泰州長江公路大橋鋼塔柱吊裝施工

戴書學(xué)

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 400042）

1 工程概況

泰州長江公路大橋位于江蘇泰州與鎮(zhèn)江、常州市之間，東距江陰長江公路大橋57 km，西距潤揚長江公路大橋66 km。路線起自寧通高速公路宣堡鎮(zhèn)西，于永安洲北部跨越長江（左汊）至揚中，于揚中南跨越夾江（右汊），經(jīng)姚橋、孟河，止于常州湯莊，接滬寧高速和擬建的常州繞城公路西段，全長62.088 km，是江蘇省“五縱九橫五聯(lián)”高速公路網(wǎng)和國家《長江三角洲地區(qū)現(xiàn)代化公路交通規(guī)劃綱要》重要的過江通道工程之一。

泰州長江公路大橋主橋是世界首座千米級三塔雙主跨鋼箱梁懸索橋，跨徑組合為（390+2×1 080+390）m，橋面寬33m，設(shè)計車速100 km/h，采用六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。為適應(yīng)該橋型受力特點，中塔采用縱向人字形、橫向門式框架鋼塔，塔高191.5m，交點以上塔柱高122m，交點以下塔柱高69.5 m。兩條斜腿在塔底的叉開量為34.75m，縱向傾斜度為4∶1。兩塔柱間的橫向中心距塔頂處為34.8m，塔底處為42.579 6m，塔柱橫向斜率1 920∶39。鋼塔柱每個塔肢共分成21個節(jié)段，節(jié)段間采用端面金屬接觸磨光頂緊和高強螺栓群連接共同傳力。鋼塔設(shè)兩道橫梁，上橫梁頂面高程為＋197.2m，重499.6 t；下橫梁頂面高程為+65.9m，重496.96 t。該結(jié)構(gòu)形式鋼塔柱大節(jié)段制造和安裝技術(shù)在國內(nèi)尚屬首次。

2 工程主要難點

1）鋼塔柱D0節(jié)段在吊裝中需同時穿過34根錨固螺桿，并不得損壞錨桿保護層和螺紋，錨桿定位精度要求很高。為保證D0節(jié)段承壓板能夠均勻傳遞塔底壓力，承壓板與塔座間必須緊密接觸，且不允許混凝土開裂，承壓板灌漿質(zhì)量至關(guān)重要。

2）鋼塔柱節(jié)段重量大（最大單節(jié)段吊重超過500 t）、吊裝高度高，施工難度大。風(fēng)、日照、溫度等因素對施工監(jiān)測影響大，解決好鋼塔柱在空中姿態(tài)的監(jiān)測監(jiān)控并合理調(diào)整，使現(xiàn)場吊裝連接后豎直狀態(tài)下鋼塔的線形能還原廠內(nèi)水平預(yù)拼裝的線形狀態(tài)，是保證鋼塔柱施工精度的關(guān)鍵。

3）塔柱交匯段接口多，水上現(xiàn)場吊裝、調(diào)位精度要求高。

4）上橫梁在高空支架上分四段吊裝，安全風(fēng)險大。吊裝過程中不平衡力使鋼塔柱橫向產(chǎn)生彈性變形，影響其空間位置，給調(diào)位工作帶來較大影響。

3 主要施工方法

3.1 D0節(jié)段吊裝

D0節(jié)段具有雙向傾斜度，通過預(yù)埋于承臺內(nèi)的34根螺桿錨固，設(shè)置錨固螺桿定位架確保錨固螺桿定位精確（見圖1）。

圖1 錨固螺桿定位架

D0節(jié)段的吊裝精度對鋼塔柱吊裝精度具有決定性的影響。D0節(jié)段用1 200 t起重船吊裝（見圖2），為克服起重船吊裝時節(jié)段晃動，保證處于傾斜狀態(tài)的節(jié)段平穩(wěn)穿入34根預(yù)埋錨固螺桿并避免損傷絲口，在承臺上預(yù)先安裝節(jié)段導(dǎo)向裝置（見圖3），借助輔助牽引裝置安裝到位。在測量控制下用安置在調(diào)位牛腿下方的三向千斤頂精確調(diào)整其空間位置直到滿足要求（見圖4）。

