趙 星

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

1 工程概況

美國新海灣大橋由美國著名的林同炎事務所設計，能抗8級地震，每天可通過30萬輛車。該大橋由塔、鋼梁兩部分組成。鋼橋塔的高度為148 m，約1.3萬t重，采用了單塔自錨新技術。鋼橋塔部分由4根五邊形的變截面鋼柱和120個連接橫梁組成，其中板厚最大達到100 mm，其制作難點在于結構形式復雜、分段重量重、厚板焊接難度大、塔的垂直度要求高。主橋鋼箱梁長約605 m，寬70 m，高5.5 m，在世界同類型橋梁中其設計結構形式及規(guī)模均為第一。鋼箱梁主要分東線、西線和聯(lián)系橫梁三部分，連接方式為栓焊連接，總重量約為3萬t。

2 鋼塔制作

鋼塔在制作過程中分5段，每個段由4根五邊形鋼柱組成，其中最長一段47.175 m。總體制作方案為：板單元制作→節(jié)段拼裝、焊接→節(jié)段翻身、焊接→節(jié)段測量劃線→節(jié)段端面機加工→相鄰節(jié)段試拼裝→測量、劃線、制孔→橋塔總裝。

板單元是鋼橋塔的主要劃分單元，對鋼橋塔箱體的制作精度有直接的影響。板單元制作基本工藝如下所述，允許偏差見表1。

表1 板單元制作允許偏差

1)面板拼接：將面板鋪放在胎架上，用卡碼將面板與胎架固定并保持與胎架緊密貼合進行裝配，然后利用多次翻身焊接控制焊接引起的角變形。

2)縱向加勁板拼接：由于縱向加勁板窄而長，拼接時利用卡碼和限位塊將縱向加勁板與胎架固定并保持與胎架緊密貼合進行裝配，然后利用多次翻身焊接控制焊接變形。

3)縱向加勁板在面板上的定位焊接：縱向加勁板在面板上的裝配位置直接影響到該加勁板與橫隔板的裝配要求，為了滿足裝配要求，加勁板在面板上的裝配位置使用劃線機整體數(shù)控劃線，使其直線度偏差≤2 mm；縱向加勁板的焊接涉及到CJP、PJP焊縫的焊接，為了控制焊接變形，焊接時采用了分段、間隔及對稱焊接的方法，使縱向加勁板垂直度偏差≤2 mm。

為了保證鋼塔制作整體成型進度、減少人為誤差，在鋼塔制作過程中引進劃線新技術：劃線機數(shù)控劃線[1]。經討論，選擇厚板斜勢檢驗線為長度方向基準線進行劃線，保證厚板、薄板實際板寬與理論值相同。其中A面?zhèn)葯M隔板槽口與板單元縱向加勁板的裝配要求較高，根據(jù)圖紙要求此處需緊密貼合，保持“0”的裝配間隙，根據(jù)這一要求結合實際生產設備的能力，在數(shù)控劃線時將此處的縱向加勁板裝配線各向貼合面的反面移動了2 mm，劃線完畢檢驗發(fā)現(xiàn)劃線的偏差都在2 mm內，保證了兩者之間的合理裝配。

美國橋鋼橋塔全部由厚板焊接成型，橫斷面由A、B、C、D、E五個面組成五邊形。五個面板單元在寬度方向上除A面由相同厚度的鋼板拼接成型、縱向加勁板沿中心線對稱布置外，其余面的板單元均由厚薄板對接組成，且縱向加勁板為非對稱布置，其中B、C、E面的縱向加勁板的數(shù)量隨板單元寬度變化而變化。在鋼橋塔89 m標高位置，C面、D面板單元向塔身內側折彎，角度分別為1°和2°。根據(jù)合同要求鋼橋塔制作精度非常高，具體偏差見表2。

表2 橋塔制作允許偏差

3 鋼橋塔最終成型精度的影響因素

3.1 焊接收縮對裝配的影響

焊接收縮是影響塔體裝配精度的最主要因素之一[2]。由于板單元劃分在縱向較大，同時包括橫隔板焊接、縱向加勁板焊接及火工校正板單元平整度和旁彎度時都會產生一定的收縮，因此縱向收縮量也最大。而制作情況的不同，收縮量也會不一致，在實際裝配時隔板的實際標高與設計標高會不一致，也將導致各塔體同層隔板的位置不一致。為解決這一問題，采取兩種措施：①預留收縮量，使得面板焊接收縮后盡量與理論尺寸接近；②鋼塔整體以一根塔柱的A面板作為基準，通過地面堆焊來調整隔板位置，在個別有較大偏差無法調整到位的隔板位置則通過橫梁修正。

面板寬度方向的焊接收縮。從第一吊裝段東南塔的制作情況來看，焊接收縮對面板寬度方向的影響很小，甚至可以忽略不計。因此，面板制作時寬度的控制就顯得尤為重要，寬度過寬會造成裝配后面板間產生錯邊，寬度過窄則會造成裝配后面板間間隙過大。

