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南京长江第三大桥钢索塔制造安装关键技术报告2005年11月各位领导专家，你们好！南京长江第三大桥（简称南三桥）已在万人瞩目下、在大桥建设相关单位的共同努力下顺利开通了。南三桥在建设过程中，在设计、施工和组织上取得了不少引人瞩目的成就，值得我们进行总结和回顾。在此，我特别向大家作钢索塔制造安装关键技术的总结报告。南三桥钢塔制造安装工程，施工合同签订于2003年11月，完工于2004年12月，历时仅1年1个月，创国际上同等规模桥梁钢索塔制造工期昀短的记录。南三桥钢索塔的制造安装精度，完全达到了设计要求，达到世界先进水平。南三桥建成前，世界上比较有名钢索塔桥梁主要分布在日本、法国、美国、意大利和泰国等国家，其中以日本居多，而且日本的明石海峡大桥堪称当今世界上已建的大型钢索塔桥梁的代表。所以，当时日本的桥梁钢索塔制造施工技术在世界上独占鳌头，代表了世界先进水平。我的报告分以下几个部分：一.南三桥钢索塔简介南京长江第三大桥设南塔和北塔两个钢索塔，塔高215m，每个索塔由两个塔柱呈“人”形组成，两塔柱间用三道横梁连接，每个塔柱分21节端，节端重105t～139.57t。每个索塔连同钢混结合段在内重约6000t，全桥钢索塔重约1200t。钢索塔节段断面为6.8m×5m的切角矩形，节端间采用端面金属接触、摩擦型高强螺栓连接并用的接头形式。节段主要承受和传递压弯荷载。二.钢塔制造安装主要精度要求和制造难点1.钢塔制造和安装主要精度要求2.钢塔制造安装主要技术难点分析通过对钢塔整个制造安装过程进行分析研究后，并结合日本咨询公司提供的资料，我们认为：桥梁钢索塔的制造安装在国内尚属首次，施工难点很多，难度也较大，但其中比较突出的是节段制造焊接变形的控制及节段端面的精密加工。节段制造焊接变形的控制：由于钢索塔节段箱体断面大、几何精度要求高，四个角部焊缝集中并且填充金属量误差允许值±2(mm)±2(mm)±3(mm)±1(mm)1/10000±3(mm)4（mm）12.5μm±2.0(mm)×n1/100002(mm)壁板50%腹板40%加劲肋25%±2.0×n（mm)顺桥向1/4000横桥向1/4000δ≤2.0（mm)4（mm）塔节段壁板：≥50％塔节段腹板：≥40％加劲肋板：≥25％L1：±6mmL：±12mmL1为相邻锚点间距L为极边锚点间距钢索塔安装控制精度安装高度（H）垂直度对接口板错边量横梁中心处标高的相对差端面金属接触率斜拉索锚固点间距预拼装控制精度全长垂直度相邻端面错边量端面金属接触率精度控制参数塔柱节段组装及端面机加工控制精度截面长度截面宽度对角线节段高度端面对轴线的垂直度扭曲弯曲度端面粗度大，焊接收缩量和90°直角的控制难度很大，而焊接收缩量和90°直角的控制效果直接影响钢塔节段箱口尺寸和节段扭曲，箱口尺寸和节段扭曲误差是引起钢索塔相邻节段错边的直接原因。节端端面精密加工：南三桥钢索塔有两项非常重要且精度要求很高的技术指标：索塔的垂直度和节段间金属接触率。由于设计对节段间有金属接触的要求，所以这两个指标必须靠节段的精密加工来保证，而且由于大型工件的精密加工对切削参数的选用、环境温度的变化及工件刚性等因素非常敏感，对测量技术有很高的要求，所以不只是在国内，在国际上也是少数工业发达的国家才能涉足的领域。所以说，这次南三桥钢塔节端的加工对施工单位来讲是一次高难度的挑战。三.钢索塔制造安装流程四.钢索塔节端加工制造关键技术研究为了在规定的工期高质量地完成南三桥钢索塔的制造安装任务，我们针对钢索塔制造安装的技术难点和难题，在生产前和生产过程作了大量的试验和研究工作，获取了不少重要而珍贵的试验数据，并取得了一些对钢索塔制造有实际工程价值结论，下面，我对其中较为重要内容进行介绍。1.索塔节段钢结构制作焊接变形控制研究研究内容和目的：z研究和优化节段钢结构制作的工艺方法和工艺参数，以尽可能控制和减小节段钢结构制作过程中的焊接变形，昀终保证节段的制作精度达到设计要求。