《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》是中鐵寶橋股份有限公司於2006年6月3日申請的專利，該專利公布號為CN101046087，專利公布日為2007年10月3日，發明人是李軍平、李毅、張寶德、章健、黃鑫。
一種具有曲線線形的橋樑鋼塔柱，其鋼塔柱由若干呈曲線的鋼塔節段連線而成，且每個節段的曲線線形與其在鋼塔柱整體所處位置的曲線線形相對應。《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》包括板單元製作時的曲線成形方法和組裝時採取的工裝控制措施等，保證了鋼塔節段的曲線線形。利用該發明，通過採取必要的鋼塔零部件曲線成形工藝及焊接變形控制技術，順利地完成了世界第一曲線鋼塔（南京長江三橋）的製造任務，為曲線鋼塔的製造積累了豐富經驗。
2017年12月11日，《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法
- 申請公布號：CN101046087
- 申請公布日：2007年10月3日
- 申請號：200610042921X
- 申請日：2006年6月3日
- 申請人：中鐵寶橋股份有限公司
- 地址：陝西省寶雞市渭濱區清姜路
- 發明人：李軍平、李毅、張寶德、章健、黃鑫
- Int. Cl.：E01D19/14(2006.01)、E01D21/00(2006.01)、E04H12/08(2006.01)
- 專利代理機構：寶雞市新發明專利事務所
- 代理人：席樹文、苟紅東
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
鋼結構產品符合環境保護和資源再次利用的需要，具有強度高、自重小、抗震性能好、施工速度快、地基費用省、工業化程度高、外形美觀等一系列優點，許多重大工程中廣泛採用了鋼結構，均取得了一定的成就。尤其是美國、日本等已開發國家，在大型、特大型橋樑建設中，除鋼箱梁採用鋼結構外、橋塔大多也採用鋼結構，既提高了橋樑的美感、縮短了橋樑的建設工期，又產生了巨大的經濟效益及社會效益。21世紀近半個世紀以來，在日本等國外已開發國家，陸續建造許多橋樑鋼塔柱，其線形均為直線形或折線形。直線形和折線形的橋樑鋼塔柱儘管可以滿足實用要求，但其美觀度不夠，給作為城市一大景觀的橋樑留下了不小的遺憾。
截至2006年6月，中國橋樑建設取得了巨大成就，一大批結構新穎、科技含量較高的大型橋樑使天塹變通途。但在南京三橋以前，中國的大型懸索橋、斜拉橋橋塔均採用鋼筋混凝土結構。對採用鋼結構的橋塔，這一標誌國際橋樑建設的高尖技術在中國尚是一個空白，而曲線形鋼塔在世界範圍內也從未建過。
從技術角度來說，由於鋼塔結構形式複雜、焊縫密集、幾何精度要求極高，而且曲線鋼塔在世界上也無先例可借鑑，因此，如何保證大尺寸鋼塔柱的曲線線形是曲線形鋼塔柱建造的重大難題。
發明內容
專利目的
《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》的目的是提出一種具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線線形控制方法，以解決橋樑建設中具有大尺寸曲線鋼塔柱製造過程中曲線線形控制技術，以確保建成的鋼塔柱整體曲線線形保持連續和美觀。
技術方案
具體的說，一種具有曲線線形的橋樑鋼塔柱的曲線控制方法，其板單元製作時採取以下措施保證曲線線形：
（1）對板厚方向帶曲線的內外壁板、內外腹板，採取了門切機下料工藝；（2）對內外壁板、內外腹板上的縱肋，採用門切機下料且用頂彎機頂出所需的弧形曲線；（3）對板寬方向帶圓弧的側壁板，用數控切割機直接切割出弧線，對其上的縱肋，在組裝時直接按線裝出弧線。
《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》曲線控制方法，其在組裝時採取以下措施保證曲線線形：
