摘要 文章以張靖皋長江大橋南航道橋?yàn)檠芯繉ο?，針對制造過程中工件易產(chǎn)生變形、制造線形及精度難控制、大節(jié)段測量難度大等難點(diǎn)，對超高塔鋼塔制造工藝進(jìn)行分析研究，結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新，通過優(yōu)化制造工藝過程、提高測量手段等措施確保制造質(zhì)量，并通過工程驗(yàn)證其制造工藝的可行性，確保了工程質(zhì)量，為此類結(jié)構(gòu)鋼塔的制造提供參考。

關(guān)鍵詞 組合鋼塔；制造工藝；線形控制；立體拼裝

中圖分類號 U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）15-0084-03

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，跨越江海大橋的跨度、鋼橋塔的高度和結(jié)構(gòu)形式都出現(xiàn)了很多創(chuàng)新，張皋塔采用超高鋼管混凝土組合鋼塔結(jié)構(gòu)，在滿足大跨度的懸索橋設(shè)計(jì)條件下更加經(jīng)濟(jì)合理。而如何在加工制作過程中確保精度，控制好整個(gè)超高塔的制造線形是能否順利完成橋位高精度安裝的關(guān)鍵。

1 工程概況

張靖皋長江大橋位于長江下游，經(jīng)張家港、如皋和靖江境內(nèi)跨越長江，全長約7.9 km，其中南航道橋采用橋跨為2 300+717=3 017 m 的雙塔雙跨鋼箱梁懸索橋。南航道橋主塔設(shè)三道鋼橫梁，分上塔柱、中塔柱、下塔柱，均采用“ 鋼－混” 組合結(jié)構(gòu)。南航道主塔設(shè)計(jì)塔高350 m，外輪廓采用矩形帶凹槽結(jié)構(gòu)形式，中間設(shè)圓曲線過渡，鋼箱內(nèi)設(shè)4 根直徑3.6 m 鋼管約束混凝土柱，通過腹板、橫隔板與鋼箱形成整體，如圖1 所示。為確保橋位吊裝順利進(jìn)行，節(jié)段加工過程中的制造線形控制、節(jié)段端面金屬接觸率是該項(xiàng)目制造精度控制的核心[1]。

2 張靖皋組合鋼塔制造工藝難點(diǎn)分析

塔柱高、塔柱結(jié)構(gòu)斷面大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且塔身采用鋼箱－鋼管混凝土約束組合體系，截面設(shè)計(jì)為多室異形結(jié)構(gòu)，單個(gè)節(jié)段重量大，孔群連接多，安裝精度要求更高。該文通過分析項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及近年來相似結(jié)構(gòu)的制造經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合設(shè)備、場地等條件，總結(jié)出項(xiàng)目的重點(diǎn)（關(guān)鍵）和難點(diǎn)為以下幾個(gè)方面：

（1）鋼塔板單元制造工藝。

（2）大直徑鋼管制作工藝。

（3）鋼塔節(jié)段拼裝工藝。

（4）大斷面鋼塔節(jié)段端面機(jī)加工工藝。

（5）鋼塔柱立式預(yù)拼裝。在鋼塔制造過程中，應(yīng)制定經(jīng)濟(jì)合理的板單元、塊體劃分及拼裝方案，在減少焊接量的同時(shí)控制焊接變形[2]。

其中，精度控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下：

（1）受到現(xiàn)場安裝能力、工廠內(nèi)加工生產(chǎn)內(nèi)起吊能力、廠內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)尺寸等條件的限制，合理進(jìn)行鋼塔節(jié)段劃分。

（2）外壁板單元和腹板單元是控制塔柱空間尺寸、塔身平面度和垂直度的基礎(chǔ)，要求平面度不超過S/300 且≤ 1.5 mm、對角線相對差＜ 3 mm、板邊直線度＜ 1。

（3）隔板單元是剛性保證和拼裝內(nèi)胎，直接控制著鋼塔的空間結(jié)構(gòu)尺寸，需要嚴(yán)格控制長度、寬度偏差、對角線差、平面度橫向和縱向精度。

（4）鋼管是塔柱主要受力構(gòu)件之一，制作要保證尺寸精度和焊接質(zhì)量，特別是橢圓度控制將直接影響與其接觸的隔板、剪力環(huán)板的安裝精度。要求其長度偏差不超過±1.5 mm、橢圓度≤ 1.5 mm、直徑偏差≤ 1.5 mm、矢高偏差≤ 2 mm。

