刘志刚 马增岗
(中铁宝桥(扬州)有限公司， 江苏扬州 225107)
摘 要：通过分析港珠澳大桥九洲航道桥钢塔结构特点及制作难点，针对钢塔厚板焊接、曲臂曲线线形控制以及整体大节段制作中的难点和关键点采取了相应的技术措施及对策，攻克了制作难关，取得了良好的效果，在保证产品质量的同时提高了生产效率，对今后类似钢塔制作具有参考价值。
关键词：港珠澳大桥; 钢塔; 难点分析; 对策
港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门的大型跨海通道，是中国乃至当今世界规模最大、标准最高、最具有挑战性的桥梁交通工程。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101.047 m,由竖直的塔柱和弯曲的曲臂组成，主要钢材材质为Q345qD、Q370qD，总质量约4 400 t。
2.1 钢塔厚板焊接质量及效率
2.1.1 结构特点及难点
钢塔节段采用厚板单箱室结构，壁板板厚80 mm，纵肋60 mm，焊缝密集、焊接量很大，尤其150 mm厚度的承压板，对接焊缝需要90多道。箱体断面为带切角的四边形，结构组装精度控制难度大、稳定性差，焊接变形控制难度非常大，结构简图见图1。因此，钢塔厚板焊接质量及焊接变形控制是制作难点和关键点，生产效率也面临极大挑战。
2.1.2 技术措施及对策
1)针对板单元纵肋坡口焊缝数量多、焊接变形控制难度大的难点，为提高焊接质量和效率，购置了“门式多电极焊接设备”，采用先进的双丝MAG焊新技术，配备了机械式焊缝跟踪传感系统，实现了对焊缝根部位置的自动对位和智能化跟踪。焊接时板单元通过平位预变形后，门式多电极自动焊机在平位状态同步、同向焊接多个板肋，见图2。该技术具有工艺性能好、焊缝质量稳定、成型美观、焊接速度快、效率高且焊接变形小的优点。
2)针对钢塔环缝和四周棱角熔透焊缝等焊接工作量大，焊缝位置和接头多样的难点，充分考虑焊接工况下的实用性和可操作性，与厂家联合研发了“轨道式焊接机器人”焊接设备，见图3。该设备具有焊缝轨迹示教功能，可实现多种焊缝摆动控制方式，实现了钢塔立位、横位棱角焊缝自动化焊接，生产效率高，焊接质量稳定、外观匀顺美观，避免了人工操作的不稳定性，较好地保证了钢塔焊缝质量。
a-结构； b-纵肋与壁板坡口焊缝； c-棱角熔透焊缝； d-环缝对接焊缝。
1-填充盖面焊道； 2-壁板； 3-封底焊道； 4-打底焊道。
图1 钢塔节段结构及主要焊缝坡口示意
图2 门式多电极焊接设备
图3 轨道式焊接机器人
3)为控制焊接变形、保证焊缝质量、避免仰焊，根据钢塔结构特点，通过建立模型，分析计算节段重心位置，研发制作了大型铰式L形吊具，利用起重设备配合扁担梁实现对钢塔节段的整体空中翻身，见图4、图5。该技术安全地实现了钢塔小节段、大节段的无损伤空中翻身，不仅有效地避免了仰焊，实现了所有焊缝对称施焊的工艺要求，且具有成本投入少、生产效率高的优点。
图4 钢塔小节段空中翻身
图5 制作分段空中翻身
2.2 钢塔曲臂曲线线形精度控制
2.2.1 结构特点及难点
钢塔曲臂外形呈曲线状，断面为带切角的矩形，结构示意见图6。制作时不仅要考虑构件间的垂直和线性关系，而且要考虑弧度和非线性关系。因此，技术要求更高、难度更大，如何展开、弯曲、组装并保证曲线精度是制作难点。
图6 曲臂节段结构示意
2.2.2 技术措施及对策
1)曲臂侧壁板在宽度方向带弧线, 采用数控切割机直接切出圆弧线，预留工艺量，下料时合理选取起火点，控制热变形[1]，保证圆弧度；内、外壁板在板厚方向带弧线, 采用专用胎架(带有螺栓调整装置，可调出各种曲线)并利用面板柔性或适当配重来保证板单元组装精度和曲线线形要求，板肋用数控精密切割成形后，再采用顶弯技术修正弧度；角壁板采用Solidwork软件钣金展开功能精确放样，坡口采用自主研发的“自导式双面坡口切割小车”精切成型，并采用大型折弯设备分步多道折弯成型。
2)曲臂节段以胎架为外胎，隔板为内胎，采用“正装法”依次交替组装而成，在胎架上设置必要的丝杠顶推装置，便于在组装过程中对单元件进行施顶对位，确保组装精度的实现，并可提高效率。胎架的设计要充分考虑对节段曲线线形的控制，且有利于控制箱口尺寸。胎架端部须设置测量基点，便于组装过程中随时测量监控。
3)曲臂节段组焊完成后，需进行水平预拼装，根据曲线度和匹配需要，通过计算机模拟预拼装指令[2]，对曲臂节段端口预留长度进行精切。当通过一个接口可以将曲线度修正到设计允许的偏差范围内的，可直接配切修正。当误差较大，在满足单节段精度要求的前提下无法实现的，必须通过多个节段逐步修正，确保最终预拼装结果能够满足整体曲线线形的要求。
2.3 钢塔整体大节段制作
2.3.1 结构特点及难点
为响应港珠澳大桥管理局提出的“大型化、工厂化、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，总长67.9 m， 宽4.12 m，高18.35 m，总质量约970 t，结构示意见图7。大节段结构不规则，长细比较大，质量大、刚性弱。因此，整体大节段制作线形、支撑变形、长途海运安全等均是制作难点和关键点。
图7 钢塔整体大节段结构示意
2.3.2 技术措施及对策