圖2 D0節(jié)段吊裝

圖3 吊裝導(dǎo)向架

圖4 調(diào)位牛腿及調(diào)位千斤頂

為保證鋼塔柱與混凝土塔座鋼混結(jié)合部位的施工質(zhì)量，在承臺試驗塊上進行了直接澆筑混凝土法、后埋鋼板法、灌漿法對比試驗，選定灌漿法施工。灌漿材料選用水泥漿，摻加GC特種灌漿材料，配制的水泥漿具有強度高、流動性大、無收縮，無泌水等特點，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 鋼混結(jié)合部灌漿漿液性能指標(biāo)表

3.2 下塔柱吊裝

下塔柱吊裝包括下塔肢D1～D5和下橫梁吊裝。

為抵消塔柱重力的水平分力對塔柱線形的影響并保證其精確定位，設(shè)置鋼管支架和水平撐。支架順橋向設(shè)3層平聯(lián)、3道水平撐，分別在每層水平撐和對應(yīng)的塔肢上設(shè)環(huán)形走道，支架立柱上設(shè)置爬梯作為安全通道，水平撐兩端做成可調(diào)整聯(lián)接（見圖5）。

圖5 下塔柱及下橫梁支架

節(jié)段吊裝前，在已吊裝節(jié)段和待吊裝節(jié)段四周對應(yīng)位置安裝限位工裝（見圖6），以提高吊裝施工效率和對位精度。下塔柱采用1 000 t起重船吊裝，起重船順江或橫江拋錨定位（D1～D4順江拋錨，D5橫江拋錨），專用吊具與待吊裝節(jié)段連接好并檢查合格后，起重船緩緩吊起節(jié)段離開駁船20 cm，調(diào)整起重船兩主鉤高度使節(jié)段縱向傾斜度與設(shè)計值相符。然后將節(jié)段吊至已吊裝節(jié)段上方，緩慢下放吊鉤至距已吊裝節(jié)段10 cm左右時，借用限位工裝精確對位，最后緩慢下放到兩節(jié)段對接，打入沖釘，安裝臨時連接板，起重船脫鉤，完成節(jié)段吊裝。

節(jié)段吊裝到位后，及時安裝節(jié)段間拼接板，安裝、施擰高強連接螺栓。

圖6 鋼塔吊裝限位工裝

D4節(jié)段（合攏段）吊裝前，在夜間內(nèi)外壁板溫差小于2℃時反復(fù)測量已施工完成的D3節(jié)段空間位置，并24 h連續(xù)觀測合攏口形態(tài)，選擇鋼塔節(jié)段溫度場穩(wěn)定，溫差較小，合攏口形態(tài)穩(wěn)定的時間段作為合攏段吊裝時間。通過設(shè)在下塔柱支架水平撐端部的水平千斤頂調(diào)整合攏口尺寸與設(shè)計值相符，用起重船吊裝D4節(jié)段就位，再利用安裝與D3、D4節(jié)段間的調(diào)位千斤頂調(diào)整節(jié)段間錯臺至允許偏差范圍內(nèi)。

下橫梁吊裝前，按D4節(jié)段吊裝前同樣的方法，測量和調(diào)整上、下游鋼塔柱間的合攏口位置，在下橫梁支架上安裝臨時支座和調(diào)位千斤頂系統(tǒng)。用1 000 t起重船將下橫梁水平吊放到下橫梁支架上，通過調(diào)位千斤頂精確調(diào)整其位置直至滿足要求。

