懸索橋曲面弧形鋼塔定位安裝施工技術

丁得志（中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000）

懸索橋曲面弧形鋼塔定位安裝施工技術

丁得志（中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000）

懸索橋具有結構跨度大、施工精度要求高、外形美觀的優(yōu)點。單主纜地錨式懸索橋為懸索橋的典型代表之一。南寧英華大橋單纜懸索橋的主塔結構形式復雜，為雙曲面弧形結構，文章從鋼塔加工、安裝控制等方面，提出科學合理的措施，提高加工、安裝精度及成型后的線型及質量。

懸索橋；曲面弧形；鋼塔；施工技術

懸索橋鋼結構主塔的制造精度將直接影響后續(xù)安裝控制精度，而安裝精度控制對成橋線型、工程質量均有著直接影響。因此，在鋼塔施工過程中，采用合理的施工技術措施，對鋼塔的加工質量，拼裝線型控制，鋼塔吊裝工藝，總體安裝質量等具有重要的意義。

1 工程概況

南寧市英華大橋為單主纜地錨式懸索橋，主塔為“羊角編鐘”造型，高100m，主塔下塔柱為預應力混凝土結構，上塔柱及橫梁均為鋼結構。鋼塔截面為雙曲面弧形結構，單側塔柱在縱塔向由兩個1/4圓形截面向上逐步合并為1個半圓截面，兩側塔柱最終在塔頂合并為一個近似圓，造型獨特、優(yōu)美。

主塔沿高度方向劃分為11個節(jié)段。T1節(jié)段為預應力混凝土節(jié)段，T2～T9為上塔柱鋼節(jié)段，其中T2為與橫梁連接節(jié)段，T10為索鞍承壓節(jié)段，最上部為造型點綴的塔冠節(jié)段。節(jié)段之間為焊接連接。主塔立面及節(jié)段劃分見圖1。

2 工程技術特點與施工重難點

①鋼塔單節(jié)重量大，最大吊裝最量達到126t，最高為100m，分10個節(jié)段吊裝，采用大噸位浮吊吊裝技術，鋼塔制造安裝精度直接決定塔身線型及質量，制造安裝精度要求高。

②全塔高100m，橋位無落地式支架平臺作為焊接操作平臺，高空焊接作業(yè)環(huán)境差。

③壁板采用48mm厚的Q370qD鋼，厚板焊接要求高，鋼板焊接變形大，每個節(jié)段焊接變形直接影響鋼塔成橋線型質量。

④塔節(jié)段高空對接定位測量控難度大，每個節(jié)段實現(xiàn)快速測量定位，并且保證鋼塔線型難度大。

圖1 南寧英華大橋主塔立面、側面簡圖

3 鋼塔制造

3.1 鋼塔節(jié)段加工制造

鋼塔分節(jié)段加工制作在工廠車間內完成，采用電腦控制輔助下料、單元件組裝與焊接控制，形成節(jié)段組件；再在總拼胎架上完成鋼塔節(jié)段的整體組裝、焊接、修整、劃線和精切作業(yè)。每側鋼塔分兩個分輪次預拼裝，控制整體線形。待涂裝作業(yè)完成后運至存梁場進行存放，橋位安裝需要時水上運輸至橋位。

鋼塔結構焊縫密集，熔透焊縫較多，所產生的焊接變形和殘余應力較大，鋼塔制造采用“零件→部件→單元→整體→預拼裝”方式生產，將每個鋼塔分為內、外壁板單元、側壁板單元、隔板單元等部件，內壁板單元和側壁板單元按塔節(jié)段的尺寸制作成整塊節(jié)段，外壁圓弧板單元順塔向圓弧板半徑逐漸縮小，制作整塊板單元不利于安裝，且外形尺寸精度較難保證，因此按設計縱向分段的尺寸加工成圓弧板單元，再組焊成節(jié)段。兩端面采用小車精切余量并制好工地焊接坡口，然后進行預拼裝，安裝臨時匹配件。檢測合格后對端面進行保護，按要求涂裝后運至存梁區(qū)。