（1）塔柱節段的板塊，在縱向加勁肋組裝、焊接時設計製作了組裝及焊接變形控制胎架，該胎架設定了縱向曲線和橫向反變形，並且周邊施以剛性固定；（2）在板塊對接成板單元、板單元組裝成塊體、塊體組裝成箱體的整個過程中，所用的組裝、焊接胎架全部按照塔柱曲線線形設計製做，使整個生產過程中的曲線線形都在控制之中。
改善效果
《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》採用曲線形鋼塔柱的最大優點是美觀，符合城市橋樑的景觀要求，而合理的曲線線形控制技術是保證實現設計意圖的關鍵。通過採取必要的鋼塔零部件曲線製造及焊接變形控制技術，順利地完成了世界第一曲線鋼塔的製造任務，為曲線鋼塔的製造積累了豐富經驗。
利用該發明技術建造的南京三橋採用頂天立地的“人”字形鋼索塔，總高215米，上塔柱全部採用鋼結構，鋼塔柱高178.696米，鋼塔柱截面為切角矩形結構，鋼塔柱由21個節段組成，節段間採用端面金屬接觸及摩擦型高強螺栓連線並用的接頭形式。在世界上首次採用曲線鋼塔形式（塔柱外側半徑為720米的圓弧曲線），造型新穎美觀。
附圖說明
圖1為組成《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》鋼塔柱的節段箱體中板單元劃分示意圖。
圖2為該發明中組成鋼塔柱的箱體節段結構示意圖。
圖3為該發明箱體節段組裝時變形控制約束情況示意圖。
圖4為該發明中組成鋼塔柱的箱體節段構成結構示意圖。
圖5為該發明中鋼塔柱示意圖。
技術領域
《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》屬於固定建築物中的橋樑建造技術領域，特別是鋼結構橋樑中的曲線線形鋼塔柱曲線控制方法。
權利要求
1、一種具有曲線線形的橋樑鋼塔柱的曲線控制方法，其特徵是構成曲線鋼塔柱的板單元製作時採取以下措施保證節段曲線線形：
（1）對板厚方向帶曲線的內外壁板、內外腹板，採取了門切機下料工藝，利用帶曲線的專用組裝胎架及自重確保曲線要求；（2）對內外壁板、內外腹板上的縱肋，採用門切機下料、用頂彎機頂出所需的弧形曲線；（3）對板寬方向帶圓弧的側壁板，利用數控切割機直接切割出弧形曲線，對其上的縱肋，在組裝時直接按線裝出弧線；並且組裝時採取以下措施保證曲線線形：
（1）塔柱節段箱體的壁板、腹板板塊，在縱向加勁肋組裝、焊接時設計製作了組裝及焊接變形控制胎架，該胎架設定了縱向曲線和橫向反變形，並且周邊施以剛性固定；（2）在板塊對接成板單元、板單元組裝成塊體、塊體組裝成箱體的整個過程中，所用的組裝、焊接胎架全部按照塔柱曲線線形設計製做，使整個生產過程中的曲線線形都在控制之中。
實施方式
《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》所述的一種具有曲線線形的橋樑鋼塔柱，其鋼塔柱由若干呈曲線的鋼塔節段連線而成，且該節段曲線線形與其在鋼塔柱整體所處位置的曲線線形相對應。
所述的鋼塔節段中，板厚方向內外壁板單元（13、9）和內外腹板單元（11，10）呈弧形曲線；板寬方向兩側的側壁板單元（8）呈弧形曲線，且與內外壁板、內外腹板的曲線相匹配；同時該弧形曲線與其在鋼塔柱整體所處位置的曲線線形相對應。
所述的鋼塔節段由內壁板單元（13）、內腹板單元（11）、外壁板單元（9）、外腹板單元（10）和兩側的側壁板單元（8）、橫隔板單元（12）構成；內壁板單元（13）與內腹板單元（11）之間以及外壁板單元（9）與外腹板單元（10）之間用橫隔板單元（6）和四個角壁板單元（7）連線，內、外腹板單元之間用橫隔板單元（12）連線，側壁板單元（8）與內壁板單元（13）、內腹板單元（11）、外壁板單元（9）、外腹板單元（10）焊接後形成箱體。
上述除角壁板單元外，其餘的板單元均由鋼板上焊接加勁肋（構成板塊）後對接構成（形成單元）。
一種具有曲線線形的橋樑鋼塔柱的曲線控制方法，其板單元製作時採取以下措施保證曲線線形：
