斜拉索桥导索管精度控制技术

李洪明 周明涛 陆世华 周井华

1 苏格兰钢桥项目概述
目前大型钢结构桥梁为实现大跨度航道通行，广泛采用斜拉索式结构。常见的拉索均以中心塔成对称分布支撑，通过斜拉索与箱梁进行锚固，根据桥梁跨度的长短，斜拉索的数量及角度将随之变化。

苏格兰钢桥项目采用斜拉索结构形式，为单塔自锚式三室钢箱梁悬索桥，该桥总跨为2 094.5 m，由南往北通过南塔（高202.267 m）、中心塔（高210.717 m）和北塔（高202.267 m）。南北塔以中心塔成对称分布支撑，通过斜拉索与箱梁进行锚固，其跨度分布为691 m、650 m、753.5 m。主梁为三塔四跨双索面钢硂叠合梁斜拉桥结构。每根斜拉索设置一个导索管，根据位置的不同，其长短大小也有所不同。在制作过程中如何高效、精确定位导索管的空间角度，是导索管的制作难点。

2 导索管的作用
苏格兰钢桥项目是一座三塔式斜拉索桥，由南向北通过南塔、中心塔和北塔，通过斜缆与箱梁进行锚固。全桥共计288 个导索管组件，为便于对桥梁拉索的维护及维修，将索管设计成开放式，并通过栓接加强板对上下法兰板及导索管进行加强。由于拉索与桥面之间呈空间角度，使其设计对零件下料、加工及导索管组装等提出了更高的要求。同时，因为拉索角度的不同，使得全桥每个导索管组件均不相同，造成导索管制作过程更加繁琐。

在斜拉索式钢结构桥梁中，导索管是保护拉索的重要构件之一，精度要求相对高。该钢桥共288 根斜拉索，斜拉索与桥塔位置不同，斜拉索的角度也将随之变换，其倾斜角度介于46°～ 92°之间。导索管组件见图1。该钢桥导索管在设计要求中明确提出，导索管制作必须严格满足角度要求，并要求采用莱卡进行角度检测。如果角度与现场斜拉索角度偏差超过要求，斜拉索就会与导索管发生碰撞干涉，从而影响拉索使用安全及寿命。因此，导索管制作前，必须编制完善的工艺方案及制造精度控制技术。

图1 导索管组件

3 导索管的结构
导索管主要由导索管组件和支撑组件组成。导索管组件主要由下法兰盘、下法兰盘连接件、索管、索管盖板、上法兰盘、上法兰盘连接件组成；支撑组件主要由支撑底座、支撑板、支撑加筋、垫片组成。拉索与水平面存在复合角度，一是索管沿着拉索的倾斜方向角度；二是桥面与水平面存在的一个2.5% 的滚水坡角度，而下法兰盘及支撑底座与桥面贴合。因此造成索管与下法兰盘之间呈三维空间复合角度，索管与下法兰的相贯面为空间曲面，支撑板与索管的相贯面也为空间曲面。见图2。

1. 索管盖板 2. 上法兰盘连接件 3. 上法兰盘4. 支撑板 5. 支撑底座 6. 垫片散件 7. 支撑加筋 8. 索管9. 下法兰盘 10. 下法兰盘连接件
图2 导索管组件结构划分

根据导索管结构形式以及导索管组件倾斜角度的不同、索管直径大小的不同，底部法兰板的大小也随之变化。导索管制作时，对导索管底部法兰板的平整度要求极为严格，因此，下法兰盘从放样下料到安装均需重点精度控制。

4 导索管精度控制技术
4.1 三维模拟仿真放样技术
本桥梁288 件索管有9 种不同规格的管径，且管径较大，无法直接采购，只能通过板材卷圆获得。索管与下法兰的安装面为空间曲面，在卷圆完成后，需要一次切割完成此相贯面，而传统相贯线切割机只能切割单角度板管相贯面。经过多次试验后，通过创建三维模型，采用上下干涉面以及特定软件生成切割程序，将切割程序导入相贯线切割机，实现了索管相贯面的精确切割（见图3）。使用普通的相贯线圆管切割机满足空间相贯面的切割要求，大大降低了相贯切割对数控机床的要求，从而节约了下料成本。