3.3 上塔柱吊裝

上塔柱吊裝包括D6～D20塔肢節(jié)段和上橫梁吊裝。上塔柱塔肢節(jié)段吊裝流程見圖7。

圖7 上塔柱塔肢節(jié)段吊裝流程圖

為滿足上塔柱和上橫梁吊裝、調(diào)位需要，設(shè)置上塔柱調(diào)位支架。支架由4根φ800×10鋼管立柱及鋼管平聯(lián)、斜撐組成，根據(jù)調(diào)位需要設(shè)置4道水平撐與鋼塔柱臨時連接。上塔柱調(diào)位支架隨上塔柱塔肢施工進度施工。

上塔柱塔肢節(jié)段采用經(jīng)改裝的POTAINMD3600塔吊吊裝。塔吊在完成下橫梁安裝后拼裝，共設(shè)3道附墻支撐于塔柱上，根據(jù)鋼塔柱施工吊裝高度需要分次進行塔吊頂升。

上塔柱塔肢節(jié)段吊裝吊具設(shè)有兩根液壓伸縮油缸用以調(diào)整節(jié)段傾斜度，兩節(jié)段間按下塔柱節(jié)段相同的限位工裝以輔助定位。起吊、對位、連接施工方法與下塔柱相同。

上橫梁長26m，高10m，頂寬6.698m，底寬7.03m，總重量415.13 t，分成等長的四段制作、吊裝。上橫梁吊裝采用MD3600塔吊吊裝，吊裝前先用調(diào)位支架水平撐端部的液壓調(diào)位千斤頂調(diào)整鋼塔柱至設(shè)計位置并復(fù)核兩塔柱間距。吊裝順序為先分別吊裝上、下游與塔柱相連的兩段并分別與塔柱臨時連接（其中下游梁段與塔柱間按設(shè)計值預(yù)留縫隙，上游梁段與塔柱不留縫隙），然后依次吊裝中間的兩段并與下游側(cè)梁段臨時連接，最后松開上游側(cè)塔柱與上橫梁臨時連接，通過梁下方三向調(diào)位千斤頂調(diào)整梁段至設(shè)計位置，安裝梁段間連接及上橫梁與塔柱間連接，完成上橫梁吊裝。上橫梁吊裝順序見圖8。

圖8 上橫梁吊裝順序圖

3.4 吊裝誤差調(diào)整

根據(jù)施工監(jiān)測成果，施工監(jiān)控單位計算鋼塔柱線形偏差并提供調(diào)整值，將J1、J4、J6、J16接縫預(yù)設(shè)為調(diào)整縫，通過在這幾個接縫處按施工監(jiān)控要求加設(shè)鋼墊片的方法調(diào)整鋼塔柱線形，消除吊裝誤差。如果預(yù)測調(diào)整量較大，使鋼塔柱線形產(chǎn)生較大折角時則在鋼塔節(jié)段制造時予以適當(dāng)調(diào)整。

4 鋼塔施工監(jiān)控

泰州大橋鋼塔柱施工監(jiān)控采用節(jié)段制造、預(yù)拼裝和現(xiàn)場吊裝全過程控制，建立節(jié)段制造誤差、預(yù)拼裝線形和現(xiàn)場吊裝誤差精度管理系統(tǒng)，根據(jù)有限元模型計算結(jié)果，評估鋼塔柱偏位情況，預(yù)測后續(xù)節(jié)段偏差，提出調(diào)整措施和調(diào)整量，使鋼塔柱的整體線形在施工過程中處于可控制狀態(tài)，保證鋼塔柱的結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)和受力狀態(tài)與設(shè)計相符。

4.1 施工控制

施工控制分為計劃、制造和吊裝3個階段。

計劃階段主要是建立有限元模型，計算確定各階段的理想線形、塔柱高程補償量，校核最不利狀態(tài)下結(jié)構(gòu)安全，誤差因素和環(huán)境敏感性分析，確定主要誤差因素。分析認(rèn)為，鋼塔吊裝施工中橫橋向位移較小，最大值出現(xiàn)在吊裝D4節(jié)段時，達到5.1mm。施工過程中風(fēng)荷載和溫度梯度對鋼塔柱位移影響較大，在10m/s的風(fēng)速下縱向位移增大2.5 mm，橫向位移最大增大27.7mm；溫度梯度為1℃時，縱橋向位移增大2.5mm，橫向位移最大增大45mm。

