的肋条也是对称的，整座桥的法兰都可以按照标准来制作。

理论零件尺寸装配示意

修改后主管同轴装配示意

3.2法兰盘装配工装设计

法兰组件通过拱肋主管角度的细微调整实现了标准化，为方便法兰组件尺寸控制，设计了一套专用工装辅助法兰组件制造。针对法兰总成的结构特征，进行了法兰面加工工装设计，如图3.2-1。中间的定位是法兰的定位，外部的是对凸筋的辅助定位。在法兰圆盘的圆周上，在肋板的外面划出了安装定位线，从而保证了加强筋的高精度对准。

本工装为开式工装，对法兰部件的组装十分方便。前一个工程中所使用的样品管道是封闭的，操作者必须在样品管道中钻孔，然后再将其组装，焊接在一起。开放式工位在提高工作效率的同时，也能提高员工的工作舒适性。

法兰制造工装

3.3法兰盘余量预留、装配与焊接

在法兰加工工装设计中，要综合考虑法兰组合体各个方向的余度，并按增量后的尺寸进行设计。下面的图表显示了法兰组件的容差的增长。贴合面厚度余量布置可以补偿钢板不平度和肋板焊接导致的不平度；内孔直径余量用于补偿数控火焰切割的偏差。

根据实际测量，直径648mm、厚度40mm的法兰盘切割后的初始不平度最大可达3mm，考虑焊接变形，厚度方向增加了6mm铣面余量。内孔使用数控火焰切割机切割后的直径、切割面倾斜最大偏差约2mm，半径方向增加5mm切割余量。

将法兰盘和肋板按顺序排列，使其与模具平台上的定位线对准。对凸缘和肋板进行定位焊接。利用固定螺钉和工艺螺栓将凸缘固定到平台上，从而实现了凸肋和凸缘的焊接。通过螺纹连接提供张力，减少了凸缘的焊接变形，通过测量发现，法兰装配焊后接合表面的平面度误差最大不大于3毫米，因为焊接导致的变形很少，证明采用螺钉和螺母的安装方法能够显著减少凸缘的变形，并且在厚度方向增加6毫米的余量能够满足需要。

各法兰组装铣后的实际平面度误差在0.08毫米左右。法兰总成的铣削和钻孔后的施工工艺用螺栓紧固法兰总成，用0.2mm的塞尺检查粘接表面的缝隙，安装之前法兰能达到100%的密封。

法兰组件装配与焊接

3.4法兰盘安装与效果验证

将相邻的主管和法兰总成调整为同轴，法兰总成在不需要法兰编号的情况下，达到了同一管径的100%更换。在厂房内进行连续卧拼节段时，在安装拱肋主管前，应先将法兰置于拱肋主管内。当4节拱肋安装完毕，经检查，线形符合要求后，将法兰端移至与地面样线平行的位置。完成了法兰筋与拱肋总管的焊接，尽管这一次的焊接仍会对法兰贴合产生一定的影响，但是由于有过程螺栓的限制，所以不会出现这种情况。在实际焊接后，用0.2mm塞尺进行贴合度检验，可达95%以上的贴合度。达到了设计及应用的要求。

4.结束语

笔者研究了现有钢管混凝土拱桥临时连接法兰的制造方法，发现样管法可以有效保证法兰组件的制造和安装精度。但也存在法兰组件无法标准化、外形差异小辨识困难、工装材料消耗大、作业效率低、作业环境差的问题。笔者通过合江长江三桥项目，分析了拱肋悬链线曲线与制造允许偏差，将节段分界位置两侧邻近的主管修改为同轴，实现了全桥法兰组件的规格统一。在法兰组件标准化后为其制造设计了专用工位，实现装配防呆效果。最终在合江长江三桥拱肋安装过程检验了全新的法兰组件安装精度完全可以满足设计要求。全新的法兰组件制造方法节约大量工装材料的浪费，同时组件标准化、可替换完全避免了近似尺寸组件使用错误的风险。可以为后续类似钢管混凝土拱桥的制造提供参考。

参考文献

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