圖2 鋼塔節(jié)段構造圖

3.2 鋼塔水平預拼裝

為了保證橋位架設精度、從鋼塔制造階段來確保鋼塔線形等，鋼塔柱節(jié)段整體檢測合格后，對鋼塔節(jié)段進行水平預拼裝。

3.2.1 總拼胎架施工

本橋鋼塔內側壁為半徑為14338.6cm的圓弧段，總長約70余m，考慮場地條件和經濟成本，將T2～T10節(jié)段鋼塔分為兩段拼裝，胎架頂面標高設置以內側壁圓弧線控制。鋼塔節(jié)段在胎架上連續(xù)匹配組裝與焊接，并在胎架上下方設有地樣基準線，便于放線及測量使用。胎架采用焊接型鋼桁架，立柱和橫梁通過強度驗算確定為［25槽鋼、工字鋼20型號。

3.2.2 鋼塔總拼

沿塔高方向每個塔柱分兩輪進行預拼裝：

第一輪將T2～T6節(jié)段整體拼裝，T1節(jié)段截面外形尺寸比T2下端部周邊寬100mm，用于預埋誤差調整，因此T1節(jié)段單獨制作，不參與預拼裝。

第二輪拼裝T6～T10節(jié)段；橫梁整體制作，完成后與T2節(jié)段進行試裝，全橋鋼塔共分10次預拼裝。

為保證鋼塔節(jié)段之間箱口匹配良好，制作精度可控，在廠里按預拼裝劃分的輪次，一次完成塔節(jié)段總拼和預拼裝工序，塔節(jié)段之間預留間隙。塔節(jié)段全部焊接完成后，解除塔節(jié)箱體與胎架的剛性連接，使其自由狀態(tài)。檢測端口錯邊量、接口間隙等，根據測量單節(jié)段的長度、線形以及相鄰兩節(jié)段間的錯邊量等信息，在計算機中對節(jié)段進行累積精度管理，并以此來指導預拼中節(jié)段間扭轉的控制。采用千斤頂對塔段位置進行微調，進行試裝。

4 鋼塔安裝

為輔助主塔吊裝施工，需要在橋址安裝一臺附壁塔吊，用于吊裝焊機、掛籃、鋼管、爬梯等小型構件。而鋼塔節(jié)段的吊裝，由于構件吊重大、提升高度高，附壁塔吊不能滿足吊裝需求，經比選采用500T浮吊設備，用以完成鋼塔節(jié)段吊裝任務。

4.1 鋼塔定位測量

4.1.1 坐標系轉換

為了更直觀地反映鋼塔的安裝測量偏差，及時有效地進行糾偏，本工程鋼塔吊裝建立獨立控制網，將英華大橋的設計坐標系轉換至我們所建立的獨立坐標系。建立的獨立坐標系：Y軸為該橋的橋軸線，X軸坐標則反映主塔偏離橋軸線（中線）位置，Z軸則反映主塔的標高。這樣，測量過程中，儀器反映的偏差為沿軸線方向前后、左右、上下偏差，操作工人能夠快速識別調整方向，從而快速的調整。并且通過該轉換手段，能夠直觀了解到鋼塔安裝軸線偏差值。

圖3 坐標系轉換

4.1.2 塔身測點布置

首先根據主塔設計線形參數(shù)、結合反射片所給定的里程位置及細部結構尺寸，同時考慮通視條件，精確計算出反射片在獨立坐標系下的三維坐標，在吊裝之前，將反射片精確安裝到位。反射片采用徠卡專用60mm*60mm的反射片。

T1～T4節(jié)段，每一節(jié)應貼6塊反射片，其中4塊貼在塔的內側距焊接線中心以下 150cm斷面處，另2塊貼于外側距焊接線中心以下150cm斷面處；T5～T10節(jié)段，每一節(jié)應貼4塊反射片，其中3塊貼在塔的內側距焊接線中心以下150cm處，另1塊則貼于外側距焊接線中心以下 150cm外。若在測量時出現(xiàn)遮擋或觀測不便時，可根據具體情況設置反射片的位置。

