淺談美國舊金山新海灣大橋鋼塔設計制作方案

趙星，孫岑璐上海振華重工（集團）股份有限公司

淺談美國舊金山新海灣大橋鋼塔設計制作方案

趙星，孫岑璐
上海振華重工（集團）股份有限公司

1989年10月，里氏7.2級的黑山（Loma Prieta）地震嚴重損壞了美國舊金山海灣大橋東段結構，部分上不結構坍塌，造成一人死亡，大橋被迫關閉一個月之久，經過修復后繼續維持交通至今。舊金山-奧克蘭新海灣大橋位于美國舊金山灣，是世界上第一大單塔自錨懸索鋼橋，整個鋼塔全部為栓焊結構，塔身由4根五邊形鋼柱和連接橫梁組成，最大板厚達到100mm。其制作難點在于節段重量重、斷面大、結構形式復雜、幾何精度要求高，對塔的垂直度要求非常高。本文在介紹舊金山新海灣大橋的基礎上，著重的解釋了鋼塔設計的制作方案及鋼塔裝配過程中的影響因素。

舊金山新海灣大橋；鋼塔設計；裝配

引言

舊金山-奧克蘭新海灣大橋位于美國舊金山灣，是世界上第一大單塔自錨懸索鋼橋，總跨為565m，鋼結構總重量為4.5萬噸，其中包括鋼塔、鋼箱梁、自行車道三部分。鋼塔高度為148m，總重量約為13000噸，為世界同橋梁中的第一高度。整個鋼塔全部為栓焊結構，塔身由4根五邊形鋼柱和連接橫梁組成，最大板厚達到100mm。其制作難點在于節段重量重、斷面大、結構形式復雜、幾何精度要求高，對塔的垂直度要求非常高。鋼箱梁總長605m，總寬70m，高為5.5m，為世界同類橋梁中第一大鋼箱梁，鋼箱梁由東西兩線和聯系橫梁組成，采用栓焊結構，總重為30000噸。

一、鋼塔設計制作方案

鋼塔在制作過程中分為5段，每個段由4根五邊形鋼柱組成，其中最長的一段為47.175m。

鋼塔的總體制作方案如下：①制作板塊單元→②節段組裝成車間分段→③翻身焊接成型→④節段劃線→⑤端面加工→⑥上下兩節段匹配→⑦劃線鉆孔→⑧豎立總裝。

板單元板單元是組成塔柱的單元體，其制作能否達到圖紙要求將直接影響到塔柱箱體的裝配成形，因此制作的過程中需要保證以下要求：

1.面板的平行度及旁彎度要求，面板的平整度要求不大于2mm，旁彎度要求不大于3mm；

2.縱向筋的垂直度及開檔要求，直線度整體要求不大于2mm,垂直度要求不大于2mm。

二、鋼塔裝配過程中的影響因素

美國鋼塔全部為厚板結構，五邊形各面板單元分別稱為A面、B面、C面、D面以及E面板單元。A面板單元寬度方向上為同等板厚的鋼板拼接而成，縱向筋對稱分布。其余面板單元都是由厚薄板對接而成，縱向筋不對稱分布，其中B、C、E面隨著板寬的變化，縱向筋的數量逐漸減少。在標高89m位置，C面、D面板單元存在一個焊接折彎，折彎角度分別為1°和2°。根據合同要求，在長度方向上平整度不大于3mm，縱向筋、面板拼接錯位≤2mm，縱向筋垂直度≤1mm，位置度±1mm。

1.焊接收縮對裝配的影響

這是影響裝配的主要因素之一，其中又以面板長度方向的收縮最為嚴重。面板長度方向的收縮是由各層隔板之間距離的收縮累計而成，縱向筋的焊接、板單元平整度、旁彎的校正都會造成面板長度方向的收縮。而每根塔柱制作情況不盡相同，因此收縮量也都不相同。這就造成了隔板的標高與藍圖不符，而且各塔柱同層隔板的位置也有差異，直接影響到聯系梁的總裝。為解決這一問題，我們選取一根塔柱的A面板作為基準，通過底面的堆焊，盡量將多數隔板的標高調整到與理論值接近，少數偏差較大的的隔板位置，則通過堆焊打磨橫梁孔進行修正。A面板調整到位后，該塔柱其余四個面都和其它三根塔柱都以A面板為基準進行調整。

為解決各層隔板之間距離收縮，我們在今后的面板數控劃線時，橫梁孔暫不切割，待板單元制作完成后根據實際測量尺寸，用仿形切割將各橫梁孔切割到位。

2.面板平整度、旁彎對裝配的影響

面板的平整度影響的是與隔板及相鄰面板的裝配間隙。其中又以A、E面的平整最為重要。因為A、E面是基準，直接影響到其余各面的裝配。從實際制作情況來看，面板平整度的校正是比較困難的，特別是局部的急彎很難校正。由于面板長度方向較長，因此長度方向的大彎，在面板裝配后還可通過千斤頂調整，施工隊在板單元平整度的校正時，更多考慮的時寬度方向，特別是隔板裝配線處的平整度。

為減小板單元制作后的校火量，我們在板單元制作時寬度方向上放了反變形，從第一吊裝段東、南塔的制作情況來看，反變形的壓制量還過小，縱向筋焊接后仍有兩側上翹的現象，但部分寬度較窄的板反變形壓制較為困難，仍需通過焊后的校正來控制其平整度。

面板的旁彎影響的也是相鄰面板的裝配間隙。由于面板為厚薄板對接，厚薄板的收縮量有所不同，因此縱向筋焊接后就會使面板產生厚板側突起的旁彎現象。我們采取的是電加熱校正旁彎，將板單元放置在80°胎架上，厚板側放加熱板，這種方法的效果十分理想。

3.隔板對裝配的影響

隔板的外形尺寸。外形尺寸指的是隔板五個面和對角線的尺寸。因為隔板外形尺寸直接影響到塔柱的外形尺寸，因此隔板的外形尺寸須非常精確。目前，隔板的五個面通過整體機加工保證其外形尺寸。

隔板槽口的定位尺寸。槽口的位置決定了縱向筋是否能夠順利插入。特別是A、E面橫梁處的槽口，該處縱向筋是與槽口貼合的。因此此處槽口貼合面也采用了機加工。此外，槽口貼合面還加大了3mm，加上縱向筋向外偏移的2mm，使得裝配間隙理論上達到5mm，保證了隔板與面板能夠順利裝配。

隔板的平整度。隔板平整度決定了隔板是否能與面板正常裝配。如果隔板平整度不好，與面板裝配后，平整度不好的區域就會出現間隙，因此在安裝隔板之前必須將平整度校正到位。

[1]章登精.南京長江第三大橋鋼塔工程控制技術[J].中國鐵道科學,2007,04:133-140.

[2]朱緒平.三瓣型高聳鋼塔風振特性分析[D].中國礦業大學（北京）,2013.

[3]謝學強.大跨徑單索面組合梁斜拉橋鋼塔施工關鍵技術研究[D].石家莊鐵道大學,2014.

[4]李鑫,黃睿奕,游新鵬.土耳其伊茲米特海灣大橋鋼塔抑振系統設計[J].世界橋梁,2015,05:1-5.