研究过程和结果：单元块体划分方法内块体外块体内壁板单元角部侧壁板角部壁板侧壁板单元侧壁板单元内腹板单元外腹板单元外壁板单元边侧横隔板单元中间横隔板单元z节段钢结构制作分三个步骤第一步制作板单元件。第二步制作块体。第三步将块体组装焊接成节段。z各制作阶段的变形控制措施¾板单元制作焊接变形控制措施a)在制作壁板单元时，为了有效控制焊接变形，板块纵肋焊缝焊接时制作了焊接胎架。该焊接胎架可以通过活动的反变形板预置钢索塔的线形和焊接反变形量，控制板块的弯曲变形。b)在制作壁板单元时，纵肋焊接采用对称焊焊接方式。c)在制作壁板单元时，采用专用设备进行焊接变形热矫正。d)隔板制作焊接时，对隔板进行多点强制约束，并采用对称、分散的焊接方法。中间横隔板单元、锚箱侧壁板单元侧壁板单元外块体内块体纵肋焊接专用胎架采用对称二氧化碳气体保护焊焊接方式减小变形专门研制的焊接变形热矫形机隔板焊接变形控制措施¾块体制作焊接变形控制措施a)设计制造块体组装焊接专用工装，工装具有调整线形和对块体进行约束的功能，借以实现对块体线形和焊接变形的控制。b)块体按照要求组装后，四周均用丝杠顶紧，上部用压紧横梁固定，对块体进行外约束。图板焊接变的控制板单元对接时预留反变形量c)端部设置工艺隔板、直角部位有角件形成内约束。d)拐角处焊缝预留焊接收缩量，然后焊接。正在组装过程中的块体组装完成的块体¾节段组装焊接变形控制措施a)确定合理的焊接顺序和焊接方向；b)控制每一条焊缝各位置下的焊接填充量；c)角部壁板间外侧无孔部位增加刚性三角形焊接固定码，箱口有孔部位增加栓接固定码；d)壁板与壁板间、腹板与壁板间无孔部位增加刚性三角形焊接固定码，箱口有孔部位增加栓接固定码；e)节段外侧适当部位与胎架增加刚性连接；f)所有的焊缝在刚性约束的情况下在胎架中完成。节段组装焊接胎架内角约束外角约束¾节段钢结构制作主要项点检验结果统计节段高度尺寸精度-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.513579111315171921232527293133353739414345474951535557596163656769717375777981838587塔柱节段尺寸精度（mm）MaxMin节段宽度尺寸精度-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.513579111315171921232527293133353739414345474951535557596163656769717375777981838587塔柱节段尺寸精度（mm）MaxMin节段对角线尺寸精度00.511.522.533.513579111315171921232527293133353739414345474951535557596163656769717375777981838587塔柱节段尺寸精度（mm）节段扭曲尺寸精度00.511.522.513579111315171921232527293133353739414345474951535557596163656769717375777981838587塔柱节段尺寸精度（mm）小结：南京三桥钢塔节段制造过程中，采用板单元→块体→节段的组装方案，对结构形式密集焊缝进行分步分级控制；预留适当焊接收缩补偿量，设置合理的反变形量；通过工装进行约束，控制和减小了焊接变形；采用合理的焊接方法及焊接顺序等，有效的控制了钢塔节段的焊接变形，保证钢塔节段几何尺寸精度。2.节段加工和测量时的姿态调整和支撑反力管理方法研究研究内容和目的：z节段平放时支撑反力和节段变形关系的研究z节段加工时姿态调整方法的研究研究结果：z支撑反力的不同组合会引起节段不同程度和形式的扭曲变形。z支撑位置的不同组合会引起节段不同程度和形式的弯曲变形。z以上两种变形都引起加工误差不可忽略。z按照有限元分析和试验结果，只要支撑位置按指定位置布置、反力的大小按下列条件要求控制，节段的弯曲变形和扭曲变形就能控制在可接受的范围之内。