张靖皋长江大桥钢箱-钢管组合塔柱制造关键技术_刘志刚.pdf

2023.3,3（2）|专题:钢桥设计制造新技术张靖皋长江大桥钢箱-钢管组合塔柱制造关键技术刘志刚1，穆长春1，李琦2（1.中铁宝桥（扬州）有限公司，江苏 扬州 225107；2.江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210004）摘要：张靖皋长江大桥南航道悬索桥的两个主塔均为门式框架结构，塔高 350 m，塔肢外轮廓为带凹角的矩形立柱，塔肢断面包括外壁钢箱、4个钢管和 13个窗口，形成多个闭合环结构，是钢箱-钢管组合的新型结构钢塔。研究了钢箱管组合塔制造过程中的关键问题，如大直径钢管的制作和定位、多闭环截面的精度控制、超高层钢塔节段之间的焊接与匹配以及钢塔底节段的制造。从夹具胎架制作、焊接工艺、定位工装、预装配等方面提出了具体技术措施，以确保制造质量。关键词：悬索桥；钢塔制造；箱管组合塔；多闭合环结构；精度控制Key technical solutions for manufacturing steel box-and-tube composite tower columns of Zhangjinggao Yangtze River BridgeLIU Zhigang1,MU Changchun1,LI Qi2（1.China Railway Baoji Bridge（Yangzhou）Co.Ltd.，Yangzhou 225107，China；2.Jiangsu Transportation Engineering Construction Bureau，Nanjing 210004，China）Abstract：The two main towers of the south channel suspension bridge of Zhangjinggao Yangtze River Bridge are portal frame structure with a height of 350 m.The steel tower is composed of 4 closed steel pipes and 1 polygonal box structure，which is divided into 13 closets to form a multi-closed ring structure.This paper focuses on the critical issues in the manufacturing of the steel box-and-tube composite tower，such as the fabrication and aligning of the large diameter steel pipe，the accuracy control of the cross-section with multi-closed rings，the welding and matching between segments of super-high steel tower，and the fabrication of the bottom segment of steel tower.Some technical measures are put forward in terms of jig and fixture fabrication，welding process，positioning tooling，pre-assembly，to ensure the manufacturing quality.Key words：suspension bridge；steel tower manufacturing；box-and-tube composite tower；multi-closed ring structure；precision control中图分类号:U448.25 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2023）02-0008-06收稿日期：2023-02-21基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFB1600305）。