張靖皋長江大橋南航道橋組合鋼塔制造工藝研究

摘要 文章以張靖皋長江大橋南航道橋為研究對象，針對制造過程中工件易產生變形、制造線形及精度難控制、大節段測量難度大等難點，對超高塔鋼塔制造工藝進行分析研究，結合技術創新，通過優化制造工藝過程、提高測量手段等措施確保制造質量，并通過工程驗證其制造工藝的可行性，確保了工程質量，為此類結構鋼塔的制造提供參考。

關鍵詞 組合鋼塔；制造工藝；線形控制；立體拼裝

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

0 引言

隨著我國基礎設施建設的飛速發展，跨越江海大橋的跨度、鋼橋塔的高度和結構形式都出現了很多創新，張皋塔采用超高鋼管混凝土組合鋼塔結構，在滿足大跨度的懸索橋設計條件下更加經濟合理。而如何在加工制作過程中確保精度，控制好整個超高塔的制造線形是能否順利完成橋位高精度安裝的關鍵。

1 工程概況

張靖皋長江大橋位于長江下游，經張家港、如皋和靖江境內跨越長江，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。南航道橋主塔設三道鋼橫梁，分上塔柱、中塔柱、下塔柱，均采用“ 鋼－混” 組合結構。南航道主塔設計塔高350 m，外輪廓采用矩形帶凹槽結構形式，中間設圓曲線過渡，鋼箱內設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行，節段加工過程中的制造線形控制、節段端面金屬接觸率是該項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分析

塔柱高、塔柱結構斷面大、結構復雜，且塔身采用鋼箱－鋼管混凝土約束組合體系，截面設計為多室異形結構，單個節段重量大，孔群連接多，安裝精度要求更高。該文通過分析項目結構特點及近年來相似結構的制造經驗，結合設備、場地等條件，總結出項目的重點（關鍵）和難點為以下幾個方面：

（1）鋼塔板單元制造工藝。

（2）大直徑鋼管制作工藝。

（3）鋼塔節段拼裝工藝。

（4）大斷面鋼塔節段端面機加工工藝。

（5）鋼塔柱立式預拼裝。在鋼塔制造過程中，應制定經濟合理的板單元、塊體劃分及拼裝方案，在減少焊接量的同時控制焊接變形[2]。

其中，精度控制的關鍵環節如下：

（1）受到現場安裝能力、工廠內加工生產內起吊能力、廠內轉運尺寸等條件的限制，合理進行鋼塔節段劃分。

（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，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胎，直接控制著鋼塔的空間結構尺寸，需要嚴格控制長度、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件之一，制作要保證尺寸精度和焊接質量，特別是橢圓度控制將直接影響與其接觸的隔板、剪力環板的安裝精度。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，制定完備的節段制造方案和拼裝質量保障體系。

3 項目解決方案和創新點

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，綜合分析現場安裝能力、工廠內加工生產內起吊能力和廠內轉運尺寸等條件，對鋼塔節段進行進一步劃分。總體原則是保證生產加工和塔柱安裝的前提下，盡量做到更大分塊外形尺寸，減少分塊數量，同時全部采用數控切割下料。制造中所有板單元均按類型在專用胎架上形成流水作業，實現生產規范化、產品標準化和質量穩定化。在構件單元的焊接時，優化焊接參數、焊接順序和焊接工藝來控制焊接變形，及時分析和評估變形數據，以確保焊接質量。

3.2 節段拼裝及精度管理

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

節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格控制，通過有限元分析制作過程中的各個環節拼裝姿態，使胎架剛度、加工件的變形等數據均控制在精度要求范圍內。

制造中測量是保證精度的重要環節，采用先進的激光跟蹤測量技術，能夠準確地反映鋼塔節段的加工制造精度。數字化測量不僅能夠節約成本和縮短工期，還能確保施工的安全性[3]。在每個工序完成后，及時進行測量反饋矯正，以防止在鋼塔高度、線形、扭轉等方面的節段加工精度誤差累積，導致結構出現“ 超差” 現象[4]。

3.3 數字化自動化建造技術

數字化智能建造是我國十四五綱要的重要內容。隨著鋼塔加工制作技術的進步，鋼塔制作過程中采用數字化智能化技術是提升效率、保證質量的核心。通過智能化設備和精細化管理，設計科學合理的制作工藝，減小臨時約束設備，如臨時吊耳等對鋼塔塔節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焊接機器人設備，實現鋼塔隔板單元間焊縫的自動化焊接，有效地保證焊縫的外觀和內在質量的同時，驗證了焊接機器人的高效率、高質量，可以進一步用于其他構件單元的制作。

4 拼裝方案比選

為保證超高塔的拼裝精度，結合項目結構特點，反復論證驗證，最后在兩種拼裝方案中進行進一步比選：

4.1 拼裝方案一

零件下料→ 板單元組焊→ 節段整體連續拼裝→ 節段端面機加工→ 立式預拼裝→ 解體運輸→ 橋位安裝。

4.2 拼裝方案二

零件下料→ 板單元組焊→ 塊體拼裝→ 塊體端面機加工→ 節段整體連續拼裝→ 解體運輸→ 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際生產情況，最終選用加工精度高、制造工藝可靠的方案一進行鋼塔制造。

