淺談美國(guó)舊金山新海灣大橋鋼塔設(shè)計(jì)制作方案

趙星，孫岑璐上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司

淺談美國(guó)舊金山新海灣大橋鋼塔設(shè)計(jì)制作方案

趙星，孫岑璐
上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司

1989年10月，里氏7.2級(jí)的黑山（Loma Prieta）地震嚴(yán)重?fù)p壞了美國(guó)舊金山海灣大橋東段結(jié)構(gòu)，部分上不結(jié)構(gòu)坍塌，造成一人死亡，大橋被迫關(guān)閉一個(gè)月之久，經(jīng)過(guò)修復(fù)后繼續(xù)維持交通至今。舊金山-奧克蘭新海灣大橋位于美國(guó)舊金山灣，是世界上第一大單塔自錨懸索鋼橋，整個(gè)鋼塔全部為栓焊結(jié)構(gòu)，塔身由4根五邊形鋼柱和連接橫梁組成，最大板厚達(dá)到100mm。其制作難點(diǎn)在于節(jié)段重量重、斷面大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、幾何精度要求高，對(duì)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(chǔ)上，著重的解釋了鋼塔設(shè)計(jì)的制作方案及鋼塔裝配過(guò)程中的影響因素。

舊金山新海灣大橋；鋼塔設(shè)計(jì)；裝配

引言

舊金山-奧克蘭新海灣大橋位于美國(guó)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(jié)構(gòu)總重量為4.5萬(wàn)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(gè)鋼塔全部為栓焊結(jié)構(gòu)，塔身由4根五邊形鋼柱和連接橫梁組成，最大板厚達(dá)到100mm。其制作難點(diǎn)在于節(jié)段重量重、斷面大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、幾何精度要求高，對(duì)塔的垂直度要求非常高。鋼箱梁總長(zhǎng)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(lián)系橫梁組成，采用栓焊結(jié)構(gòu)，總重為30000噸。

一、鋼塔設(shè)計(jì)制作方案

鋼塔在制作過(guò)程中分為5段，每個(gè)段由4根五邊形鋼柱組成，其中最長(zhǎng)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(jié)段組裝成車間分段→③翻身焊接成型→④節(jié)段劃線→⑤端面加工→⑥上下兩節(jié)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(dá)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(guò)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(kāi)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(guò)程中的影響因素

美國(guó)鋼塔全部為厚板結(jié)構(gòu)，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(duì)稱分布。其余面板單元都是由厚薄板對(duì)接而成，縱向筋不對(duì)稱分布，其中B、C、E面隨著板寬的變化，縱向筋的數(shù)量逐漸減少。在標(biāo)高89m位置，C面、D面板單元存在一個(gè)焊接折彎，折彎角度分別為1°和2°。根據(jù)合同要求，在長(zhǎng)度方向上平整度不大于3mm，縱向筋、面板拼接錯(cuò)位≤2mm，縱向筋垂直度≤1mm，位置度±1mm。

1.焊接收縮對(duì)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(zhǎng)度方向的收縮最為嚴(yán)重。面板長(zhǎng)度方向的收縮是由各層隔板之間距離的收縮累計(jì)而成，縱向筋的焊接、板單元平整度、旁彎的校正都會(huì)造成面板長(zhǎng)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(biāo)高與藍(lán)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(lián)系梁的總裝。為解決這一問(wèn)題，我們選取一根塔柱的A面板作為基準(zhǔn)，通過(guò)底面的堆焊，盡量將多數(shù)隔板的標(biāo)高調(diào)整到與理論值接近，少數(shù)偏差較大的的隔板位置，則通過(guò)堆焊打磨橫梁孔進(jìn)行修正。A面板調(diào)整到位后，該塔柱其余四個(gè)面都和其它三根塔柱都以A面板為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。

為解決各層隔板之間距離收縮，我們?cè)诮窈蟮拿姘鍞?shù)控劃線時(shí)，橫梁孔暫不切割，待板單元制作完成后根據(jù)實(shí)際測(cè)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(duì)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?yàn)锳、E面是基準(zhǔn)，直接影響到其余各面的裝配。從實(shí)際制作情況來(lái)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(zhǎng)度方向較長(zhǎng)，因此長(zhǎng)度方向的大彎，在面板裝配后還可通過(guò)千斤頂調(diào)整，施工隊(duì)在板單元平整度的校正時(shí)，更多考慮的時(shí)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?cè)诎鍐卧谱鲿r(shí)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(lái)看，反變形的壓制量還過(guò)小，縱向筋焊接后仍有兩側(cè)上翹的現(xiàn)象，但部分寬度較窄的板反變形壓制較為困難，仍需通過(guò)焊后的校正來(lái)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(duì)接，厚薄板的收縮量有所不同，因此縱向筋焊接后就會(huì)使面板產(chǎn)生厚板側(cè)突起的旁彎現(xiàn)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(cè)放加熱板，這種方法的效果十分理想。

3.隔板對(duì)裝配的影響

隔板的外形尺寸。外形尺寸指的是隔板五個(gè)面和對(duì)角線的尺寸。因?yàn)楦舭逋庑纬叽缰苯佑绊懙剿耐庑纬叽纾虼烁舭宓耐庑纬叽珥毞浅＞_。目前，隔板的五個(gè)面通過(guò)整體機(jī)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(jī)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(dá)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(qū)域就會(huì)出現(xiàn)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(zhǎng)江第三大橋鋼塔工程控制技術(shù)[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2007,04:133-140.

[2]朱緒平.三瓣型高聳鋼塔風(fēng)振特性分析[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）,2013.

[3]謝學(xué)強(qiáng).大跨徑單索面組合梁斜拉橋鋼塔施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].石家莊鐵道大學(xué),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(tǒng)設(shè)計(jì)[J].世界橋梁,2015,05:1-5.