4.1.3 鋼塔定位測量

在塔身施工過程中，根據施工臨時支撐，調整塔身橫橋向預偏值，使成形后的主塔線形滿足設計要求。在主塔吊裝過程中，監(jiān)控單位根據臨時荷載、各階段施工荷載、塔身不平衡水平力、塔身溫差等組合作用下，計算各個階段塔身的預偏值。

根據上述計算主塔各節(jié)部位的預偏移量，對鋼塔柱各節(jié)骨架上反射片的設計三維坐標值進行修正。鋼塔柱定位測量方法是采用全站儀三維坐標法。全站儀跟蹤測量點是貼在鋼塔柱骨架上的反射片中心，全站儀中輸入的反射片中心處三維坐標是經過修正后的坐標。定位測量時采用2臺TS30自動搜索型全站儀同時觀測塔的內外側反射片進行精確定位。

圖4 全站儀三維定位鋼主塔

4.1.4 鋼塔柱測量復核

在下一節(jié)鋼塔吊裝就位后（未進行焊接鎖定之前），現(xiàn)場技術人員應對已安裝好的鋼架進行復測，并將復測數(shù)據及時反饋至設計及監(jiān)控單位，便于設計與監(jiān)控單位對預偏參數(shù)計算模型進行驗證、改進。如果復測數(shù)據反饋值與預測值有較大差異，應分析原因并在后續(xù)施工過程考慮適當?shù)恼{整措施。

4.2 鋼塔吊裝

鋼塔節(jié)段試裝驗收合格后通過水運運輸?shù)綐蛭?，采?臺500T浮吊吊裝。主塔為弧形塔，塔柱傾斜，鋼塔共50個節(jié)段，橫梁8個吊裝節(jié)段，塔冠6個節(jié)段。主塔提升前需要將主塔節(jié)段的姿態(tài)初步調整到位，姿態(tài)調整主要是將主塔節(jié)段的傾斜角度調整至設計角度，并將節(jié)段最低邊調整水平，以減小安裝時調整的工作量，確保安裝施工順利。主塔節(jié)段姿態(tài)調整到位以后提升時僅需要完成豎直和水平方向的平移。

按照測量定位方案對節(jié)段上口測點的三維坐標和對稱軸線進行測量，調整主塔節(jié)段的橫向傾斜角度和順橋向的垂直度滿足設計要求，將節(jié)段與上一節(jié)段或承壓板點焊，點焊完成后將鋼塔節(jié)段面板上的匹配件用 M24高強螺栓連接，再次對節(jié)段上的測量點位進行復核，無變動后開始對節(jié)段接縫施焊。焊接完成后對塔柱上口各點位最后進行測量并與設計位置進行比較，記錄偏差值以便指導后續(xù)的節(jié)段安裝。

圖5 鋼塔吊裝

在主塔各節(jié)段安裝過程中需要在 T3、T5、T7、T9節(jié)段之間設置臨時橫撐和豎向支撐，確保主塔線形和主塔安裝過程中的穩(wěn)定。主動橫撐采用φ630mm（δ=10mm）鋼管，豎向支撐采用φ630mm（δ=10mm）鋼管，橫撐與鋼塔節(jié)段間通過法蘭盤進行連接，豎向支撐與橫向支撐之間采用焊接。主塔每個節(jié)段安裝前與監(jiān)控單位聯(lián)系確定該節(jié)段安裝的預偏量。即采用被動支撐+設置預偏量形式實現(xiàn)塔身線型控制。

圖6 鋼塔橫撐設置及計算

每層臨時橫撐安裝完成后，根據建立的鋼塔三維模型（含橫撐），結合測量成果數(shù)據，計算出后續(xù)兩個鋼塔節(jié)段吊裝完成后，這兩節(jié)鋼塔因懸臂自重向內傾斜的距離，并將該數(shù)據作為下一節(jié)段鋼塔吊裝的預偏量。在坐標計算時，體現(xiàn)方式為橫軸數(shù)據向獨立坐標系X軸偏移。即設置被動支撐+設置預偏量的方案來確保鋼塔的順利合攏。