图3 索管三维干涉面图

4.2 斜撑板相贯面加工技术
斜撑板与索管相贯面为空间相贯面，下料无法直接切割出来。传统的手工切割、打磨方法无法满足相贯面贴合的精度要求，且加工过程中受热产生的旁弯校正周期也比较长。公司现有的普通镗铣床无法加工出三维相贯面，而多轴数控加工中心虽然可以实现精密加工，但是该方法生产成本较高，且生产效率低。根据斜撑板倾斜角度多变性及相贯坡口的结构形式，设计了专门的加工工装（见图4）。斜撑板采用数控切割机下料，圆弧凹槽处预留30 mm 加工余量，借助工装设备，一次加工出斜撑板相贯面。此工装在一个普通的镗铣床上都可以使用。由于导索管的角度不统一，在斜撑板加工工装中专门设计了倾斜角度的可调装置，从而减少了斜撑板加工时角度调节的时间，提高了工作效率，大大提高了斜撑板相贯面的加工效率，有效降低了生产成本。

图4 斜撑板加工工装

4.3 导索管组件拼装精控技术
导索管的设计需要开槽整体安装，三维角度难以控制；焊接变形量大，使用一般检测工具无法满足尺寸控制的要求；焊后、镀锌后导索管应力释放导致尺寸变化。面临种种难题，下面将对导索管的拼装精度控制技术进行解析：

1）导索管拼装胎架搭建
在导索管拼装胎架搭建时就要考虑如何来保证导索管到施工现场完全满足安装要求。根据导索管的结构特征，同时为了方便导索管组件及导索管支撑板组件的装配、检验，导索管拼装胎架搭建时，胎架线型必须完全按照桥面线型进行搭建布置。见图5。

图5 导索管拼装胎架

2）导索管装焊控制技术
装配尺寸控制。在胎架上绘制出导索管及斜撑板的纵横向定位线，所有角度均满足设计图纸要求。按照地样线（见图6）中心线的位置对齐装配下法兰及斜撑板，斜撑板的角度使用角尺调整固定。按照索管及下法兰盘上的定位线，将索管吊装到位，并加以固定。

焊接变形控制。索管装配完成后，为防止导索管下法兰板焊接时产生变形，通过安装工艺卡码将法兰板与胎架进行固定来防止变形。工艺卡码安装在导索管下法兰间隔约200 mm 的四周，并采用锲块进行卡紧。制定焊接顺序。索管焊接时，先焊接斜撑板与导索管的焊缝，再焊接索管与下法兰板的焊缝，最后焊接斜撑板与支撑底座之间的焊缝。焊接完成后确保底板的平整度控制在1 mm/m 以内。

图6 导索管拼装地样线

3）测量控制技术
导索管在每个需要测量的位置全部敲上洋冲，便于焊后、镀锌后复测。整体装配好后使用莱卡全站仪测量导索管上的关键点，将测量点整体导入对应的导索管模型（一个导索管对应一个模型），测量点与三维模型匹配，以支撑底板为基准建立UCS 坐标系，检查L 1、L 2、L 3、L 4 的尺寸与模型的偏差（见图7）；以导索管圆心（可以在管壁上测量3 个点，建立UCS 坐标系模拟圆心）为基准建立UCS 坐标系检查导索管角度；以CP 为基准再次建立UCS 坐标系，检查D.P 与模型的偏差（D.P 的计算公式为D.P = ）。按照该测量方法，一个导索管需在装配、焊后、镀锌后进行三次测量，确保尺寸合格。

图7 导索管测量示意图

通过对导索管及斜撑板角度进行检测、再调整等多道工序的实施，最终使得索管的倾斜角度偏差≤ 0.5°，索管到斜撑板底座开档控制在±5 mm 范围，每组导索管的测量数据均以GP604W/GP604E（即GP604 西线、GP604 东线）同等测量（见表1）。

4）盖板及索管钻孔技术
盖板在使用数控钻床钻完螺栓孔后，为了方便拉索后期的安装、维护、拆卸及维修，将索管的上下法兰连接件预先预制成组件，从而实现整体拆卸。上下法兰连接件安装时，需控制角度。组件制作完成后，根据装配线将盖板组件安装至索管开槽位置，检验校正合格后，使用磁力钻配钻出索管上的螺纹孔。全部安装完成后，对导索管进行再次测量检验。

5 结论
采用合理的制作工艺技术方案，进行导索管结构的制作，每道工序都进行精确控制。主要采取了以下技术手段：
1）三维仿真虚拟放样技术及斜撑板相贯面加工工装，实现对原材料下料坡口环节进行了精准控制；
2）在导索管拼装中，按照对胎架、装配尺寸、焊接控制等技术要求，完成了导索管的精准装配控制；
3）三次莱卡全站仪测量与三维模型进行匹配，精准控制导索管的三维空间导向角度要求。实现了导索管的精确制造，对于斜拉索钢结构桥梁导索管结构的制作提供了技术参考。