超大鋼拱塔提滑組合安裝技術

劉成群 魏 崗 卞北平

中國核工業華興建設有限公司 江蘇 南京 210019

目前，鋼索塔施工大多采用2種方式，即索塔原位分塊拼裝法和整體豎轉法。索塔原位分塊拼裝法面臨高處作業多、高空焊接難度大、線形控制復雜、安全措施費用高等問題，特別對于拱形塔頂部封閉結構，還存在塔吊扶壁設置、拱頂弧形結構合龍等技術難題。

整體豎轉法又分為三角起扳法和提滑組合法。三角起扳法需將索塔整體在轉鉸單側預拼，占用較大的跨內空間，在施工期間斜拉橋所跨越道路勢必要進行封閉或交通導行，對現有交通影響較大，同時三角起扳的過程中轉鉸將產生較大的水平推力，需采用樁基、承臺（使用后需拆除）等反力結構來抵消，對于高度較小、質量較輕的索塔采用該方法尚可，超高、超重索塔結構采用該方法將產生巨大的措施費用，很不經濟。提滑組合法借助結構外提升裝置配合支撐結構和底部滑移裝置來實現鋼索塔提升轉動，這種方式在一定程度上可解決場地受限問題，不過目前采用這一方式施工的鋼索塔均在橋寬方向較窄，支撐結構均設置在鋼索塔外側，對于拱形鋼索塔尚無應用先例。

1 工程概況

韓城市太史大街西延橋工程西起象山森林公園，東至巍山路交口，橋梁長度約1 830 m。景觀大橋為跨徑（108＋128）m的鋼結構拱塔斜拉橋，如圖1所示。

圖1 景觀大橋縱斷面示意

索塔采用拱形塔，全塔采用鋼結構，塔高為117.5 m，橋面以上塔高76.5 m，橋面以下41 m。鋼索塔截面尺寸縱橋向由拱腳向拱頂逐漸變化。豎向采用板肋加勁，沿拱塔軸線每隔2 000～3 000 mm（高度方向）設置1道橫隔板，橫隔板板厚16～25 mm。索塔采用箱形截面，壁板厚25～35 mm。主梁采用雙邊箱截面，道路中心線處梁高2 500 mm。頂底板設置了縱向U加勁肋，腹板采用板式加勁肋，每腹板設3根，錨索段增至5根。主梁標準節段長為10 000 mm，在錨索位置布置1道主橫梁。在2道主橫梁之間設置2道次橫梁，主橫梁與次橫梁間距為3 300 mm，次橫梁間距3 400 mm。

拱形鋼索塔采用“臥式拼裝，提滑組合”的方式施工，主塔提升質量約2 100 t，安裝高度117.5 m，利用部分主橫梁作為提升錨梁在鋼索塔內側設置提升塔架，在鋼索塔根部設置水平滑靴軌道牽引系統，通過豎向提升和水平牽引的協同作業實現拱形鋼索塔的90°豎轉。

2 工程重難點

2.1 施工安全風險大

拱形鋼索塔高度高、質量大，對支撐結構、提升設備的要求高，因此制定合理的控制措施、選擇相應的提升系統和設計可靠適應的輔助構件是確保施工成敗的關鍵，也是降低施工安全風險的有效措施。

2.2 道路保通難度大

景觀大橋主跨跨越現狀梁山路，施工期間韓城市西部南北通道G327、和巍山路均處于封閉施工狀態，梁山路成為韓城市西部南北方向唯一通道，梁山路寬約16 m，橋區兩側存在建筑物，無法進行交通導改。市政府要求施工期間梁山路必須保通，因此在單跨內拼裝鋼索塔難以實現。

2.3 成本控制要求高

該項目采用PPP模式實施，面對材料價格上漲、環保要求提高導致的潛在超概算風險，通過技術手段降低措施費用成為參建各方的共識，是施工單位控制成本的關鍵。

3 錨固橫梁位置分析

為確保豎轉提升期間拱形鋼索塔的強度、剛度、穩定性[1]，科學降低提升裝置的高度，根據設計文件分析出鋼索塔重心位置，將錨固橫梁位置模擬放置在鋼索塔重心上方6.25 m（即主塔70 m）處對稱設置提升吊點，利用Midas Civil（V8.32）對鋼索塔不同工況下的姿態進行分析。

