“花瓣式”異形斜拉橋鋼拱塔節(jié)段吊裝施工技術(shù)

王鵬禹, 劉欣, 杜仕朝，鄭鵬

(1.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安710016；2.長(zhǎng)安大學(xué)橋梁與隧道陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710064)

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“花瓣式”異形斜拉橋鋼拱塔節(jié)段吊裝施工技術(shù)

王鵬禹1, 劉欣1, 杜仕朝2，鄭鵬2

(1.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安710016；2.長(zhǎng)安大學(xué)橋梁與隧道陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710064)

為研究異形鋼結(jié)構(gòu)橋梁的快速施工方法，以“花瓣式”異形斜拉橋(西安市富裕路灃河大橋)鋼拱塔節(jié)段吊裝無支架施工為例，通過鋼拱塔節(jié)段工廠制造、現(xiàn)場(chǎng)鋼拱塔節(jié)段吊裝、水平索及斜拉索張拉等施工關(guān)鍵技術(shù)，分析工程的特點(diǎn)及難點(diǎn)，對(duì)比原設(shè)計(jì)方案與實(shí)施方案的施工速度及施工成本。實(shí)踐證明：鋼拱塔節(jié)段吊裝無支架施工技術(shù)速度快、安全性高、適用性強(qiáng)，同時(shí)具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，可為同類型橋梁的快速施工提供有益參考。

異形；斜拉橋；鋼拱塔；節(jié)段吊裝；施工技術(shù)

1　工程概況

西安富裕路灃河大橋位于西安市灃渭新區(qū)中南部，跨越灃河?？卓绮贾脼?38+36+36+35)m+(80+80)m+(35+35+35)m+(35+35+38)m，橋梁全長(zhǎng)525.16 m。其中主橋?yàn)閱嗡盎ò晔健变摴八崩瓨?，鋼拱塔外觀結(jié)構(gòu)呈傾斜的網(wǎng)球拍型，與豎直方向夾角約0.436 rad，塔身凈高約53.178 m，其中塔頂距離橋面39.028 m，且主塔內(nèi)墩底至橋面以上3 m范圍內(nèi)填充C40混凝土。大橋?qū)嵕叭鐖D1所示，正視圖如圖2所示，側(cè)視圖如圖3所示。

圖1　大橋?qū)嵕皥D

圖2　大橋正視圖

圖3　大橋側(cè)視圖

鋼拱塔沿高度方向共劃分為9個(gè)節(jié)段，即T0段～T8段。T0節(jié)段為預(yù)應(yīng)力鋼混凝節(jié)段，T1為與系梁連接節(jié)段，T2～T8為橋面以上塔柱節(jié)段。T0節(jié)段長(zhǎng)度為6.634 m，其余塔柱節(jié)段長(zhǎng)度7.2～8.4 m(表1)。

2　工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

富裕路灃河橋鋼塔采用V字形結(jié)構(gòu)，不但造型新穎美觀，而且在結(jié)構(gòu)方面減小了拉索跨度，增大了斜拉索與水平線的夾角，令整體結(jié)構(gòu)以類似桁架的體系承載，利于充分發(fā)揮材料的能力。但傾斜的塔面施工難度較大，橋塔定位精度要求很高，而且橋塔和主梁的制造、安裝都較復(fù)雜。鋼塔安裝的重點(diǎn)及難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下3方面：

表1　鋼拱塔節(jié)段尺寸及數(shù)量表

(1)橋塔節(jié)段空間定位復(fù)雜[1-3]

傳統(tǒng)的橋塔位于豎直平面，橋塔安裝定位主要是考慮高程問題。本橋橋塔位于與豎直平面有一定角度的平面，因此橋塔的定位要考慮塔軸線的三維坐標(biāo)(不同高程處平面位置不同)，而且還要考慮截面的空間方位，橋塔節(jié)段定位復(fù)雜。

(2)塔上錨固點(diǎn)定位難度大[4]

斜拉索為空間布置，因此塔上錨箱與橋梁縱軸線、橫軸線和豎軸線均有夾角，需要根據(jù)其空間方位準(zhǔn)確定位。

(3)橋塔受力空間變形[5-6]