由于縱向收縮后，各層隔板之間的相對位置隨之產生變化，導致橫梁安裝時無法匹配，因此，對于橫梁采用后孔法進行制孔，即先測量板單元制作后的實際尺寸，再在橫梁相對位置上使用仿形切割加工橫梁孔。

3.2 面板平整度及旁彎對裝配的影響

1)面板的平整度對隔板及相鄰面板裝配間隙有較大的影響。因為A、E面是基準，直接影響到其余各面的裝配，因此，又以A、E面的平整最為重要。鑒于板單元縱向分段較長，在縱向方向上的變形可使用千斤頂調整，而橫向方向的變形較難校正，因此，應采取措施降低橫向變形，尤其是對隔板裝配有直接影響的隔板位置。

為降低板單元焊接后?；鸬墓ぷ髁浚诎鍐卧附訒r使用了船型工裝胎架，即采用反變形工藝以降低板單元的變形量。而反變形量的大小與板單元的寬度及加勁板的焊接量有關，對于劃分寬度較小的板單元因反變形控制較困難，在焊接完成后仍需火工進行校正以確保其平整度。

2)相鄰面板的裝配精度也受面板旁彎度的影響。尤其是使用厚薄鋼板對接的面板，因為板對接時受熱量的影響，厚板與薄板產生的收縮量不同，再加上縱向加勁板的焊接影響，面板的旁彎現(xiàn)象會更明顯。經過分析與試驗制作了80°的工裝胎架，然后在厚板側放置電加熱板，使用電加熱的方法校正，最終取得了良好的效果。

由于旁彎校正會引起板單元長度方向的收縮，因此，在縱向加勁的施焊過程中也采取了一些措施，盡量減小由于縱向加勁施焊產生的旁彎。比如縱向加勁間隔施焊、每次焊接坡口深度的1/3、焊接時厚板側放置加熱板等。

3.3 縱向加勁裝配位置及垂直度對裝配的影響

這兩者影響的都是縱向加勁是否能夠順利插入隔板槽口中，尤其是A、E面與隔板槽口貼合處的縱向加勁。因此，縱向加勁施焊前后都需要對其位置、開檔和垂直度進行測量檢查。隔板處以及上下端部縱向加勁的垂直度控制在2 mm以內，且不得向隔板槽口貼合面傾斜。在裝配E面板之前，還需測量隔板E側槽口貼合面到A面板的距離L1、L2和E面板A側面到與槽口貼合面縱向加勁的距離L1′、L2′，比較兩個值的大小判斷縱向加勁是否會出現(xiàn)與隔板槽口干涉或間隙較大的現(xiàn)象，從而事先對隔板槽口進行打磨或堆焊。

為保證縱向加勁與隔板順利裝配，數(shù)控劃線時橫梁孔兩側的縱向加勁各向外偏移2 mm，并在施焊時采取PJP焊縫對稱施焊和CJP焊縫翻身焊接減小縱向加勁垂直度偏差的措施。

3.4 隔板對裝配的影響

1)隔板的外形尺寸：隔板是箱型塔柱的骨架，其外形即控制塔柱成型后的線形，因此，采用整體機加工方式以確保其外形尺寸滿足精度要求。

2)隔板槽口的定位尺寸：橫隔板的開口位置精度決定了面板縱向加勁板與之裝配間隙的大小，若偏差較大，縱向加勁板甚至可能無法通過，或裝配間隙差增加了焊接工作量及探傷要求。因此，設計要求槽口與縱向加勁貼合的A、E面也采用了機加工方式，同時也采取了加大3 mm槽口貼合面及外移2 mm縱向加勁的工藝措施，理論上式裝配間隙達到了5 mm，確保了其順利裝配并滿足了精度要求。

3)隔板的平整度：如果隔板平整度未達到標準，則安裝后與面板的裝配間隙將超差，從而影響焊接后的塔柱成型，因此，隔板安裝之前必須進行平整度檢驗并校正。

3.5 其他方面對裝配的影響

1)D面縱向加勁上小蓋板與隔板腹板裝配。安裝前分別測量D面板上小蓋板的高度和隔板腹板到隔板D側面的距離，分析D面板裝配后隔板腹板是否會與D面板上的小蓋板干涉，如有干涉對隔板腹板進行打磨。

2)面板厚薄板過渡處對裝配的影響。面板吊裝前分別測量相鄰面板控制線到厚薄板過渡處的距離，檢查是否會由于錯位過多而引起裝配干涉或間隙過大的情況，事先進行調整。

3)考慮到縱向加勁整體焊縫較長焊接采用了分段、間隔及對稱焊接的方法，從而控制了縱向加勁垂直度問題。

4)板單元的外形尺寸將直接影響五面成型尺寸，由于焊接的過程中存在著大量的焊接從而導致面板單元的旁彎和收縮，解決這一難題將對五面成形起到至關重要的作用。

(1)板單元施焊后的旁彎。由于A面板縱向加勁的分布比較對稱，焊接后變形較小，其他四塊面板的縱向加勁分布不均勻且都在薄板上，因此，縱向加勁焊接對面板產生了較大的旁彎值，焊接后便產生了向厚板側凸起的旁彎(最大處達到30～40 mm)。

