美國舊金山新海灣大橋鋼塔制作方案

趙 星

(上海振華重工(集團(tuán))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(wù)所設(shè)計(jì)，能抗8級(jí)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(shù)。鋼橋塔部分由4根五邊形的變截面鋼柱和120個(gè)連接橫梁組成，其中板厚最大達(dá)到100 mm，其制作難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)形式復(fù)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(gè)段由4根五邊形鋼柱組成，其中最長一段47.175 m?？傮w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(cè)量劃線→節(jié)段端面機(jī)加工→相鄰節(jié)段試拼裝→測(cè)量、劃線、制孔→橋塔總裝。

板單元是鋼橋塔的主要?jiǎng)澐謫卧?，?duì)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jī)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(shí)采用了分段、間隔及對(duì)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(jìn)度、減少人為誤差，在鋼塔制作過程中引進(jìn)劃線新技術(shù)：劃線機(jī)數(shù)控劃線[1]。經(jīng)討論，選擇厚板斜勢(shì)檢驗(yàn)線為長度方向基準(zhǔn)線進(jìn)行劃線，保證厚板、薄板實(shí)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(jié)合實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的能力，在數(shù)控劃線時(shí)將此處的縱向加勁板裝配線各向貼合面的反面移動(dòng)了2 mm，劃線完畢檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)劃線的偏差都在2 mm內(nèi)，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(gè)面組成五邊形。五個(gè)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(duì)稱布置外，其余面的板單元均由厚薄板對(duì)接組成，且縱向加勁板為非對(duì)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(biāo)高位置，C面、D面板單元向塔身內(nèi)側(cè)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(duì)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?jiǎng)澐衷诳v向較大，同時(shí)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(shí)都會(huì)產(chǎn)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(huì)不一致，在實(shí)際裝配時(shí)隔板的實(shí)際標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高會(huì)不一致，也將導(dǎo)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(yù)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(zhǔn)，通過地面堆焊來調(diào)整隔板位置，在個(gè)別有較大偏差無法調(diào)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(duì)面板寬度方向的影響很小，甚至可以忽略不計(jì)。因此，面板制作時(shí)寬度的控制就顯得尤為重要，寬度過寬會(huì)造成裝配后面板間產(chǎn)生錯(cuò)邊，寬度過窄則會(huì)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(duì)位置隨之產(chǎn)生變化，導(dǎo)致橫梁安裝時(shí)無法匹配，因此，對(duì)于橫梁采用后孔法進(jìn)行制孔，即先測(cè)量板單元制作后的實(shí)際尺寸，再在橫梁相對(duì)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(duì)裝配的影響

1)面板的平整度對(duì)隔板及相鄰面板裝配間隙有較大的影響。因?yàn)锳、E面是基準(zhǔn)，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(diào)整，而橫向方向的變形較難校正，因此，應(yīng)采取措施降低橫向變形，尤其是對(duì)隔板裝配有直接影響的隔板位置。

為降低板單元焊接后校火的工作量，在板單元焊接時(shí)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(guān)，對(duì)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(jìn)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(duì)接的面板，因?yàn)榘鍖?duì)接時(shí)受熱量的影響，厚板與薄板產(chǎn)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(huì)更明顯。經(jīng)過分析與試驗(yàn)制作了80°的工裝胎架，然后在厚板側(cè)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(huì)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(chǎn)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(shí)厚板側(cè)放置加熱板等。

3.3 縱向加勁裝配位置及垂直度對(duì)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(duì)其位置、開檔和垂直度進(jìn)行測(cè)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(nèi)，且不得向隔板槽口貼合面傾斜。在裝配E面板之前，還需測(cè)量隔板E側(cè)槽口貼合面到A面板的距離L1、L2和E面板A側(cè)面到與槽口貼合面縱向加勁的距離L1′、L2′，比較兩個(gè)值的大小判斷縱向加勁是否會(huì)出現(xiàn)與隔板槽口干涉或間隙較大的現(xiàn)象，從而事先對(duì)隔板槽口進(jìn)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(shí)橫梁孔兩側(cè)的縱向加勁各向外偏移2 mm，并在施焊時(shí)采取PJP焊縫對(duì)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(duì)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(jī)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(shè)計(jì)要求槽口與縱向加勁貼合的A、E面也采用了機(jī)加工方式，同時(shí)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(dá)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行平整度檢驗(yàn)并校正。