由于索塔位于斜平面內(nèi)，索塔端面為拱形結(jié)構(gòu)，而且拉索也是空間布置，在索塔自重和斜拉索索力作用下，橋塔的變形模式復(fù)雜。既有軸線壓縮也有兩個(gè)方向的彎曲，由于施工誤差不可避免，橋塔還可能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。在制造和安裝階段，需預(yù)判這種空間變形，以滿足成橋線形、拉索安裝精度要求。

鑒于此，本鋼拱塔采用分段分塊吊裝法，通過550T履帶吊對(duì)鋼主塔各分塊進(jìn)行吊裝。在施工中，要嚴(yán)格執(zhí)行施工前與施工階段的每一道工藝程序，檢驗(yàn)每一道工藝程序的施工質(zhì)量，才能把結(jié)構(gòu)變形降低到最底限。

3　鋼拱塔節(jié)段安裝

3.1吊裝方案擬定

原設(shè)計(jì)推薦方案為“吊裝支架安裝法”[7]，即待鋼箱梁施工完成后，在鋼箱梁上安裝支架，利用吊機(jī)將鋼拱塔塊吊裝至支架后進(jìn)行拼接安裝。原設(shè)計(jì)方案計(jì)劃工期為12個(gè)月，無法滿足業(yè)主9個(gè)月的工期要求；且原設(shè)計(jì)方案中鋼主塔支架租賃及施工費(fèi)用較高(600萬元)。

經(jīng)方案比選、數(shù)值模擬，并且經(jīng)權(quán)威專家論證，最終施工采用現(xiàn)場(chǎng)無支架原位拼裝方案[8-10]，即鋼拱塔與鋼主梁現(xiàn)場(chǎng)同步施工，通過550T履帶吊對(duì)鋼主塔各分塊進(jìn)行吊裝。為了保證施工過程的安全性，通過預(yù)拉S8、S5、S1水平索控制主塔的變形和內(nèi)力，使得鋼塔吊裝與鋼主梁頂推平行施工。在保證施工質(zhì)量的前提下加快了工程進(jìn)度，滿足了工期要求，且實(shí)際施工過程中采用的無支架施工工藝費(fèi)用低(280萬元)。

3.2總體施工方案

根據(jù)節(jié)段重量處于17.2 t～44.9 t之間，拱頂上緣距地面47.066 m，采用一臺(tái)550T履帶吊滿足節(jié)段吊重、吊高及吊距的要求。550T履帶吊最大主臂長(zhǎng)度60 m，最大標(biāo)準(zhǔn)臂長(zhǎng)度102 m。履帶吊在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)將場(chǎng)地硬化，硬化長(zhǎng)度為100 m，寬度為6 m，結(jié)構(gòu)層為80 cm磚渣，磚渣共480 m3，為了保證履帶吊安裝精度，場(chǎng)地應(yīng)用20 cmC2O砼硬化，硬化方量為120 m3。

鋼塔吊裝過程中，采用S1、S5、S8永久索作為施工臨時(shí)索，消除鋼主塔在吊裝過程中的非彈性變形，并且保證鋼主塔拉索張拉至成橋索力后，鋼主塔線性滿足設(shè)計(jì)要求。施工基本流程為：塔腳底節(jié)安裝→塔腳節(jié)段安裝→吊裝鋼塔T0節(jié)段，澆筑主塔墩身砼→分別吊裝鋼塔T1、T2、T3節(jié)段→張拉S8水平索、澆筑主塔墩身砼→吊裝T4節(jié)段→張拉S5水平索→吊裝T5、T6節(jié)段→張拉S1水平索→吊裝T7、T8節(jié)段→張拉水平索→張拉斜拉索，流程如圖4～圖11所示。

