行业聚焦丨桥梁钢结构制造有关问题(三)
前言：
中铁宝桥在完成了中国第一桥梁钢塔、世界第一曲线钢塔－南京三桥钢塔柱、泰州长江大桥三塔两跨过千米悬索桥之钢中塔（世界第一高度的纵向人字型、横向门式框架型钢塔）及徽派风格的马鞍山长江大桥（同样是三塔两跨过千米的悬索桥）钢中塔、宁波大榭二桥钢塔柱、南京青奥会桥“南京眼”等多个钢塔项目之后，又成功地建造了港珠澳大桥九洲航道桥“风帆形”钢塔柱。
国际上全焊钢塔一般用于景观型钢塔或钢塔壁板厚度不大于40mm、塔高不大于100m的承力形钢塔，线形要求一般满足1/3000～1/1500即可，主要是考虑焊接变形对线形控制的影响。其中南京三桥钢塔柱、泰州桥钢塔柱、马鞍山桥钢塔柱节段间均采用了“金属接触+高强度螺栓”联合受力模式，大榭二桥为全焊曲线形钢塔柱（壁板厚30mm，钢塔柱高度56.6m），“南京眼”为受力兼景观型钢塔（壁板厚30mm）。对于壁板厚度达80mm、钢塔总高101m的港珠澳大桥九洲航道桥“风帆形”钢塔柱来说，要达到1/4000的线形要求，确实不易（因特殊造型及美观要求又不宜采用栓接连接），除了需要先进的加工设备以外，必须有丰富的经验积累和深厚的造桥理念以及创新精神！
港珠澳大桥CB05-G2标钢塔制作技术创新
1. 工程概况
港珠澳大桥九洲航道桥采用双塔单索面斜拉桥，主塔采用“风帆”造型，景观优美。钢塔总高101.047m，由竖直的塔柱和弯曲的曲臂组成。该钢塔为全焊钢塔，钢塔节段采用单箱室结构，壁板板厚80mm，纵肋60mm，其中钢混结合段底座板达150mm，焊缝密集、焊接量很大。主要钢材材质为Q345qD、Q370qD，总重量约4400吨。
2. 主要难点分析
难点一：150mm厚的底座板对接需要焊接90多道，平面度的控制有一定难度，因此，钢塔厚板焊接质量及焊接变形控制有一定的难度。
难点二：钢塔箱体断面为带切角的四边形，结构组装精度控制难度大，焊缝密集、焊接量大（壁板厚度达80mm，共有8条深坡口棱角焊缝），焊接变形及几何精度控制难度非常大，同时，节段80mm厚壁板的接口熔透焊缝对高精度的塔柱线形控制带来了新的挑战。
难点三：为响应港珠澳大桥管理局提出的“大型化、工厂化、标准化、装配化”的施工理念，将桥面以上的钢塔T4～T9节段、曲臂Q4～Q8节段以及锚管在厂内连接制作成整体大节段整体吊装，总长67.9m，宽4.12m，高18.35m，总重达970t。大节段结构不规则，且重量大、刚性弱，故钢塔整体大节段的几何精度控制、装船及海上长距离运输等也是本项目的难点和关键所在。
3. 钢塔节段制造技术
3.1钢混结合段底座板焊接技术
钢混结合段底座板厚度达150mm。通过采用先进的焊接预热、合理的预变形、配重等措施，解决了钢塔150mm底座板的焊接质量及平面度控制难题。
⑴厚板焊接的关键是防止焊接裂纹的产生，而预热是防止裂纹产生的关键措施之一。为了提高厚钢板的预热效果及效率，采用了电阻加热、保温，温度控制准确可靠，可以控制升、降温速度，具有焊缝受热均匀等优点。
图1 厚板焊接预热措施
⑵150mm厚板焊接技术保障措施：
通过焊接性试验，确定预热温度及层间温度。选用合理的坡口形式，减小焊接填充量，提高工作效率。采用组合焊接工艺及多层多道焊接。合理编排焊接顺序，控制焊接变形。采取合理反变形量、双面焊接及配重等措施，控制焊接变形。
图2 150mm底座板压重无码拼装焊接
图3 对接完成后150mm底座板
3.2 钢塔节段板单元焊接技术
由于钢塔节段板单元上的纵肋宽度较大，为了保证其垂直度要求，采用了双小车对称施焊纵肋坡口角焊缝（见图4）；采取了板单元无码对接、压重控制焊接变形技术（见图5）。
图4 双小车对称施焊纵肋坡口角焊缝
图5 板单元无码对接、压重控制焊接变形
3.3 钢塔节段组焊技术
目前，国内的多座大跨度桥梁钢塔－南京三桥钢塔柱、泰州桥钢中塔、马鞍山桥钢中塔、大榭第二大桥钢塔柱等全为我公司承制，其标准达到了发达国家水平，积累了丰富的钢塔制造经验，同时在该项目上又进行了大胆创新。
