东海大桥上部直缝钢管桩施工技术研究

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    东海大桥（中国第一跨海大桥）是上海国际航运中心洋山深水港一期工程的一个重要项目。它起始于上海南汇芦潮港，跨越杭州湾，直达浙江嵊泗小洋山岛，是连接港区和芦潮港陆地的海上通道。
    大桥使用抗弯能力强、承载能力高的Φ1500钢管桩。此批钢管桩约5000余根计25万吨的工程量。大桥钢管桩由上下两部分组合而成，上部为直缝卷板钢管，下部为螺旋钢管。上部直缝钢管桩的技术规格参数如下：外直径Φ1500mm；厚度25mm；长度30m（工厂制造长度15m，分2节出厂）；重量约28.4t（30m）；材质Q345C（σb≥510MPa；σs≥345MPa）。本文重点对于上部直缝钢管桩（以下简称管桩）的施工技术的研究进行论述。
    一.施工难点
    管桩具有施工生产周期短、生产效率和质量要求高的特点，因此，整个管桩生产必须进行工厂化流水作业，高效、优质生产的理念须渗透到每道工序。管桩生产几个重点工序的控制就成为施工的难点。主要为：管桩单节制造的圆度控制；管桩整体拼接后的直线度控制；管桩所有纵、环焊缝实现自动焊；管桩焊缝保持高的无损检测合格率。
    二.技术研究
    1、预弯、成型工艺
    预弯工艺
    为了最大限度地减少整根管桩的焊缝，管桩采用3m板宽钢板进行生产。而达到3m宽度卷制的设备一般为40mm卷板机，其工作能力是满足厚度40mm、直径1600mm、宽度3000mm、材质为Q235管子的卷制。
    卷板机的各项工艺参数如下：上辊直径Φ540mm，下辊直径Φ440mm，下辊中心距600mm，满载时最小卷筒直径T40*B3000*Φ1600（σs≤260MPa）。
    已知：σs1=235、b1=3000、D1=1600、S1=40mm
    σs2=345、b2=3000、D2=1500-2*25=1400，且a2=c2，Ko1= Ko1。
    求：S2
    解：S2=31.7mm≥25mm
    S2*60%=31.7mm*60%=19.1mm＜25mm
    根据计算，卷板机能进行管桩的卷板工作，但是若在此卷板机上用垫板预弯板端时，只能使用其最大能力的60%。即不能利用此卷板机进行管桩的预弯工序。
    为解决预弯问题，我们提出采用压模法进行预弯成型。根据Q345C材料性能特点，经过了多次试验，我们确定模具回弹量为7%，且规定板端预弯中心间隔移动距离为50mm，以确保曲率一致性。批量生产后，用选长为300mm的样板对预弯曲率检查，都能满足0.5mm以下的质量要求。
    成型工艺
    对于1500mm直径的管子而言，其下压行程约为47.6mm，考虑到管桩生产批量特大，在综合考虑成型质量和生产产量的因素后，决定将每节管子的下压行程分为6-8次进行，即每次下压行程控制在6-8mm之内，这样既保证了每天的产量，成型后的管桩圆度也达到了5mm的要求。
    2、总装工艺
    总装是保证管桩直线度的关键。通常的总装工艺一般以两根小口径钢管为基准，但管桩长度为15m，若仍要用此法，须将2-3根小口径管拼接才能满足总装长度要求，而作为基准管本身拼接的话其基准的准确性就有所下降，且由于小口径管就地安置，调整管节错边也比较困难。
    为保证管桩直线度控制在10mm以内，而且方便相邻管节的错边调整，我们设计了一套全新的总装模具，管桩15m长，有5节管子组合。我们选用了10块基准板，每2块基准板支撑1节管子，基准板制作时采用水平仪找准，然后采用统一圆规切割三点基准圆弧。如此，基准直线度就有了可靠保证，而且由于相邻两块基准板之间留有足够的间隙，错边调整也有了足够的操作空间。采用此种方法进行总装配，管桩的直线度以及错边都得到了很好的控制。
    3、焊缝埋弧自动焊接工艺
    所有焊缝实现埋弧自动焊接主要分成四个方面：内纵缝；外纵缝；内环缝，外环缝。管子内直径较大，焊接机头能全部伸入管子内部进行焊接操作，因此，上述四方面中最难以实现的就是内环缝。
    按通常卷管看，板宽1800mm，5节总长9000mm，5000mm伸臂的普通焊接机架已完全能够满足从管端向内第2道内环缝的焊接要求。但对于总长为15000mm的管桩，普通的焊接机架就只能完成管桩从管端向内第1道内环缝的自动焊接要求，对于从管端向内第2道内环缝也就鞭长莫及了。我们巧妙地对总装工艺进行调整，将总长为15000mm的管桩分成2节一段和3节一段，分别全部完成自动焊后，再将2节一段和3节一段进行装配；同时我们又对普通的焊接机架进行改造，在原伸臂的基础上增加一段15000mm接长段，将焊接机头转移到接长臂上，这样最后2节一段和3节一段的总装内环缝的自动焊接也就迎刃而解了。
    4、焊接工艺
    管桩按一根30m长度计，纵向焊缝长度30m，环向焊缝长度37.7m，焊缝小计总长为67.7m。管桩的无损检测要求是100%超声波检测（UT）+≥5%射线检测（RT），即UT的长度为67.7m，RT的长度为3. 385m计36张X光片子，管桩不仅无损检测覆盖面广而且级别要求也高，均要满足Ⅱ级合格。
    通常25mm的钢板要满足100%无损检测要求。采用双面坡口型式，大坡口深度约为总厚度一半，大坡口角度55°，钝边约5mm，小坡口角度65°；大坡口正面先焊接时焊缝的熔深仍能留下1-2mm的钝边，不会将其全部焊穿，反面清根时，利用5mm碳棒，在小坡口侧将正面焊缝根部全部去处，并进行砂轮打磨，彻底清除渗碳层，最后进行反面的焊接。如此工艺即能保证100%无损检测的要求。但较为复杂的工艺也就不会有高的生产功效。
    管桩的生产要求优质高效，为了满足和体现这一生产理念，我们对于常规工艺进行了改进，大坡口深度由13mm提高为15mm，坡口角度不变，钝边留10mm，这样钢板的下料过程也就由原来的切割直边、大坡口、小坡口3个工序时段缩短为切割直边、大坡口2个工序时段，下料工序缩短工时33%，正面大坡口焊接完成进行反面清根时，利用10mm的碳棒，清除深度刚好到达正面的焊接根部，反面焊接时利用自动焊大电流熔深消除正面焊接根部可能存在的一些缺陷，反面清根的深度较原工艺浅，采用10mm的碳棒当然也比采用5mm碳棒清根工时缩短，而且反面小坡口侧焊缝金属填充量也大大减少，反面小坡口焊接工时又可缩短。总工时较原工艺有较大减少，但100%的无损检测要求还是能得以有效保证。
    上海市安装工程有限公司压力容器制造厂承担东海大桥管桩生产任务，经建设指挥单位和监理单位全过程跟踪和随机检查，管桩质量稳定，产量稳步提高。8个月累计完成管桩1805根（按照30m为一根统计），无损检测一次合格率分别达到超声波检测（UT）99.8%、射线检测（RT）97.5%。获得建设指挥单位和监理单位一致肯定。
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