圖4　吊裝鋼塔T0節(jié)段

圖5　吊裝鋼塔T1～T3節(jié)段

圖6　張拉S8水平索

圖7　吊裝T4節(jié)段、張拉S5水平索

圖8　吊裝T5、T6節(jié)段、張拉S1水平索

圖9　安裝鋼塔T7節(jié)段

圖10　吊裝合攏段T8

圖11　安裝左幅鋼主塔

3.3節(jié)段安裝

由于鋼塔的拼接線形傾斜，拼裝存在一定的困難，為了減少鋼塔在高空作業(yè)過程中調(diào)節(jié)難度，鋼塔在安裝前先在地面處把鋼塔高空安裝的角度提前調(diào)節(jié)好，鋼塔起吊到高空后只需放置并簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)匹配，連接好匹配件即可。鋼塔在起吊安裝前，先安裝好鋼塔本體環(huán)縫焊接平臺(tái)(臨時(shí)焊接平臺(tái)由∠10角鋼組成，鋼塔節(jié)段的頂層鉆孔，將平臺(tái)支架用φ20螺栓栓接其上)，鋼塔起吊后，在已經(jīng)安裝完成的鋼塔焊接平臺(tái)上進(jìn)行鋼塔之間的匹配連接。其具體流程為：焊接平臺(tái)安裝→鋼塔起吊→鋼塔匹配連接→高栓初擰→環(huán)縫焊接→高栓終擰[11-12]。

3.3.1T0節(jié)段安裝

吊裝鋼塔T0節(jié)段，澆筑主塔墩身砼。由于鋼塔設(shè)計(jì)線形為傾斜方向，重心偏移較大，為了防止鋼塔在安放調(diào)節(jié)過程中以及在混凝土澆注過程中傾覆，在鋼塔加工時(shí)焊接輔助支腿及鋼塔之間平聯(lián)，保證鋼塔的穩(wěn)定性[13-14](圖4)。

3.3.2T1～T3節(jié)段安裝

吊裝右幅T1節(jié)段，由于T1節(jié)段吊裝為懸臂吊裝，且節(jié)段在縱向?yàn)閮A斜狀態(tài)，在重力作用下發(fā)生自然下擾，部分撓度在安裝完T3節(jié)段后張拉永久臨時(shí)索后平衡，但部分撓度無法平衡，此狀態(tài)下需設(shè)置預(yù)偏值，預(yù)偏值需建立模型并通過統(tǒng)計(jì)節(jié)段實(shí)際重量經(jīng)計(jì)算而得[15]。預(yù)偏值確定的影響因素為：節(jié)段實(shí)際重量、最終成橋線性索力、斜拉索成橋索力及澆筑塔內(nèi)砼的影響等，節(jié)段吊裝到位后焊接，焊接完成后擰緊高強(qiáng)螺栓，高強(qiáng)螺栓扭矩應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，經(jīng)檢驗(yàn)T1節(jié)段吊裝合格后吊裝T2、T3節(jié)段(圖5)。

3.3.3S8水平索張拉

T3節(jié)段吊裝完成并檢驗(yàn)合格后，穿S8水平索，根據(jù)計(jì)算索力張拉S8水平索，索力考慮的因素有：節(jié)段強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求、鋼主塔內(nèi)澆筑砼因素及成橋最終索力。水平索張拉完成后安裝系梁，澆筑塔內(nèi)C40微膨脹砼，并且在澆筑過程中應(yīng)隨時(shí)觀察水平索索力變化(圖6)。

3.3.4吊裝T4節(jié)段、張拉S5水平索

待塔內(nèi)砼滿足強(qiáng)度要求后，吊裝T4節(jié)段，吊裝前應(yīng)經(jīng)計(jì)算設(shè)置預(yù)偏值，預(yù)偏值考慮因素為與T3、T2、T1一致，T4吊裝完成并檢驗(yàn)合格后，穿S5拉索，張拉S5水平索，張拉力經(jīng)計(jì)算確定，張拉力確定因素與S8一致，S5水平索位于橫向曲線段，為了保證鋼塔在張拉過程中不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，在張拉扭轉(zhuǎn)應(yīng)力較大區(qū)鋼塔內(nèi)部采用剪刀撐增加鋼塔扭轉(zhuǎn)剛度法加固，剪刀撐采用40b槽鋼制作，為了減少鋼塔焊接影響強(qiáng)度，支撐采用頂緊加固，保證支撐與鋼塔為全斷面接觸(圖7)。