⑴钢塔节段无码组装焊接技术。由于钢塔节段几何精度要求极高，通过预留合理的焊接收缩量、设计约束变形胎架、端部工艺支撑、角部定位马板（端面加工部位）以及合理的焊接工艺等措施以控制箱口尺寸，改变了以往为控制钢塔节段几何尺寸精度而在塔段内外设置码板的做法（见图6）。
图6 钢塔节段组焊变形控制措施
⑵焊接时通过专用无损伤翻身工装完成塔段的翻身，使焊缝尽量在平位或有利的工位施焊，有利于确保焊缝的内在质量（见图7）。
图7 钢塔节段空中无损伤翻身技术
⑶钢塔节段隔板与腹板立位角焊缝，采用CO2气体保护自动摆枪小车焊焊接，不但提高了焊接效率、降低了劳动强度，焊缝外观也更加美观（见图8）。
图8 钢塔节段隔板与腹板立位小车焊接
⑷钢塔节段外侧八条棱角坡口焊缝，采用了多次翻身改变焊缝焊接位置、CO2气体保护焊自动小车焊接，确保了焊缝外观质量非常美观（见图9、10）。
图9 钢塔节段外侧棱角焊缝小车焊接
图10 钢塔节段外侧棱角焊缝效果
3.4 钢塔节段端面加工技术
一般的全焊桥梁钢塔没有必要进行端面加工，但为了确保钢塔制作质量，对该全焊钢塔采用了“计算机控制的数控调整系统进行姿态调整+高精度的激光跟踪测量系统进行端面测量+大型断面镗铣床加工”方案，以及计算机模拟预拼及精度管理技术，来对钢塔制造线形进行控制（见图11、12）。
图11 钢塔节段端面加工
图12 加工完成的钢塔节段
4. 钢塔整体大节段制作技术
⑴针对钢塔大节段的细长比大，接长过程中扭曲、旁弯、线形控制难度大的特点，采用“分步接长法”，即：先将小节段接长为制造分段，然后再整体接长（见图13）。借助经纬仪、水准仪等测量设备，用液压千斤顶精确调整钢塔节段姿态，反复检测与调整，考虑精度累积管理结果的指令，修正节段间的轴线偏移、垂直度、扭转以及壁板错边等，确保最佳姿态，实现节段精确对位匹配接长。为了确保接缝平位焊接，钢塔大节段在制作过程中采用了空中翻身（见图14）.
图13 钢塔大节段接长
图14 钢塔大节段空中翻身
⑵针对厚板环缝焊接，合理设计坡口，采用CO2气体保护焊小线能量、多层多道对称焊接壁板对接焊缝，严格按照焊接顺序焊接，避免仰焊。焊前采用履带式电阻加热器对焊缝进行不低于100℃预热。尽量采用轨道式焊接机器人焊接，以减少人为因素对焊接质量的影响。
⑶为确保钢塔大节段在水平预拼装与立式复位后线形一致，利用有限元分析法对钢塔大节段在两种状态下的受力进行分析（见图15、16），确保钢塔大节段在平放和立放两种状态下线形变化最小。合理的预拼装方案及严格的检查也是确保桥位顺利安装的关键所在（见图17、18）。
图15 钢塔大节段平位受力有限元分析
图16 钢塔大节段立式受力有限元分析
图17 钢塔大节段预拼装
图18钢塔大节段预拼装检查
⑷为了保证整体大节段长途海运安全，针对钢塔大节段超重、超大细长、异形的结构特点，通过计算验证其在运输中的稳定性。根据船舶在海运中的纵、横向的摇摆周期和最大横摇角，计算出钢塔大节段在船上纵向、横向的受力大小，然后采用支撑托架、钢丝绳和花兰螺丝等将钢塔与船体进行硬性加固和软连接，确保运输过程中不会发生失稳。钢塔大节段立位拼装、水上运输分别见图19、20。
图19钢塔大节段立位拼装
图20 钢塔大节段水上运输
5. 钢塔柱线形的综合控制
对全焊钢塔而言，尤其是超厚壁板的钢塔柱，单节段高精度的加工、计算机模拟预拼及精度管理是基础，焊接变形的控制是关键，通过制定合理的施焊方案、自动化和机械化的焊接工艺、严格的对称施焊及安装调整、线形补偿（通过调整焊接顺序）等措施实现了对钢塔柱线形的控制。
6. 结束语
港珠澳大桥九洲航道桥钢塔的制作质量得到了各方高度评价，这应该得益于合理的制造方案及多项工艺创新，更得益于良好的设计工艺性、管理局及CB05标项目部的大力支持以及监理的严格把关。
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