作者简介：刘志刚（1979），男，学士，教授级高级工程师。研究方向：钢结构桥梁制造。8张靖皋长江大桥钢箱-钢管组合塔柱制造关键技术 刘志刚 等1 概 述张靖皋长江大桥位于长江下游张家港至如皋沙群段，其南航道悬索桥的跨径为2300 m，为目前世界上在建最大跨径悬索桥。工程全线采用高速公路标准建设，跨江段双向八车道，设计速度100 km/h，全长约7.9 km。图1为张靖皋长江大桥主桥南航道桥效果图1。南航道桥主塔为钢箱-钢管混凝土组合结构，包含南、北两塔，均为门式框架索塔，塔高 350 m。南、北塔各含有 2 根塔柱。塔柱竖向划分 30 个节段（含鞍罩），如图 2所示。节段高度除 T1外，其余为 8.113.5 m，其中标准节段高度有 10.8，13.5 m两种。钢塔柱各节段采用栓焊结合形式连接，节段内全为全焊接形式连接，节段间加劲肋采用栓接，节段间壁板及腹板采用焊接。主体结构采用 Q420D，Q420D-Z35和Q355D钢材，每根塔柱的用钢量达3.4万吨。2南航道桥主塔结构特点及制造重难点桥塔总高度 350 m，为钢箱-钢管组合结构形式，由 4 根钢管及 1 个多边形箱型结构构成，共分割为13个窗口，形成多闭合环结构。塔柱外轮廓采用矩形带凹角的结构形式，塔柱壁板与腹板采用 30，24和 20 mm 三种板厚，设板式加劲肋。横隔板标准间距为 2.7 m，厚 14 mm，横梁节点等特殊受力部位根据需要调整。钢箱内设 4 根直径 3.6 m 钢管约束混凝土柱，通过腹板、横隔板与钢箱形成整体。根据吊装设备的起重能力，T1 和 T30 节段（鞍罩）外采用整节段吊装，钢塔 T1 节段轮廓尺寸长18.2 m、宽 13.7 m、高 3.5 m，底部有 120 mm 承压板；其他钢塔节段均采用分块吊装，钢塔分块吊装节段分为内、外侧两个块体进行制造，标准吊装节段块体轮廓尺寸长 16 m、宽 6 m、高 13.5 m，主塔节段构造示意如图 3所示。桥塔制造的重点和难点有：（1）超大径钢管的制作，主要包括制造质量控制和定位精度控制；（2）钢塔标准节段的制作，包括制造精度控制、焊接质量控制；（3）T1段的制作，包括特厚特大承压板的制造和密集焊缝的质量控制；（4）钢塔精度验证及接口匹配2。3超大径钢管制作3.1超大径钢管制造质量控制主塔节段内钢管直径为 3600 mm。钢管制作的图 1张靖皋长江大桥主桥南航道桥效果图图 2南航道桥主塔及制造节段划分图 3主塔典型节段构造轴测图 9技术难度主要有：大直径钢管的卷制和圆度精度控制；卷制成型后刚度大，修圆难度大；钢管接长环向焊缝长达到 13 m，无损检测验收要求高。为保证钢管质量，在制造过程中采取如下措施：（1）设计特制钢质样杆用于划线切头，并根据板厚、割嘴型号选择下料切缝补偿量，确保钢板卷制前下料尺寸精度。（2）采用超大直径钢管专用卷管机卷制钢管，制定合理的卷管工艺，用设备确保钢管卷制后轮廓尺寸同向偏差。（3）通过计算机对单管的变形进行受力分析，以管内 T 肋位置为角度原点，计算出钢管在自重作用下产生变形后 0，45和 90位置的理论直径数值，便于单管卷制完成后椭圆度的检测，卷管完成后确保椭圆度2 mm。（4）采用超长弧线段焊缝自动化焊接技术，设计专用焊接平台及专用滚轮架。采用“米字”及“十字”支撑对圆管进行支撑约束，控制焊接变形；为避免圆管对接焊缝因受热集中产生不利变形，选取小线能量、分段焊接、实心焊丝打底、埋弧焊填充盖面的焊接工艺，实施弧线焊缝自动化焊接。焊接专用滚轮架如图 4所示，焊接专用平台如图 5所示。3.2超大径钢管定位精度控制措施在钢箱-钢管组合节段中，钢管以圆心为定位点，因圆管空心无法实物标出，为精准识取超大径钢管的定位点，使其在钢塔块体中精确定位，采取如下措施组装：（1）设计超大径钢管专用管板的关联定位工装如图 6所示，对钢管端口进行支撑，防止钢管接口处变形。（2）制定合理的块体组装工艺，利用定位工装精准识取钢管圆心，确保钢管在块体中精确定位。