3.3.5吊裝T5、T6節(jié)段、張拉S1水平索

S5水平索張拉完成，并將鋼塔線性調(diào)整至設(shè)計(jì)位置后，安裝T5、T6節(jié)段，T5、T6節(jié)段安裝時(shí)，應(yīng)設(shè)置橫縱向預(yù)偏值，保證鋼塔成橋后線性，設(shè)置縱向預(yù)偏值確定因素需考慮：節(jié)段在自重下引起的縱向位移、S1水平索臨時(shí)張拉引起的縱向位移、所有水平索及斜拉索張拉至設(shè)計(jì)成橋索力后引起的鋼塔的縱向位移等。設(shè)置橫向預(yù)偏值確定因素需考慮：節(jié)段在自重下引起的橫向位移，后期在T7節(jié)段安裝后合攏前采用千斤頂調(diào)整合攏間距時(shí)發(fā)生的位移等，預(yù)偏值的確定需通過計(jì)算確定，T5、T6安裝完成并驗(yàn)收合格后，穿S1水平索并進(jìn)行張拉，S1水平索索力確定同S5、S8。在S1張拉前用槽鋼剪刀撐加固鋼塔扭轉(zhuǎn)剛度，確保鋼塔在張拉時(shí)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形(圖8)。

3.3.6吊裝T7、T8節(jié)段

S1張拉至臨時(shí)索力值后并檢查鋼塔線性符合要求后，安裝T7節(jié)段，T7節(jié)段安裝符合要求并驗(yàn)收合格后采用支撐橫梁橫向支撐鋼塔，支撐與鋼塔采用鉸接型式連接，支撐與鋼塔連接好后在橫向位置采用液壓千斤頂將鋼塔調(diào)整至設(shè)計(jì)位置，保證合攏段的位置精確(圖9)。采用液壓千斤頂將鋼塔在橫向及縱向位置達(dá)到合攏要求后，吊裝合攏段T8(圖10)。

3.3.7安裝左幅鋼主塔

以同樣的工序及工藝安裝左幅鋼主塔(圖11)。

3.3.8張拉斜拉索

按照設(shè)計(jì)要求對(duì)斜拉索進(jìn)行分次張拉，最終達(dá)到合理成橋狀態(tài)。

4　結(jié)束語

富裕路灃河大橋鋼拱塔節(jié)段吊裝無支架施工方案的應(yīng)用使得鋼塔施工與鋼箱梁頂推施工同時(shí)進(jìn)行，縮短了3個(gè)月的施工工期，且鋼拱塔節(jié)段安裝工序節(jié)約了施工成本(約270萬元)。橋梁得以在預(yù)定時(shí)間內(nèi)順利竣工。成橋后的灃河大橋通過荷載試驗(yàn)檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，并且取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。富裕路灃河大橋鋼拱塔節(jié)段吊裝施工方案的順利實(shí)施可為其他異形鋼結(jié)構(gòu)橋梁的節(jié)段吊裝施工提供有益參考。

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Lifting Construction Technology for Steel Arch Tower of “Petal Type” Special Shaped Cable Stayed Bridge

WANG Pengyu1, LIU Xin1, DU Shizhao2, ZHENG Peng2

(1.Sinohydro Bureau 3 Co.，Ltd., Xi’an 710016，China; 2.Key Laboratory of Shanxi Province for Highway Bridge & Tunnel, Chang’an University, Xi’an 710064,China)

In order to study the rapid construction method of the special shaped steel structure bridge, taking the “petal” aliens cablestayed bridgeXi’an city rich road Fenghe bridge steel arch tower segment lifting construction as an example, through the key technologies of construction, such as the manufacturing of steel arch tower section, the hoisting of the steel arch tower, the tension of the horizontal cable and the stayed cable, this paper analyses the characteristics and difficulties of this project, compars the construction speed and construction cost of the original design scheme with this design scheme.The practice proves that the steel arch tower segment listing construction technology is faster, higher security and more applicable, at the same time, has good social benefit and economic benefit.The construction method can provide useful reference for the rapid construction of the same type of bridge.

special shape; cable stayed bridge; steel arch tower; segment listing; construction technology

2016-01-07

陜西省交通運(yùn)輸廳項(xiàng)目(13-25k)

王鵬禹(1962-)，男，陜西西安人，教授級(jí)高工，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)受力分析方面的研究，(E-mail)wpy@cteb.com

1673-1549(2016)02-0065-05

10.11863/j.suse.2016.02.13

U448.27

A