自錨式懸索橋曲變截面鋼塔定位安裝施工技術

牛玉龍

(中鐵大橋局集團有限公司 沈陽市 110179)

0 引言

自錨式懸索橋是懸索橋的一種，與地錨式懸索橋相比造型更簡潔、美觀，跨徑選擇靈活，適宜于兩岸地基承載力較差的軟土橋位，更適合在城市的主城區建設。國內自錨式懸索橋雖然起步較晚，但從21世紀開始，自錨式懸索橋迅速發展并且較多采用鋼塔[1]。鋼塔輪廓開始采用曲線形式，擺脫了傳統的直立造型，增加了美學及景觀效果，但對塔身定位安裝精度控制提出了更高要求。介紹自錨式懸索橋曲變截面鋼塔定位安裝施工技術，通過加強鋼塔施工過程線形控制，保證工程施工質量。

1 工程概況

烏蘭木倫河1號橋，采用全橋跨河道，橋長430m，寬22.5m。橋梁上部結構共四聯：2×32m+(32+4×50+32)m+2×32m+38m，其中第一聯、第三聯、第四聯上部結構采用等截面預應力混凝土現澆連續箱梁，第二聯采用變截面預應力混凝土現澆連續箱梁。鋼塔與 5 號橋墩共墩，采用混凝土結構，橋面以上采用鋼結構，塔高36m。鋼塔分為鋼混結合段、鋼塔柱、S型造型塔柱及塔頂橫梁部分組成。整個鋼塔的外輪廓為2個S形狀，截面為方箱，通過塔頂橫梁連接。主纜跨度采用 2×100m，按自錨式設計，主塔兩側各設置 7 對吊索，吊索間距 8.0m。主纜端部錨固于3號、7 號橫梁上，橫梁外伸。立面圖如圖1所示，橫斷面如圖2、圖3所示。

圖1 立面圖(單位：mm)

圖2 橫斷面A(單位：cm)

圖3 橫斷面B(單位：cm)

2 曲變截面鋼塔定位安裝施工的難點

(1)焊接變形直接影響鋼塔整體線形和質量，控制鋼塔各節段焊接變形和收縮量是鋼塔加工制造及定位安裝的重難點之一。

(2)鋼塔塔身為S型曲變截面鋼結構，對鋼塔S節段空間定位提出了更高的要求，如何保證鋼塔每個節段的安裝精度和節段間相對位置精度是工程又一難點。

(3)防汛要求高，施工工期緊。該地區豐水期主要集中在7月至9月，故需在汛期結束后完成第二聯現澆連續箱梁施工，為鋼塔安裝提供施工條件。

3 鋼塔安裝定位測量

為保證鋼塔安裝精度和節段間相對位置精度，在鋼塔安裝前要建立獨立控制網，計算出塔身測點三維坐標。在鋼塔安裝過程中進行精密測量，通過鋼塔定位測量控制、焊接后塔身測點檢測以及整體線形測量，獲得鋼塔空間三維姿態，并及時進行調整修正。

3.1 建立施工控制網

在鋼塔吊裝過程中，為了使鋼塔安裝測量誤差更直觀、更及時、更有效，將橋梁設計坐標系統轉換為獨立坐標系，建立獨立的施工控制網，以橋梁軸線為X軸，橋塔主塔位置與橋梁軸線中心線偏移為Y軸，橋塔高程方向為Z軸，測量過程中，儀器所反映的誤差可使操作人員迅速確定誤差方向，快速調整確定鋼塔軸的定位。

3.2 鋼塔定位測量

鋼塔定位測量采用兩套TS30全站儀，可同時精確測量塔身內外反射面[2]，如圖4所示。塔身測點采用全站儀專用反射片，根據主塔設計線形參數，以及反射片安裝位置結構尺寸，精確計算出在獨立坐標系下反射片位置的三維坐標。在各節段吊裝前安裝反射片，每節段至少安裝4片反射片。若在實際測量中發生遮擋和無法準確觀測的問題，則應根據鋼塔節段實際情況調整反射片位置。

圖4 全站儀三維定位鋼塔

在鋼塔各節段安裝、環縫焊接過程中，跟蹤監測測點坐標值變化，在超出設計要求前及時進行調整，確保各節段安裝滿足設計線形要求。

3.3 測量時間的選擇

溫度變化對鋼塔安裝時的測量定位影響較大，故對鋼塔節段安裝的精確定位控制測量，選擇在日落后4h至日出前2h且溫度場較為穩定的時段進行。

4 鋼塔安裝施工

4.1 優化施工方案

原設計推薦方案為“滿布支架安裝法”，即鋼塔各節段在工廠加工制造完成后，運至施工現場。在第二聯現澆連續箱梁梁面滿布搭設鋼管支架，利用350t汽車吊，將節段吊裝至臨時鋼管支架上拼裝焊接。

按照此方案，需要在第二聯現澆梁施工完成后才能進行鋼塔安裝，并且鋼塔安裝期間，橋面滿布支架，影響橋梁后續工序施工。由于本項目有效施工期僅有8.5個月，無法滿足總工期要求。

根據本項目特點，充分考慮汛期及冬季等自然環境影響，經過多次方案比選，最終確定通過控制上游既有橡膠壩將水流截流至兩岸沖刷槽內，為下游河道內鋼塔安裝創造干地施工條件。汛期后河道內僅搭設節段2鋼管支架，其余節段利用節段2和直塔柱為支點，配合纜風繩，使得鋼塔安裝與橋面系平行施工，滿足了總工期要求。

4.2 施工工藝流程

施工工藝流程見圖5。

圖5 施工工藝流程圖

4.3 鋼塔制造及安裝施工

4.3.1鋼塔分段劃分

鋼塔分段劃分如圖6所示。鋼塔各節段重量及尺寸如表1所示。

圖6 分段劃分示意圖(單位：mm)