由于鋼塔安裝難度較高，為保證橋位安裝線形要求，制定完備的節(jié)段制造方案和拼裝質(zhì)量保障體系。

3 項(xiàng)目解決方案和創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 幾何精度及焊接變形控制

為保證鋼塔板單元的制作精度，綜合分析現(xiàn)場安裝能力、工廠內(nèi)加工生產(chǎn)內(nèi)起吊能力和廠內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)尺寸等條件，對鋼塔節(jié)段進(jìn)行進(jìn)一步劃分?？傮w原則是保證生產(chǎn)加工和塔柱安裝的前提下，盡量做到更大分塊外形尺寸，減少分塊數(shù)量，同時(shí)全部采用數(shù)控切割下料。制造中所有板單元均按類型在專用胎架上形成流水作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)范化、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量穩(wěn)定化。在構(gòu)件單元的焊接時(shí)，優(yōu)化焊接參數(shù)、焊接順序和焊接工藝來控制焊接變形，及時(shí)分析和評估變形數(shù)據(jù)，以確保焊接質(zhì)量。

3.2 節(jié)段拼裝及精度管理

由于鋼塔安裝難度較高，為滿足橋位安裝線形要求，保證節(jié)段匹配制造時(shí)的連接精度，需要制定完備的節(jié)段制造方案和拼裝質(zhì)量保障體系。在節(jié)段組焊、連續(xù)匹配拼裝、端面加工、立式試拼裝等環(huán)節(jié)制定完善的控制流程，通過標(biāo)準(zhǔn)化管理，確保環(huán)口對接、線形控制及塔身垂直度滿足項(xiàng)目精度要求。

節(jié)段拼裝考慮到重量大、對溫度變化敏感的因素，胎架的剛度和變形值需要嚴(yán)格控制，通過有限元分析制作過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)拼裝姿態(tài)，使胎架剛度、加工件的變形等數(shù)據(jù)均控制在精度要求范圍內(nèi)。

制造中測量是保證精度的重要環(huán)節(jié)，采用先進(jìn)的激光跟蹤測量技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地反映鋼塔節(jié)段的加工制造精度。數(shù)字化測量不僅能夠節(jié)約成本和縮短工期，還能確保施工的安全性[3]。在每個(gè)工序完成后，及時(shí)進(jìn)行測量反饋矯正，以防止在鋼塔高度、線形、扭轉(zhuǎn)等方面的節(jié)段加工精度誤差累積，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“ 超差” 現(xiàn)象[4]。

3.3 數(shù)字化自動(dòng)化建造技術(shù)

數(shù)字化智能建造是我國十四五綱要的重要內(nèi)容。隨著鋼塔加工制作技術(shù)的進(jìn)步，鋼塔制作過程中采用數(shù)字化智能化技術(shù)是提升效率、保證質(zhì)量的核心。通過智能化設(shè)備和精細(xì)化管理，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的制作工藝，減小臨時(shí)約束設(shè)備，如臨時(shí)吊耳等對鋼塔塔節(jié)段翻身和吊裝過程中對母材的損傷。相同情況下，焊接變形控制也會對母材造成傷害[5]。

在隔板單元制造中采用自動(dòng)焊接機(jī)器人設(shè)備，實(shí)現(xiàn)鋼塔隔板單元間焊縫的自動(dòng)化焊接，有效地保證焊縫的外觀和內(nèi)在質(zhì)量的同時(shí)，驗(yàn)證了焊接機(jī)器人的高效率、高質(zhì)量，可以進(jìn)一步用于其他構(gòu)件單元的制作。

4 拼裝方案比選

為保證超高塔的拼裝精度，結(jié)合項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，反復(fù)論證驗(yàn)證，最后在兩種拼裝方案中進(jìn)行進(jìn)一步比選：