z利用数控液压支撑定位系统能同时完成支撑反力大小的控制和节段姿态的调整。数控液压支撑定位系统为快速准确调整节段和机床间的位置及进行支撑反05.02121≤+−NNNN││05.04343≤+−NNNN││反力控制力控制而设计制造的一套高精度专用数字控制找正定位系统，系统既能用负载作为反馈信号进行力大小调整控制（控制精度±1t），也能用液压顶升部件的工作位移作为反馈信号进行位移调整控制。¾系统主要技术指标如下（参照图2.7.7坐标系）：a)绕x轴角度调整控制精度：1/40000b)绕y轴角度调整控制精度：1/80000c)绕z轴角度调整控制精度：1/70000d)z向调整精度：0.1mm3.温度变化对节段加工或测量的影响及对策z节段加工或测量时，工件本身温度随时间的变化或温度场分布的不均都会带来加工或测量误差，对此，采取了以下措施：¾对机加工车间采取隔热隔光措施，降低外部气温变化对机加工环境温度的影响，在厂房内四周设置空气对流风机，保证厂房内温度场均衡，降低机加工厂内环境温差。¾机加工车间内设工件均温区，提前对节段的温度进行均衡，保证塔柱节段划线加工前温度与机加工时的温度保持一致。¾将端面精加工工序放在温差昀小的时段进行。为了监测厂房内温度变化情况，找出不同时期温差昀小的时段，我们坚持对厂房内温度进行24小时监测，并绘制温度变化曲线。下面为2004年10月20日机加工车间的温度变化曲线。2004年10月20日温度变化曲线01020300:06:431:46:433:26:435:06:436:46:438:26:4310:06:4311:46:4313:26:4315:06:4316:46:4318:26:4320:06:4321:46:4323:26:43时间刻度温度(℃)4.节段加工测量方法试验和研究试验和研究目的：z确定钢索塔节段的空间精密测量方法z确定钢索塔节段平面度的测量方法研究过程和结果z通过对工业测量网系统和激光自动跟踪测量系统（简称API）进行对比研究后，我们昀终选用了API测量系统，理由是API测量系统具有功能强大、精度高、测量效率高、测量结果可靠、使用方便、维护简单等优势。明石海峡桥钢索塔节段加工时机床平面度的测量明石海峡桥钢索塔节段空间测量方法南三桥钢索塔节段空间测量方法5.节段端面加工前基准标定方法研究研究内容和目的：z确定节段加工找正及测量的工艺基准。z研究节段加工找正基准的标定技术。研究过程和结果：z基准的选定用节段安装位置的顺桥向及横桥向轴心面作为节段加工和安装基准，因为这两个基准面能更准确反映节段在钢塔安装时的空间位置，但这两个面虽然存在但是无形的，在施工中必须用其它有形的特征代替它。经研究，我们昀终选用划线和激光标靶两种方式标定节段加工找正基准。节段加工找正及测量的工艺基准¾基准的测量和计算用API激光测量仪对节段实体端面轮廓上的特征点及壁板上的3个激光标靶进行空间测量。测量完成后在计算机中用测量数据构造节段的三维数据模型MS。然后根据设计图纸，在计算机中利用节段端面角点的理论数据构造理论节段的三维数据模型ML。用专用程序在同一坐标系中将理论节段数据模型ML与实际节段数据模型MS进行昀小二乘意义上的昀佳拟合,其数学模型是求解满足下列条件的x,y,z,θx,θy,θz：∑=2012min(idx+∑=2012idy+)4012∑=idz=f1(x,y,z,θx,θy,θz)其中x,y,z,θx,θy,θz为MS在ML坐标系中的位置姿态参变量变量。当MS与ML的位置关系满足以上条件时，用ML的基准面代表MS的基准面。¾基准面的标识a)用划线标识基准面在节段理论模型ML与实际模型MS昀小二乘昀佳拟合状态下，求出理论节段模型ML横桥和顺桥向轴心面与实际塔段数据模型MS的交线，根据计算结果用专MS的建立用划线工装在工件壁板表面划出端面机加工线及基准面与壁板的交线，这些线将作为钢塔预拼和安装时昀重要的的测量标识。b)用激光靶标标识基准面6.节段加工找正方法南京三桥节段机加工找正用了一套具有明