5 鐵塔制造關鍵技術

5.1 板單元制造工藝

5.1.1 板單元劃分

劃分的總體原則：在保證生產加工和塔柱安裝的前提下，盡量做到更大分塊外形尺寸，減少分塊數量。其中側壁板單元和外壁板單元劃分為四塊，中腹板單元劃分為兩塊。

5.1.2 外壁板、腹板單元制造工藝

采用數控精切下料，長度、寬度方向預留焊接收縮量及機加工余量；精切下料后用趕板機趕平，嚴格控制平面度；為保證零件平面度，肋板先用調直機調直再趕平，鋼板對接料錯邊不允許超過0.5 mm，接料焊前需預置反變形；此外，在專用曲面組裝胎架上進行組裝、焊接時，焊接前預留反面變形量；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 隔板單元自動焊接機器人焊接，配備ARCMAN-MP 型焊接機械臂避免過大焊接變形；隔板主板采用數控機精切割，周邊預留機加工量；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

采用數控水下等離子切割機精切鋼管主板，周邊預留機加工量；采用特種滾圓設備進行鋼管單元卷制，精確控制鋼管單元外形尺寸；通過滾動支架，圓管可以360° 旋轉，且始終保持平位焊接。鋼管單元采用橫向環焊縫、內部剪力鍵焊接，配合半自動焊接設備，大大提高了焊接效率及焊接質量。

5.3 鋼塔節段拼裝工藝

5.3.1 拼裝精度控制

（1）胎架設計。按一輪拼裝四個節段設置，設置鋼塔節段縱、橫向定位基線。胎架外設置獨立的基線、基點、測量標志塔，以便隨時對胎架上的定位基準及鋼塔柱組裝時的尺寸及線形進行檢測。

（2）拼裝流程。首先，在拼裝平臺上以橫縱基線為基準進行板單元“ 二拼一”，重點控制橫縱基線距離及二拼反變形設置，減小焊接變形；隨后，以胎架橫縱基線為基準，依次定位鋼塔塊體側壁板單元，嚴格控制縱橫線間距，相鄰錯邊量；通過定位邊（角）隔板、角壁板、中腹板單元后，依次連續匹配組裝鋼管單元，保證鋼管單元與邊（角）隔板單元間組裝間隙、節段間鋼管單元匹配精度等項點；通過胎架橫縱基線基準定位中（邊）腹板單元，重點控制腹板單元與壁板單元、角壁板單元間相對位置關系，保證組裝精度及端口匹配度；最后，以中心對稱組焊中隔板，嚴格控制中（邊）隔板距基準頭尺寸控制公差[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成為剛體，避免自由邊出現過大的變形量。一方面焊接完成修整時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段接口的外形尺寸及匹配精度，組焊時節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留工藝量，減小了節段拼裝熱輸入量和塊體焊后修整量。塊體拼裝時，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，按照先內后外、先下后上、由中心向兩邊同向對稱焊接結構主角焊縫，之后分別對組壁板及主角焊縫。

5.4 鋼塔整體豎立式預拼裝工藝

5.4.1 立式預拼裝平臺

立體預拼裝在專用平臺上進行通過預埋鋼筋及鋼板進行基礎硬化，保證立體預拼裝平臺基礎牢靠不產生沉降。工作平臺頂面預留錨固預埋板，并對頂面進行機加工，要求表面粗糙度≤ 6.3 μm，平面度偏差在1 mm 以內。拼裝過程實時監控胎架，防止預拼裝過程中胎架變形。

5.4.2 預拼裝工藝

（1）以節段立體預拼裝胎架橫縱基線為基準，依次定位首節段鋼塔塊體，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連接件及工藝板與支墩固定（臨時連接件等均設在塔內側），重點控制鋼塔節段整體外形尺寸、垂直度、橫斷面高程等項點，合格后焊接塊體間臨時匹配件。

（2）以首節段鋼塔橫縱基線為基準，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行復核，重點控制鋼塔整體外形尺寸、垂直度、節段間板單元錯邊量、橫斷面高程、節段間鋼筋匹配度等項點，合格后焊接塊體及節段間臨時匹配件。

（3）重復上述定位工藝過程，鋼塔節段定位、調整完成后，檢測立體預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，最上方鋼塔節段作為母段參與下一輪次連續匹配預拼，剩余節段解體下胎進行轉運存放。

值得注意的是，鋼塔立式預拼裝在廠房內進行時，需對廠房內實施恒溫控制，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 結語

張靖皋長江大橋鋼塔制造項目采用了多項國內先進加工設備和測量技術，提出了各工序的控制要點及關鍵技術，對鋼塔制造工藝有多個技術創新，經過實際制造驗證，高效率、高質量地完成了指標要求，可以確保橋址吊裝順利進行。研究成果證明了技術可行性，制造工藝科學、合理，為后續鋼塔項目提供了技術支撐，對未來大跨徑橋梁鋼塔制造技術的發展具有借鑒意義。

參考文獻

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