4.1 拼裝方案一

零件下料→ 板單元組焊→ 節(jié)段整體連續(xù)拼裝→ 節(jié)段端面機(jī)加工→ 立式預(yù)拼裝→ 解體運(yùn)輸→ 橋位安裝。

4.2 拼裝方案二

零件下料→ 板單元組焊→ 塊體拼裝→ 塊體端面機(jī)加工→ 節(jié)段整體連續(xù)拼裝→ 解體運(yùn)輸→ 橋位安裝。兩方案對比如表1 所示。

綜合鋼塔工藝制造要求及實(shí)際生產(chǎn)情況，最終選用加工精度高、制造工藝可靠的方案一進(jìn)行鋼塔制造。

5 鐵塔制造關(guān)鍵技術(shù)

5.1 板單元制造工藝

5.1.1 板單元?jiǎng)澐?/p>

劃分的總體原則：在保證生產(chǎn)加工和塔柱安裝的前提下，盡量做到更大分塊外形尺寸，減少分塊數(shù)量。其中側(cè)壁板單元和外壁板單元?jiǎng)澐譃樗膲K，中腹板單元?jiǎng)澐譃閮蓧K。

5.1.2 外壁板、腹板單元制造工藝

采用數(shù)控精切下料，長度、寬度方向預(yù)留焊接收縮量及機(jī)加工余量；精切下料后用趕板機(jī)趕平，嚴(yán)格控制平面度；為保證零件平面度，肋板先用調(diào)直機(jī)調(diào)直再趕平，鋼板對接料錯(cuò)邊不允許超過0.5 mm，接料焊前需預(yù)置反變形；此外，在專用曲面組裝胎架上進(jìn)行組裝、焊接時(shí)，焊接前預(yù)留反面變形量；單元件拼裝完成后放好總裝定位基線，打樣沖眼，以備節(jié)段組裝定位用。

5.1.3 隔板單元制造工藝

采用MP-MHHV 隔板單元自動(dòng)焊接機(jī)器人焊接，配備ARCMAN-MP 型焊接機(jī)械臂避免過大焊接變形；隔板主板采用數(shù)控機(jī)精切割，周邊預(yù)留機(jī)加工量；為減少焊接變形，在胎架上組裝和焊接肋板，周邊用卡具與胎架固定；拼裝完成后用刨邊機(jī)刨周邊，確保板邊直線度、相鄰邊垂直度及外形尺寸。

5.2 鋼塔大直徑鋼管單元制造工藝

采用數(shù)控水下等離子切割機(jī)精切鋼管主板，周邊預(yù)留機(jī)加工量；采用特種滾圓設(shè)備進(jìn)行鋼管單元卷制，精確控制鋼管單元外形尺寸；通過滾動(dòng)支架，圓管可以360° 旋轉(zhuǎn)，且始終保持平位焊接。鋼管單元采用橫向環(huán)焊縫、內(nèi)部剪力鍵焊接，配合半自動(dòng)焊接設(shè)備，大大提高了焊接效率及焊接質(zhì)量。

5.3 鋼塔節(jié)段拼裝工藝

5.3.1 拼裝精度控制

（1）胎架設(shè)計(jì)。按一輪拼裝四個(gè)節(jié)段設(shè)置，設(shè)置鋼塔節(jié)段縱、橫向定位基線。胎架外設(shè)置獨(dú)立的基線、基點(diǎn)、測量標(biāo)志塔，以便隨時(shí)對胎架上的定位基準(zhǔn)及鋼塔柱組裝時(shí)的尺寸及線形進(jìn)行檢測。

（2）拼裝流程。首先，在拼裝平臺上以橫縱基線為基準(zhǔn)進(jìn)行板單元“ 二拼一”，重點(diǎn)控制橫縱基線距離及二拼反變形設(shè)置，減小焊接變形；隨后，以胎架橫縱基線為基準(zhǔn)，依次定位鋼塔塊體側(cè)壁板單元，嚴(yán)格控制縱橫線間距，相鄰錯(cuò)邊量；通過定位邊（角）隔板、角壁板、中腹板單元后，依次連續(xù)匹配組裝鋼管單元，保證鋼管單元與邊（角）隔板單元間組裝間隙、節(jié)段間鋼管單元匹配精度等項(xiàng)點(diǎn)；通過胎架橫縱基線基準(zhǔn)定位中（邊）腹板單元，重點(diǎn)控制腹板單元與壁板單元、角壁板單元間相對位置關(guān)系，保證組裝精度及端口匹配度；最后，以中心對稱組焊中隔板，嚴(yán)格控制中（邊）隔板距基準(zhǔn)頭尺寸控制公差[6]。