制造階段主要是收集節(jié)段制造和預(yù)拼裝信息，建立誤差數(shù)據(jù)庫，根據(jù)吊裝現(xiàn)場誤差情況反饋制造廠并制定相應(yīng)調(diào)整措施。

吊裝階段主要是建立現(xiàn)場幾何、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，重點控制D0節(jié)段、D4合攏段、下橫梁、上橫梁、調(diào)整段，在精確測量的前提下提出調(diào)位和誤差調(diào)整方案。其余標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段僅對已吊裝節(jié)段進行線形評估和對后續(xù)節(jié)段線形預(yù)測，如預(yù)測出現(xiàn)較大的偏位或不滿足整體線形要求時則需提前考慮在鋼塔柱節(jié)段制造過程中進行修正。

4.2 施工監(jiān)測

施工監(jiān)測包括環(huán)境因素監(jiān)測、物理監(jiān)測、幾何測量等內(nèi)容。通過施工期間的監(jiān)測，保證鋼塔施工期間永久結(jié)構(gòu)和臨時結(jié)構(gòu)的安全，為中塔整體線形控制提供現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)誤差調(diào)整。

環(huán)境因素監(jiān)測主要是溫度監(jiān)測和風(fēng)速監(jiān)測。溫度監(jiān)測選用BGK－4000溫度應(yīng)力傳感器，并用數(shù)字溫度儀進行校核，沿全塔高度方向共設(shè)置4個監(jiān)測斷面，布置76只溫度傳感器，其中上下游塔肢各34只，下橫梁8只。溫度監(jiān)測點分別布置在D0節(jié)段、下橫梁節(jié)段、D5節(jié)段和D8節(jié)段。由監(jiān)測結(jié)果表明，鋼塔柱截面溫差最大的時間出現(xiàn)在中午12點到下午5點，最大溫差達5.4℃，而到凌晨1點以后鋼塔柱截面溫差均小于1℃。因此，每個節(jié)段吊裝完成后的竣工測量均安排在凌晨進行，將溫差影響降至最小。風(fēng)速監(jiān)測選用意大利Delta Ohm公司的DH2003.1型三向超聲風(fēng)速儀，鋼塔柱空間位置測量時均同時測量現(xiàn)場風(fēng)速、風(fēng)向，對當(dāng)天幾何測量數(shù)據(jù)進行風(fēng)荷載修正，以確保數(shù)據(jù)精確。

物理監(jiān)測主要進行鋼塔柱節(jié)段應(yīng)力、MD3600塔吊附墻內(nèi)力、調(diào)位支架水平撐內(nèi)力監(jiān)測，采用BGK－4000振弦弧焊式表面應(yīng)變計監(jiān)測。鋼塔柱節(jié)段應(yīng)力監(jiān)測點總體布置和平面布置與溫度測點相同，塔吊附墻內(nèi)力監(jiān)測點布置于每根附墻桿件的外側(cè)壁，水平撐內(nèi)力監(jiān)測點布置在距離水平撐端部2m左右的兩側(cè)面。在進行鋼塔柱空間位置測量時，各應(yīng)力監(jiān)測點均派人讀取各點應(yīng)力應(yīng)變值，將值代入有限元計算模型對測量數(shù)據(jù)進行修正。

幾何測量包括節(jié)段制造測量、節(jié)段預(yù)拼裝測量、節(jié)段吊裝測量，采用兩臺TCA2003全站儀和一臺中緯007電子精密水準(zhǔn)儀測量。