表1 節段重量及尺寸表

4.3.2鋼塔加工制造

鋼塔加工制造精度控制是保證鋼塔整體線形的前提和基礎，是鋼塔施工過程中線形控制體系最核心的部分。鋼塔制造基本流程：板塊→單元→節段→預拼裝。

板材下料時采用精密切割工藝，異形板采用數控編程切割，以保證各單元件的尺寸精度。在單元件組裝時，依靠胎架定位和樣桿等輔助工具對各零件的組裝尺寸精度進行校核，嚴格控制拼裝的誤差。為減小焊接收縮和變形，焊接采用小線能量的CO2氣體保護焊、多道焊，采用合理的焊接順序，并搭設反變形胎架。

為控制鋼塔整體線形，在拼裝胎架上對節段之間進行預拼裝，并做好各節段定位線、檢查線、軸線等標識，同時做好預拼裝詳細記錄。預拼裝結果是后續節段制作及預拼的基準，同時為施工現場鋼塔整體線形控制提供參考[3]。鋼塔節段預拼允許偏差如表2所示。

表2 鋼塔節段預拼允許偏差

鋼塔節段預拼裝驗收合格，待涂裝作業完成后，運至橋位。在橋位處搭設臨時胎架，使用兩臺100t汽車吊將運輸單元組裝成吊裝節段進行安裝。

4.3.3鋼塔安裝流程圖

鋼塔安裝流程如圖7所示。

圖7 鋼塔安裝流程圖

4.3.4鋼混段及鋼塔柱定位安裝

鋼混段是鋼塔柱的基礎，其安裝質量直接影響鋼塔整體施工質量。鋼混段底座施工采用負公差的方法，讓底座標高略低于設計標高，以利于鋼混段標高調整。

進行鋼混段平面位置以及底標高精確放樣，在墩柱預埋鋼板上焊接導向限位型鋼。對墩頂表面進行鑿毛處理，清除表面浮漿增強混凝土接觸面的粘結度。

鋼混段通過導向裝置初步定位，再采用千斤頂精確調整，鋼混段頂面高程偏差不得超過 2.0mm，平面位置偏差不得超過 10mm。

鋼筋安裝，支立模板，澆注混凝土。為避免澆注混凝土時兩側高差對已經定位好的鋼結構擠壓造成鋼混段偏移，采取在模板設置對流孔以減少壓力差。

待鋼混段混凝土強度滿足設計要求后，在鋼混段頂端安裝定位導向裝置，用1臺350t汽車吊進行鋼塔柱整體安裝，定位后用臨時匹配件與鋼混段臨時連接，待復測平面位置、標高以及垂直度滿足設計要求后，進行焊接作業。

4.3.5S型塔柱節段定位安裝

S型塔柱節段安裝流程：測量放樣→節段1安裝→節段2安裝→節段3安裝→節段4安裝→檢測。

采用350t汽車吊進行節段安裝。節段1與節段2安裝前在鋼塔柱下側焊接導向限位型鋼。節段2吊裝至鋼管支架上進行安裝、調整及焊接。

節段3、節段4安裝時，在已安裝完畢的節段2頂端設置雙向定位導向板。安裝節段吊裝至已安裝節段上方30 cm左右時，通過調整吊車的臂桿傾角、旋轉及纜風鋼繩等方式使安裝節段沿著定位導向板安裝就位[4]。

塔柱節段吊裝至既定位置后，當安裝后位置與設計位置存在偏差，通過千斤頂來矯正，按照先平面位置再高程的順序對塔柱位置進行細部精確調整，滿足設計要求后進行焊接。

4.3.6橫梁定位安裝

箱梁兩側塔柱安裝完成后，現場對橫梁進行組拼、整體起吊，利用橫梁與塔柱間臨時匹配件定位，完成焊接工作。

4.3.7鋼塔節段焊接

鋼塔節段位置調整完畢，經測量復核，滿足設計要求后，增加臨時匹配件使節段固定牢固，并保證對接焊縫無錯臺。進行環縫焊接時，為控制環縫四邊焊縫不均勻收縮對節段安裝精度的影響，焊接順序遵循先內后外的原則。在施焊前布設剛性較大的約束裝置，強制控制變形。

節段施焊時嚴格按照經過專家評審的焊接工藝進行操作，并在現場采用同材質、同坡口的試板進行試焊，通過試驗數據控制焊接變形帶來的誤差。

4.4 鋼塔安裝質量控制措施

(1)現場拼裝。將各運輸段運至施工現場后，在施工現場臨時胎架上將分成兩個運輸段的節段，在胎架上進行平面拼裝。拼裝過程，測量廠內預拼裝標識的檢查線、軸線，出現偏差及時調整修正。

(2)精確確定吊點位置。鋼塔每節段的斷面不同，每次吊裝前，需經驗算確定節段上吊耳的位置，使節段吊起后的角度能快速安裝定位，同時避免吊裝變形確保安裝精度。

(3)安裝施工過程監測。節段安裝時，全過程進行監測，根據塔柱的變形情況進行相應調整和修正。每節段測一次實際安裝軸的傾斜度，計算出偏差趨勢，工廠可通過端部加工來調整節段軸與端面的垂直度[5]，以保證塔柱的線形符合設計要求。

5 結束語

烏蘭木倫河1號橋鋼塔安裝施工難度較大，造型獨特，通過優化安裝方案，提前半個月順利完成鋼塔安裝，經檢測單位的檢測，鋼塔整體線形、垂直度等各項指標均滿足設計要求，確保了工程質量和工期目標同時，又節約了鋼管支架搭設成本，并取得了良好的社會效益，為同類鋼塔的施工提供了借鑒。