（3）端口尺寸控制。端口尺寸總體原則是將原本剛性較小的端口位置固結(jié)成為剛體，避免自由邊出現(xiàn)過大的變形量。一方面焊接完成修整時(shí)將壁板單元與拼裝臺座間采取擋角固定，保證斷面尺寸和壁板平整；另一方面為確保相鄰節(jié)段接口的外形尺寸及匹配精度，組焊時(shí)節(jié)段端口采用工藝隔板支撐。

5.3.2 焊接變形控制

壁板、腹板及鋼管單元的制造變形及預(yù)留工藝量，減小了節(jié)段拼裝熱輸入量和塊體焊后修整量。塊體拼裝時(shí)，在組裝平臺上提前劃線，按照0.5 mm/m 的收縮量放大組裝地樣，依次組裝隔板單元、鋼管單元和腹板單元成型，之后組裝壁板，按照先內(nèi)后外、先下后上、由中心向兩邊同向?qū)ΨQ焊接結(jié)構(gòu)主角焊縫，之后分別對組壁板及主角焊縫。

5.4 鋼塔整體豎立式預(yù)拼裝工藝

5.4.1 立式預(yù)拼裝平臺

立體預(yù)拼裝在專用平臺上進(jìn)行通過預(yù)埋鋼筋及鋼板進(jìn)行基礎(chǔ)硬化，保證立體預(yù)拼裝平臺基礎(chǔ)牢靠不產(chǎn)生沉降。工作平臺頂面預(yù)留錨固預(yù)埋板，并對頂面進(jìn)行機(jī)加工，要求表面粗糙度≤ 6.3 μm，平面度偏差在1 mm 以內(nèi)。拼裝過程實(shí)時(shí)監(jiān)控胎架，防止預(yù)拼裝過程中胎架變形。

5.4.2 預(yù)拼裝工藝

（1）以節(jié)段立體預(yù)拼裝胎架橫縱基線為基準(zhǔn)，依次定位首節(jié)段鋼塔塊體，保證端面與平臺的接觸率，避免局部受力不均。鋼塔塊體定位后采用臨時(shí)連接件及工藝板與支墩固定（臨時(shí)連接件等均設(shè)在塔內(nèi)側(cè)），重點(diǎn)控制鋼塔節(jié)段整體外形尺寸、垂直度、橫斷面高程等項(xiàng)點(diǎn)，合格后焊接塊體間臨時(shí)匹配件。

（2）以首節(jié)段鋼塔橫縱基線為基準(zhǔn)，采用激光跟蹤儀器測量，對線依次定位中間鋼塔塊體，并以胎架橫縱基線進(jìn)行復(fù)核，重點(diǎn)控制鋼塔整體外形尺寸、垂直度、節(jié)段間板單元錯(cuò)邊量、橫斷面高程、節(jié)段間鋼筋匹配度等項(xiàng)點(diǎn)，合格后焊接塊體及節(jié)段間臨時(shí)匹配件。

（3）重復(fù)上述定位工藝過程，鋼塔節(jié)段定位、調(diào)整完成后，檢測立體預(yù)拼裝整體外形尺寸及垂直度，合格后焊接對接口位置匹配件，最上方鋼塔節(jié)段作為母段參與下一輪次連續(xù)匹配預(yù)拼，剩余節(jié)段解體下胎進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)存放。

值得注意的是，鋼塔立式預(yù)拼裝在廠房內(nèi)進(jìn)行時(shí)，需對廠房內(nèi)實(shí)施恒溫控制，保證溫度變化小于2 ℃，以避免溫差對匹配精度的不利影響。

6 結(jié)語

張靖皋長江大橋鋼塔制造項(xiàng)目采用了多項(xiàng)國內(nèi)先進(jìn)加工設(shè)備和測量技術(shù)，提出了各工序的控制要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)，對鋼塔制造工藝有多個(gè)技術(shù)創(chuàng)新，經(jīng)過實(shí)際制造驗(yàn)證，高效率、高質(zhì)量地完成了指標(biāo)要求，可以確保橋址吊裝順利進(jìn)行。研究成果證明了技術(shù)可行性，制造工藝科學(xué)、合理，為后續(xù)鋼塔項(xiàng)目提供了技術(shù)支撐，對未來大跨徑橋梁鋼塔制造技術(shù)的發(fā)展具有借鑒意義。

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