分析結果顯示，錨固橫梁設置在結構重心上方6.25 m處，通過調節塔架標準節段（標準節長度6.25 m）的高度可以實現，既可以確保鋼索塔不同提升狀態下的結構內力和變形要求，也沒有過多地增加鋼索塔內側提升塔架的高度，安全性和經濟性均能較好地保證。

4 纜風體系置換分析

利用3D3S建立塔架計算模型，分別對塔架纜風繩1、3預緊狀態，纜風繩1、2、3、4同時預緊狀態，纜風繩2、4替換1、3之后的狀態進行了計算分析。分析結果顯示，纜風繩置換過程中塔架提升系統的結構變形和內力狀態均處于安全狀態，該方法評審期間通過專家一致認可，置換期間嚴格遵循對稱同步分級加載（卸載）的原則。

5 節段主橫梁移位設計分析

利用部分主橫梁節段作為提升錨梁，可利用長度為中間21.40 m，對提升吊耳位置和塔梁固結位置采取筋板補強，提高其抗扭轉能力。利用ANSYS進行局部仿真分析，分析結果顯示，補強后的錨固橫梁在豎轉期間是滿足使用要求的，在理論上是可行的。施工期間應重點控制兩側提升的同步和加載的線性，防止兩側出現超差現象。

6 關鍵技術

6.1 拱形鋼索塔內側提滑組合安裝技術

豎向提升系統：在主塔承臺中間設置4個高79.5 m的4 m×4 m的裝配式塔架作為提升支架；在裝配式塔架頂部設置提升梁，對稱布置6臺560 t提升油缸；順橋向設置4組纜風繩，每組纜風繩設置2臺200 t連續油缸；將主橫梁部分節段移位安裝至主塔約70 m處作為錨固橫梁構。

水平牽引系統：在塔底設置4條滑移軌道，索塔根部設置2組滑靴，行走方向設置4臺100 t連續牽引油缸，反向設置2組帶緊裝置。

提滑組合安裝原理如圖2所示。

圖2 提滑組合安裝原理

利用計算機液壓同步提升系統，按照運動軌跡方程，通過控制豎向提升系統與水平牽引系統的載荷同步來實現位移同步，利用位移計進行過程校核，完成鋼索塔的90°滑移提升。

6.2 結構主橫梁節段移位作為提升錨梁技術

結構主橫梁節段移位作為提升錨梁是非常巧妙地利用了原有結構梁作為提升受力構件和利用主塔提升裝置將主橫梁安裝就位的新穎方法，大大節約了單獨設置提升錨梁的費用和二次安裝主橫梁的措施費用，同時縮短了工期和安全風險，效果明顯。

具體方法為：提升錨梁作為鋼絞線錨固結構，頂面離承臺69.65 m，提升時隨鋼索塔旋轉。錨梁中間21.40 m利用原結構主橫梁，兩側通過變截面段與鋼索塔焊接。對原結構主橫梁耳板位置進行局部加勁，變截面位置預留配切量，拱形鋼索塔提升完成之后釋放荷載后帶緊提升鋼絞線，進行配切，利用提升裝置完成整體下放，二次配切完成后進行主橫梁合龍焊接。

6.3 豎向提升與水平滑移同步控制技術

6.3.1 同步控制技術分析

在滑靴軸線沿水平方向運動之后，提升轉軸沿豎直方向移動，且具有一定的數學關系。假設，滑靴軸線水平前移x，提升轉軸豎直提升y，運動軌跡為（3 870＋x）2＋（66 538－y）2＝66 6502。

根據上述分析可得到x與y位移的關系。那么其豎向提升速度與水平提升速度的關系與其位移關系相同（位移對時間的導數），為一圓弧曲線，關系較為復雜，很難通過常規的線性控制方法進行模擬分析。通過對x、y行走位移的離散化分析，制定合適的控制策略，確保豎向提升與水平牽引的同步。