1)针对钢塔大节段的细长比大，焊接接长过程中扭曲、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作分段；然后，再整体接长。施工中用液压千斤顶精确调整钢塔节段姿态，反复检测和调整，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，确认最佳姿态，实现节段精确对位匹配接长；针对环形焊缝，合理设计坡口，采用CO2气体保护焊小线能量、多层多道对称焊接所有焊缝，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预热，预热温度不低于100 ℃，以减小因温度应力引起的线形变化；焊后要进行保温处理，保温时间不少于8 h[3]。遵循对称施焊的原则，尽量采用轨道式焊接机器人进行焊接，减少人为因素对焊接质量的影响，避免返工。
2)为确保钢塔大节段在侧立发运状态与水平预拼装状态线形一致，利用有限元分析法对钢塔大节段在两种状态下的变形进行分析，见图8、图9，确定侧立状态下的支撑位置和状态, 确保大节段两种状态下线形变形最小化，保证桥位顺利吊装。
图8 水平预拼装状态变形 mm
图9 侧立发运状态变形 mm
3)为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、异型的结构特点，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。
钢塔制作过程中，通过对制作重点、难点采取科学合理的工艺措施，对全过程质量严格控制，保证了钢塔几何尺寸精度、焊接质量、预拼装线形及匹配精度等均满足设计及JTGTF 50—2011《公路桥涵施工技术规范》要求，相关主要控制项点检测结果见表1。
表1 钢塔主要控制项点检测结果
项点允许偏差/mm检测点数合格点数实测偏差/mm最大值最小值长度±2.018181.0-0.5宽度±2.072722.0-1.0箱口对角线差≤3.036363.0 0旁弯≤3.018182.0 0.5扭曲≤3.018182.5 1.0接口匹配错边量≤2.032321.5 0轴线垂直度≤1/1000036360.82/100000.26/10000
在港珠澳大桥钢塔制作过程中，针对制作难点和关键点，通过工艺技术研究和工艺装备开发，采取了一系列先进工艺措施和装备，使得钢塔制作过程中各种难点达到有效攻克并成功实践。目前，钢塔已顺利安装架设完成，制作精度经过了安装检验，验证了施工工艺技术的科学性，可供今后大型桥梁钢塔制作工艺的制定参考。
参考文献：
[1] 李毅，李军平. 南京三桥钢塔节段焊接变形及几何精度的控制[J]. 钢结构,2006，21(3) ：89-91.
[2] 常彦虎，章建，王岁利，等. 大榭二桥钢索塔制作难点分析及对策[J]. 钢结构,2013，28(9)：52-55.
[3] 张剑峰,车平，孙立雄，等. 桥梁钢塔柱制造焊接技术[J].金属加工,2011(10)：29-32.
ANALYSIS AND STRATEGIES ON FABRICATION DIFFICULTIES OF STEEL TOWER ON JIUZHOU CHANNEL BRIDGE OF HONG KONG-ZHUHAI-MACAU BRIDGE
Liu Zhigang Ma Zenggang
(China Railway Baoji Bridge (Yangzhou) Co. Ltd, Yangzhou 225107, China)
ABSTRACT：The structure characteristics and fabrication difficulties of steel tower on Jiuzhou Channel Bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge were analyzed. Relevant technical measures and strategies have been used to solve the difficulties and key points of thick plates welding of steel tower, linear control of the curve of bended section and overall large segments fabrication.Ideal results have been achieved and the production efficiency was improved. Therefore, it can provide an important reference for steel tower fabrication in future.
KEY WORDS：Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge; steel tower; analysis of difficulties; strategies
第一作者：刘志刚，男，1979年出生，高级工程师。
Email：lzg_sx@163.com
收稿日期：2015-03-03
DOI：10.13206/j.gjg201508018
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