4钢塔标准节段制造4.1钢塔块体制造精度控制钢塔为多闭合环结构，且钢塔断面尺寸大、组成部件多、焊缝密集、焊接量大、焊接收缩量难以控制、局部变形较大、矫正难度大、断面尺寸精度要求高，故钢塔节段的箱口尺寸、连接部位的板面平整度、扭曲变形等环节，研究提出如下控制措施：（1）在专用胎架上，以隔板为内胎组装块体，精确控制块体轮廓尺寸，块体组装胎如图 7所示3。（2）隔板与壁板焊接时，遵循由中间向两侧、由内而外分步施焊的整体原则。选择合理的焊接顺序：隔板与腹板、壁板立位焊缝隔板与底板平角位焊缝隔板与圆管周圈焊缝腹板、壁板、圆管之间焊缝。（3）选用合理的坡口角度，尽量减少焊缝填充量，降低焊接变形，选用横位焊 14 kJ/cm、立位焊 20 kJ/cm 的小线能量多层、多道焊接技术，减少焊接热输入，同方向对称焊接壁板主焊缝，防止块体扭曲。图 6超大径钢管专用管板定位工装图 4专用滚轮架图 5专用焊接平台 10张靖皋长江大桥钢箱-钢管组合塔柱制造关键技术 刘志刚 等（4）用电加热方法对焊缝两侧均匀加热，减小因温度应力引起的线形变化。（5）即时监控焊接变形，根据检测结果及时调整焊接工艺。4.2钢塔匹配制造精度控制钢塔分成 30 节制造，环缝数量多，在工地连接时接口匹配难度大。因分成块体进行制作和吊装，导致块体间存在竖向通长焊缝，焊接变形对钢塔架设线形有较大影响。钢塔节段板件的组装顺序如图8所示。为保证接口匹配性和整体线型符合要求，设计专用的块体拼焊胎架，在节段端口部位设置临时支撑，辅助控制端口尺寸，采用连续匹配制作技术，对出现的局部错边量超差部位，采用顶压装置进行接口的调平，保证相邻接口错边量在公差允许范围内。重点控制圆管定位尺寸及端口外形尺寸，采用经纬仪、水准仪等设备精确测量控制施工。4.3钢塔工地施焊质量控制工地施焊时，采用钢塔安装轴线焊接纠偏技术，同时通过累积精度管理技术，实时监测钢塔线形，分析线形变化趋势，通过调整下一节段的焊接顺序进行反向纠偏。譬如，当钢塔线形需要向小桩号侧纠偏时，则钢塔节段焊接顺序如图 9所示（图中，表示焊接先后顺序，箭头表示焊接方向）。施焊时采用数显自动控制箱调节红外线加热设备，进行焊前预热和层间温度控制，采用机器人焊接焊缝，减少人为因素的影响，确保焊缝质量稳定性。5钢混结合段 T1的制造T1 节段为塔柱基础，是钢塔重要受力构件，由外壁板单元、侧壁板单元、中（边）腹板单元、隔板单元、钢管单元及钢管加劲、锚固板及其加劲组成。其焊缝密集，焊接变形大且难以控制，焊接应力释放及图 7块体组装胎图 8块体组装顺序图 9工地钢塔节段焊接顺序 11传递都会对钢塔精度造成影响，制造的重难点有：特厚特大承压板焊接质量控制、密集焊缝的质量控制。5.1特厚特大承压板焊接质量控制承压板规格为120 mm13700 mm 18200 mm，单重约200吨，需进行多次拼焊。承压板120 mm焊接采用全熔透焊接，此部分焊缝受力极大，焊接质量的好坏直接影响到钢塔的整体受力。焊接过程中的技术难度有：（1）对接焊缝较长、焊接填充量大，导致焊接变形大；（2）特厚板散热快，焊接过程中存在淬硬倾向，易产生焊接冷裂纹。为应对上述问题，焊接过程采取如下措施：5.1.1承压板分块及焊缝坡口形式设计结合钢板来料尺寸和加工工艺，应尽量减少对接焊缝总长度及焊接作业总量。为此，将承压板分成 10块，通过横向与纵向焊缝进行双向拼接。分块钢板采用平位焊接，同时应用 18小角度双面 U 型坡口专利技术，减少焊接填充量，对接坡口示意图如图10所示4。为减少焊接变形，对接焊缝采用埋弧自动焊施焊时，每条焊缝施焊 6070 道。焊接过程中，实时关注焊接变形，当焊件开始变形时使用压重块增加适当的约束来减小变形，当变形角度达到 8左右时，对焊件进行翻身（清根）焊接，采用小线能量多层多道焊焊接，以减小焊接变形。每条焊缝焊后对钢板平面度进行检测，超差部位采进行矫正5。5.1.2超厚钢板的焊接工艺优化因厚板焊接变形大，为防止焊接过程中定位焊开裂，产生对焊接接头平面度及焊缝质量的不利影响，定位焊应焊密、焊厚。焊缝两端各 1 m 范围连续定位焊接。其余部位间隔 500600 mm 定位焊接300350 mm，定位焊缝厚度不小于 6 mm。