6.3.2 同步控制對策

1）采用“位置同步，載荷跟蹤”法[2]。通過距離傳感器，檢測兩側吊點提升行程，通過計算機進行實時調節，確保二者最大差值不超過1 cm；通過壓力傳感器實時監測油缸提升載荷，并進行超差指示。在同一側的幾個提升油缸，壓力并聯使用，確保平衡梁所受載荷均勻[3]。

2）在水平滑道上安裝帶有刻度的鋼尺，在轉鉸處安裝指示桿，派專人進行觀測水平牽引位移。同時，根據運動軌跡方程內豎直提升高度的反算結果與水平位移進行對比，誤差控制在10 cm以內。在水平牽引上面安裝距離傳感器，檢測水平行程，控制人員在提升同時監控水平位移，控制兩側滑靴位移同步。

6.4 纜風體系轉換控制技術

6.4.1 纜風體系轉換技術設計

豎向提升約22 m后停滯，此時繼續提升鋼索塔頂部將與纜風繩3干涉，需要進行纜風繩切換，需要在塔架帶載工況下將纜風繩1、3和纜風繩2、4進行更換（見圖2），以便于鋼索塔的進一步提升。對纜風繩切換前后進行仿真計算分析，分析結構最大變形和桿件最大應力比。

分析結果顯示：纜風繩1、3換纜風繩2、4之前的工況下，結構最大變形為56.5 mm，桿件最大應力比為0.813；纜風繩1、2、3、4同時預緊工況下，結構最大變形為36.6 mm，桿件最大應力比為0.812；纜風繩2、4替換纜風繩1、3之后的工況下，結構最大變形為60.5 mm，桿件最大應力比為0.819。結構的強度和剛度均滿足要求。

6.4.2 纜風繩更換對策

纜風繩預拉力宜對稱分級施加，更換纜風繩前，提升油缸和水平牽引油缸保持鎖緊狀態，控制鋼索塔空間姿態保持固定。同步分級預緊纜風繩2、4，同步分級卸載纜風繩1、3，再割除纜風繩1、3，切割期間對纜風繩進行導向，避免破壞索塔漆面。纜風繩切換時重點觀測塔架垂直度偏差。切換過程中需對梁山路進行臨時交通管制，在梁山路兩側設置導向架，將交通影響時間降至最短。

6.5 大噸位鋼拱腳雙滑靴設計

設計了一種大噸位鋼拱腳雙滑靴裝置，分為中間橫梁及兩端滑靴，橫梁用于支撐被滑移體及傳遞荷載；橫梁兩端滑靴在滑移軌道上水平縱向移動（水平牽引），滑靴的最外側設置防止側向移動的限位裝置。滑靴下半部采用圓弧結構，底板下方及半圓凹槽內均采用工程塑料合金MGE滑板過渡；中間橫梁為鋼管，可與滑靴產生豎向擺動；上部也是圓弧，與下部結構緊扣固定中間橫梁（圖3）。

圖3 大噸位承力滑靴

滑靴底板與軌道、橫梁與滑靴兩接觸面間均采用MGE滑板過渡，具有良好的彈性和抗沖擊性，能夠較好地消除軌道不平造成的局部高壓帶來的各種危害，增加了結構滑移過程的安全性。滑靴與橫梁鋼管形成滾筒式轉鉸結構，可以在滑移過程中實現橫梁的轉動，伴隨被滑移體（拱塔）靈活轉動。

7 結語

拱形鋼索塔提滑組合安裝技術解決了拱形鋼索塔主橫梁節段移位作為提升錨梁、鋼索塔內側提升、豎向提升與水平牽引同步、大噸位承力滑靴設計等技術難題，為更大噸位拱形鋼索塔整體安裝積累了寶貴經驗。經測算，利用部分主橫梁作為提升錨梁節約費用約122萬元，相較于其他施工方式縮短工期約3個月，有效降低了安全措施費用的投入，施工質量有較好的保證，經濟效益顯著。