針對旁彎較大這一狀況，對焊接工藝進行修改，改為PJP焊縫施焊1/3后施焊CJP焊縫，最后將剩余的2/3 PJP焊縫施焊完成，施焊時在板旁彎凸起最高點使用千斤頂施加外力，從而減小旁彎。同時將板單元放置在80°胎架上，旁彎凸起側放置加熱板，利用電加熱及板單元本身自重校正其旁彎。此外在板單元焊接過程中，在厚板側放置加熱板也能有效減小焊接引起的旁彎，可以減少焊后的校正工作。通過對原方案進行改進，發(fā)現(xiàn)面板的旁彎值得到了很大程度上的改善，旁彎值基本上控制在10 mm以內，到達了預期的效果。

(2)焊接收縮問題。由于塔柱變截面的特性，板單元成型后無法設置焊接收縮余量完全為圖紙理論尺寸。板單元焊接完成后都有不同程度的收縮，另外由于校核等因素對板單元的收縮影響甚大。

在項目實施過程中，南塔第一吊裝段E面板整體拼板結束后，長度比理論尺寸短了18 mm，之后的縱向加勁焊接每一階段面板長度都有一定的收縮。為了減少焊接收縮、保證雙層隔板標高，在后續(xù)板單元制作過程中改進了制作工藝，其中A、E面板單元橫隔板穿越孔待板單元制作完成后再進行手工開制，另外鋼塔整體焊接收縮量，通過設計方修改圖紙將收縮補償量統(tǒng)一增加至第三吊裝段中。

由于單塔重量為1 300 t，在此豎立吊裝過程中塔柱底部作為豎立翻轉支點受力將達到650 t，并將部分重力傳遞至底部斜平臺上，但其與碼頭表面之間只有局部位置接觸，這樣碼頭單位面積所能承載的壓力將超過碼頭的極限載荷，考慮到碼頭的承載能力，為解決平臺底部與碼頭表面不能大面積接觸的問題，利用木板的可壓縮性創(chuàng)造性地在斜平臺底部與碼頭面之間增加木質墊板，保證在平臺受力后木質墊板與碼頭表面和平臺之間緊密貼合，這樣不僅可以改善塔柱和碼頭的受力情況，而且增大了平臺與碼頭之間的摩擦力，從而避免了碼頭因局部超載而損毀進而引發(fā)塔柱傾覆安全事故；防止塔柱在豎立吊裝過程中因產生的側向力而導致的平臺滑移等安全事故。

避免塔柱在豎立吊裝過程中胎架作為支點時，所受的側向力而導致胎架移位等安全事故的發(fā)生，要求塔柱下降至底部加強位置直接與平臺上的枕木接觸，其他位置尾部兩組胎架上均增加高度為240 mm的方木，在豎立起吊時塔柱底部直接作為支點與斜平臺上的枕木接觸。為了便于塔柱在吊起后依照底板的位置對塔柱進行繞軸線轉動調整，采用浮吊單鉤起吊，不僅解決了塔柱與底板裝配所需要的轉動調整，而且可以通過吊鉤的傾斜來矯正塔柱由于重心位置而造成的偏斜問題；由于塔柱在豎立吊裝過程中，鉤頭起升的運動軌跡為以支點為圓心，支點到吊鉤的長度為半徑的一個圓弧，因此，在起升過程中需要實時調整浮吊的位置以保證吊鉤的投影與吊點基本重合。

4 主要成果

1)采用多次翻身來控制厚板的焊接變形，且創(chuàng)新設計了塔柱翻身工裝，利用圓環(huán)將不對稱五面體塔柱套入，可360°旋轉，實現(xiàn)了焊縫對稱施焊和控制了焊接變形。

2)采用了標準段工裝，保證了相鄰兩個變截面塔柱上下栓接截面都滿足技術要求，同時大膽使用四氟滑塊成功將1 300 t重的塔柱在車間內進行移位。

3)獨創(chuàng)門式多頭自動埋弧橫焊技術及大直徑螺栓側焊技術，創(chuàng)新編制了U肋板單元制作流程，使板單元熔深和平整度都能達到技術要求。

4)引進了先進的折彎模具，使鋼箱梁特有的單圓弧U肋一次成型。整理了一套成熟的鋼塔和鋼箱梁成型工藝，使每個節(jié)點都能進行精確控制，保證了鋼塔和箱梁的總裝質量。其中的U肋自動埋弧橫焊技術、大直徑螺栓側焊技術等填補了國內空白，同時U肋板單元制作工藝已被中國鋼結構協(xié)會錄用。

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