3.5 其他方面對(duì)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(cè)量D面板上小蓋板的高度和隔板腹板到隔板D側(cè)面的距離，分析D面板裝配后隔板腹板是否會(huì)與D面板上的小蓋板干涉，如有干涉對(duì)隔板腹板進(jìn)行打磨。

2)面板厚薄板過渡處對(duì)裝配的影響。面板吊裝前分別測(cè)量相鄰面板控制線到厚薄板過渡處的距離，檢查是否會(huì)由于錯(cuò)位過多而引起裝配干涉或間隙過大的情況，事先進(jìn)行調(diào)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(duì)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(dǎo)致面板單元的旁彎和收縮，解決這一難題將對(duì)五面成形起到至關(guān)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(duì)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(duì)面板產(chǎn)生了較大的旁彎值，焊接后便產(chǎn)生了向厚板側(cè)凸起的旁彎(最大處達(dá)到30～40 mm)。

針對(duì)旁彎較大這一狀況，對(duì)焊接工藝進(jìn)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(shí)在板旁彎凸起最高點(diǎn)使用千斤頂施加外力，從而減小旁彎。同時(shí)將板單元放置在80°胎架上，旁彎凸起側(cè)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(cè)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(duì)原方案進(jìn)行改進(jìn)，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(nèi)，到達(dá)了預(yù)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(shè)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(duì)板單元的收縮影響甚大。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，南塔第一吊裝段E面板整體拼板結(jié)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(biāo)高，在后續(xù)板單元制作過程中改進(jìn)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(jìn)行手工開制，另外鋼塔整體焊接收縮量，通過設(shè)計(jì)方修改圖紙將收縮補(bǔ)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(zhuǎn)支點(diǎn)受力將達(dá)到650 t，并將部分重力傳遞至底部斜平臺(tái)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(tái)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(tái)底部與碼頭面之間增加木質(zhì)墊板，保證在平臺(tái)受力后木質(zhì)墊板與碼頭表面和平臺(tái)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(tái)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(jìn)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(chǎn)生的側(cè)向力而導(dǎo)致的平臺(tái)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(diǎn)時(shí)，所受的側(cè)向力而導(dǎo)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(qiáng)位置直接與平臺(tái)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(shí)塔柱底部直接作為支點(diǎn)與斜平臺(tái)上的枕木接觸。為了便于塔柱在吊起后依照底板的位置對(duì)塔柱進(jìn)行繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)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(zhuǎn)動(dòng)調(diào)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(yùn)動(dòng)軌跡為以支點(diǎn)為圓心，支點(diǎn)到吊鉤的長度為半徑的一個(gè)圓弧，因此，在起升過程中需要實(shí)時(shí)調(diào)整浮吊的位置以保證吊鉤的投影與吊點(diǎn)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(shè)計(jì)了塔柱翻身工裝，利用圓環(huán)將不對(duì)稱五面體塔柱套入，可360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了焊縫對(duì)稱施焊和控制了焊接變形。

2)采用了標(biāo)準(zhǔn)段工裝，保證了相鄰兩個(gè)變截面塔柱上下栓接截面都滿足技術(shù)要求，同時(shí)大膽使用四氟滑塊成功將1 300 t重的塔柱在車間內(nèi)進(jìn)行移位。

3)獨(dú)創(chuàng)門式多頭自動(dòng)埋弧橫焊技術(shù)及大直徑螺栓側(cè)焊技術(shù)，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(dá)到技術(shù)要求。

4)引進(jìn)了先進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)都能進(jìn)行精確控制，保證了鋼塔和箱梁的總裝質(zhì)量。其中的U肋自動(dòng)埋弧橫焊技術(shù)、大直徑螺栓側(cè)焊技術(shù)等填補(bǔ)了國內(nèi)空白，同時(shí)U肋板單元制作工藝已被中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)錄用。

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