（1）對板厚方向帶曲線的內外壁板、內外腹板，採取了門切機下料工藝，在組裝板塊時，利用帶曲線的胎型及自重確保曲線線形要求；（2）對內外壁板、內外腹板上的縱肋，採用門切機下料且用頂彎機頂出所需的弧形曲線；（3）對板寬方向帶圓弧的側壁板，利用數控切割機直接切割出弧線形，對其上的縱肋，在組裝時直接按線裝出弧線。
該發明曲線控制方法，其在組裝時採取以下措施保證曲線線形：
（1）塔柱節段箱體的壁板和腹板單元的板塊，在縱向加勁肋組裝、焊接時設計製作了組裝及焊接變形控制胎架，該胎架設定了縱向曲線和橫向反變形，並且周邊施以剛性固定；（2）在板塊對接成板單元、板單元組裝成塊體、塊體組裝成箱體的整個過程中，所用的組裝、焊接胎架全部按照塔柱曲線線形設計製做，使整個生產過程中的曲線線形都在控制之中。
該發明被使用在南京長江三橋鋼塔柱製造中。由於鋼塔結構複雜，組成零件多，壁板和腹板厚度較大，且焊縫密集（共有32條坡口角焊縫及多條隔板角焊縫）、幾何精度要求極高，對曲線鋼塔的製造，國內外又無經驗可循，經反覆研究分析，除了採取該發明措施外，還採用了如下控制技術：
1、研究確定了較為合理的鋼塔節段防止和減小焊接變形的總體製造工藝方案。
如附圖1和2所示，分別給出了組成鋼塔節段的箱體中板單元和塊體劃分示意。箱體由內外塊體、側壁板板單元（8）、中間橫隔板（12）和錨箱構成，而塊體則是由壁板單元（9、13）、腹板單元（10、11）、角壁板和（7）邊側橫板單元（6）構成。而內、外壁板單元由兩個板塊對接構成；內、外腹板由三塊板塊焊接成；由內、外塊體、兩個側壁板、中間橫隔板、錨箱構成箱體。
2、根據曲線塔段結構形式，對組成塔段的壁板、腹板及縱肋，採取了合理可行的曲線成型和控制技術：
a. 對板厚方向帶曲線的內外壁板、內外腹板，採取了門切機下料工藝，在由板（1）組裝板塊（2）時，利用帶曲線的胎架及自重確保曲線要求；而對其上的縱肋，採取了門切機下料、用頂彎機頂出曲線的工藝。
b. 對板寬方向帶圓弧的側壁板，採用了數控切割機下料工藝，直接下出弧線形；對其上的縱肋，在組裝時直接按線裝出弧線。
3、研究設計了帶有曲線線形的板塊組焊、板單元組焊、塊體組焊、箱體組焊專用胎架，使整個生產過程中的曲線線形能得以控制。圖3所示，組裝時的工裝包括保持角部直角角度的馬板（14）、控制豎向和橫向變形的豎向支撐（15）和橫向支撐（16），外部有專用胎型（17）。
鋼塔柱節段的壁板、腹板板塊，在縱向加勁肋組裝、焊接時，設計製作了組裝及焊接變形控制胎架，該胎架設定了縱向曲線和橫向反變形，並且周邊施以剛性固定；在板塊對接成板塊單元（3）、板單元組裝成塊體（4）、塊體組裝成箱體（5）的整個過程中，所用的組裝、焊接胎架全部按照塔柱曲線線形設計製做，使整個生產過程中的曲線線形都在控制之中。
4、採用合理、可行的焊接工藝、焊接順序等，減小甚至消除焊接變形對曲線線形的影響。圖4給出了箱體節段的製作示意圖。
根據塔柱線形、結構特點及焊縫焊接要求，對焊縫坡口形式、坡口大小等進行了設計，並根據綜合分析研究，確定了塊體、箱體的焊接順序和每道焊縫的填充量，對曲線線形的控制起到了重要作用。
合理最佳化鋼塔節段在製造過程中板塊、板單元、塊體、箱體的焊接工藝，對焊接變形控制起到了較好效果。如：對板塊縱肋焊接，通過試驗，最終選擇平角位的雙嘴頭C02氣體保護焊對稱施焊縱肋工藝，既可提高生產效率，又有利於保證縱肋的垂直度要求；考慮到壁板、腹板厚度較大，為了減小對接產生的角變形，其板單元對接時採用了埋弧自動焊雙面焊工藝，坡口設計為不對稱坡口，施焊時，先焊大坡口面、後焊小坡口面；對塊體、箱體焊縫均採用在內外約束狀態下的C02氣體保護焊對稱、同方向、同步焊接工藝，只是在塊體時，焊縫金屬填充量只完成1/2，以避免過大的焊接變形使得塊體難以修整而影響箱體組裝。
榮譽表彰
2017年12月11日，《具有曲線線形的橋樑鋼塔柱曲線控制方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