焊接采用埋弧自动焊，所用焊接材料、焊接工艺规范均严格执行相关技术要求，从而保证焊缝质量。在预热和焊后加热保温方面，采用加热效率高、控制温度精确的电磁感应加热设备，控制焊接接头的冷却速度及焊缝和热影响区的金相组织，保证焊接接头的各项机械性能满足设计要求6。5.2密集焊缝质量控制措施由于节段为单箱多室构造，内部构件及焊缝分布密集，焊接作业空间受限，部分焊缝相互干涉，施焊困难，多为熔透焊缝或深坡口焊缝，尤其是圆管周圈加劲及钢塔壁板外的锚固加劲情况更为复杂。为保证焊缝质量，采取以下工艺措施：（1）通过建模分析制定合理的组焊顺序，对施焊空间狭小部位采取“逐个组焊”确定焊接工艺，保证施焊空间，提高焊缝一次合格率。圆管周圈锚固加劲间距仅为 300 mm，但深度达 543 mm，若采用一次全部组装后焊接，由于存在施焊盲区，施焊难度大，焊接质量难于保证，故采用加劲从两边向中间依次逐个组装、焊接方案，同时增大坡口开设角度，以保障焊缝质量。加劲施焊顺序如图 11所示。（2）采取分步组焊措施，防止一次性施焊的焊接变形过大难以矫正，在块体制作时采取逐步组装、焊接，在每个阶段焊后进行变形数据测量，及时进行矫正7。6钢塔精度验证及接口匹配为检验钢塔制作精度和安装接口匹配件，事先在工厂内进行立式预拼装。每轮预拼装作业按“2+1”模式组织，标准塔高有 13.5和 10.8 m 两种，3节预拼高度最高达 40.5 m，最重约 1650 吨，为确保预拼装的质量和安全，采取如下措施：（1）对预拼场地进行受力计算并设计基础处理方案，对地面进行硬化，并预埋拼装所需钢板。（2）设计专用预拼胎架，在钢塔测量专项方案指导下，进行预拼的测量和监控，保证测量的操作性及测量的精度。预拼装示意图如图 12所示。（3）设计专用钢塔匹配件，保证施工精度及现场快速定位，保证施工效率。图 11加劲施焊顺序示意图图 10对接焊缝坡口（单位：mm）12张靖皋长江大桥钢箱-钢管组合塔柱制造关键技术 刘志刚 等（4）应用钢塔预拼数据作累计精度管理，指导后续塔段制作，保证钢塔整体精度。钢塔节段间预拼装精度要求如表 1所示8。7结 语张靖皋长江大桥主桥南航道桥钢塔的制作结合了多座桥梁钢塔的制造经验，针对制造过程中的重难点及关键点研究了对应的控制措施：（1）设计了特制测量样杆，研发了卷圆设备和超长弧自动焊接技术、模拟分析等措施，解决了超大管径制作质量控制的难题。（2）设计了管板关联定位工装、钢管端口设置支撑等措施，解决了超大径钢管柱定位精度控制的难题。（3）采用合理的分块，设计小坡口和合理的组焊等技术，解决了厚板和密集焊缝的焊接难题。（4）制定了合理的焊接顺序，研发了精度管理纠偏技术及自动化等技术，解决了超高钢塔接口精度控制的难题。基于以上措施形成的超大径钢管制作技术、超大径钢管定位精度控制技术、多闭合环结构钢塔组焊精度控制技术、超高钢塔接口精度控制技术，为本项目提供了技术支持，也为类似结构的制造提供了借鉴。参考文献：1 中交公路规划设计院有限公司.华设设计集团股份有限公司，张靖皋长江大桥工程施工图设计 Z.2022.2 中铁宝桥（扬州）有限公司.张靖皋长江大桥南航道钢塔 C2标制造方案 Z.2022.3 王晓辉，刘志刚.马鞍山钢塔塔梁固接段制作技术 J.钢结构，2014，29（10）：51-54.4 章建，李军平，刘志刚.大型钢塔柱钢混结合段制作工艺 J.工业建筑，2012，42（S1）：859-863.5 刘志刚，马增岗.港珠澳大桥九洲航道桥钢塔制作难点分析及对策 J.钢结构，2015，30（8）：75-77.6 李彦国，刘志刚，吴江波.马鞍山长江公路大桥钢塔柱焊接工艺 J.钢结构，2015，30（9）：74-77.7 连恒亮.滕州解放大桥钢塔及钢箱梁制作关键技术 J.钢结构，2014，29（5）：56-58.8 洪军.大型桥梁钢索塔制作关键技术探析 J.钢结构，2018，33（2）：89-92.图 12预拼装示意图表 1钢塔节段间预拼装精度要求项目预拼高度横向垂直度纵向垂直度连接板错边量节段相对塔柱轴线的偏差允许误差2NH1/10000H1/100001.5 mm1.0测量方法钢尺全站仪全站仪钢板尺全站仪备注N塔段数量H塔段高度H塔段高度桥 轴 线 和 垂 直于 桥 轴 线 两 个方向测量 13