單個節(jié)段制造完成以后，測量鋼節(jié)段頂面控制點及外壁控制點之間的相對關(guān)系、節(jié)段長度、單個節(jié)段制造垂直度、鋼節(jié)段平均溫度及截面溫差、環(huán)境溫度等參數(shù)，作為以后預(yù)拼裝、吊裝和監(jiān)測的基礎(chǔ)，測量時要求鋼塔柱節(jié)段內(nèi)外壁溫差在2℃以內(nèi)。

鋼塔柱節(jié)段制造完成驗收合格后，在鋼塔柱節(jié)段預(yù)拼胎位上按吊裝順序進行廠內(nèi)預(yù)拼裝，預(yù)拼裝長度為2個節(jié)段。每次預(yù)拼裝完后，測量鋼塔柱節(jié)段外側(cè)壁控制點、鋼塔柱節(jié)段平均溫度及截面溫差、環(huán)境溫度等參數(shù)，測量當(dāng)前節(jié)段頂面中心姿態(tài)，預(yù)測后續(xù)節(jié)段頂面中心的偏位。

鋼塔柱吊裝階段幾何測量分為單節(jié)段控制測量和鋼塔柱整體線形測量。

每個節(jié)段吊裝完成后，在環(huán)境條件滿足要求的情況下對該節(jié)段頂面控制點進行幾何測量，包括整體測量、豎起傳高測量和局部測量。整體測量是將測量控制點引至上下游防撞墩上，通過該測量控制點測量上下洲塔肢節(jié)段頂面控制點的絕對坐標(biāo)，從而推算出節(jié)段中心在橫橋向和縱橋向的偏位；用豎起傳高的測量方式準(zhǔn)確測量鋼塔柱絕對高度，從而推算準(zhǔn)確的節(jié)段頂面高程；局部測量是在塔肢頂面架設(shè)全站儀，精確測量上下游塔肢節(jié)段頂面控制點的相對關(guān)系和單節(jié)段頂面傾斜度，為準(zhǔn)確設(shè)置墊片方案和后續(xù)節(jié)段偏位預(yù)測提供依據(jù)。

鋼塔柱線形受溫度和風(fēng)的影響很大，為準(zhǔn)確把握鋼塔柱的線形變化情況，在鋼塔柱節(jié)段外側(cè)壁上安裝監(jiān)測棱鏡，每個節(jié)段側(cè)面均布設(shè)4個控制點，與監(jiān)測棱鏡在同一個面上。鋼塔吊裝就位后，將監(jiān)測棱鏡安裝到鋼塔預(yù)留孔位上，同時測量監(jiān)測棱鏡和另兩個控制點，求得其相對關(guān)系。布設(shè)在鋼塔節(jié)段上、下口的控制點的相對關(guān)系在工廠預(yù)拼裝時已測得。這樣在鋼塔柱線形測量時采用測量機器人技術(shù)快速測量監(jiān)測棱鏡，然后反算到控制點上，得出鋼塔柱整體線形。

5 結(jié)語

泰州長江公路大橋中塔鋼塔柱自2009年3月首節(jié)段吊裝至2010年3月上橫梁完成，歷時13個月。由于采用節(jié)段制造、預(yù)拼裝和現(xiàn)場吊裝全過程控制方法，建立各階段誤差控制于一體的精度管理系統(tǒng)，通過現(xiàn)場優(yōu)化吊裝、監(jiān)測方案，鋼塔柱縱橋向垂直度誤差1/19 591，橫橋向垂直度誤差1/50 065，上下游塔肢相對距離比設(shè)計值大3mm，上下游塔肢高差2.5mm，均滿足設(shè)計和驗收標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1] 戴永寧.南京長江第三大橋鋼索塔技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 泰州長江公路大橋中塔施工監(jiān)控成果報告[R].武漢：中交二航局技術(shù)中心，2010.

[3] 張輝，周仁忠，李宗哲.重慶朝天門長江大橋的施工監(jiān)測與控制[J].中國港灣建設(shè)，2010（4）：1-7.