通過該方法（見下表）計算鋼塔預偏量。

鋼塔橫撐+預偏量設置

以上數(shù)據為理論數(shù)據，每節(jié)鋼塔吊裝完成后，在焊接完成后對鋼塔實際安裝位置進行坐標采集，分析節(jié)段竣工偏差，將節(jié)段偏差數(shù)據在下一個節(jié)段吊裝前一并考慮進預偏量內，確保鋼塔安裝誤差不進行累計，為鋼塔最終合攏創(chuàng)造基礎。

4.4 焊接施工

4.4.1 焊接掛籃施工

本橋鋼塔采用浮吊進行吊裝，塔外無操作腳手架平臺，如在塔身焊接上焊接簡易平臺，需對鋼塔表面增加大量焊點，對塔身涂裝造成較大破壞，且塔身施工完成后拆除操作平臺都存在極大的安全風險。為此，確定在塔身節(jié)段吊掛裝配式掛籃作為操作平臺，即可保障施工安全，又可實現(xiàn)靈活裝拆。

掛籃外形尺寸有效高度1200mm、寬1000mm，并將外側高度加大800mm。掛籃弦桿采用∠70*6角鋼，弦桿直接間隔600mm設置直腹桿、斜腹桿，腹桿采用φ42*3的圓管，底部鋪設3mm的扁豆紋鋼板，外側用 0.5mm彩鋼板封閉，掛籃內側與鋼塔壁板接觸的弦桿全部用橡膠墊包裹，放止刮傷塔外側涂裝層。

掛籃上設置有8個吊耳，其中4個吊耳為塔吊提升掛籃所用，另外 4個吊耳用于安裝掛籃定位鋼絲繩，與塔節(jié)段上口吊耳連接。

每個節(jié)段鋼塔吊裝定位后，吊裝裝配式掛籃。掛籃安裝高度為環(huán)焊縫下發(fā)1.4m左右。安裝時按照先曲面后直邊的順序進行，即首先吊裝圓弧壁板掛籃，其次吊裝內側壁板掛籃，最后吊裝外側壁板掛籃。裝配式掛籃每個吊裝節(jié)安裝到位后，與上一個吊裝節(jié)采用螺栓連接成一個整體，最終形成一個環(huán)形操作平臺。掛籃安裝時，需重點檢查吊掛鋼絲繩完整性，錨固卸扣是否擰緊螺栓，掛籃上吊點焊縫是否開裂等重要部位，杜絕安全事故發(fā)生。

掛籃安全完成后，操作工人即可在其上實施外側焊縫氣刨清根、打磨、焊接等工序。

圖7 鋼塔焊接掛籃示意圖

4.4.2 鋼塔焊接

本鋼塔材質為370qD鋼，面板厚度為48mm，按《建筑鋼結構焊接技術規(guī)程》（JGJ81～2002）關于建筑鋼結構工程焊接難度分級法屬于難檔，施工中重點解決厚板的焊接以保證鋼結構的焊接質量。

本塔柱安裝精度要求很高，因此必須做好焊接變形控制。塔身截面尺寸較大，因此側面剛度很大，一旦焊接成形，如果位置發(fā)生較大偏差，調整難度極大，因此必須控制焊接工藝，使之產生的焊接變形值較小。

首先需對48mm厚鋼板進行焊接工藝評定試驗，確定鋼板焊接變形值及焊接電流、電壓、氣流量、焊接速度、焊接溫度等。

其次焊接前需對鋼板進行預熱，預熱采用氧氣火焰法對鋼板進行加熱，加熱區(qū)域為鋼板兩側 100mm區(qū)域。預熱溫度為120℃。

再次為減小收縮變形與應力，所以焊接順序應均衡對稱。采用雙人雙機焊接時，2人按逆時針方向以均速對稱焊接。因鋼板厚，焊接層數(shù)較多，每層起、收弧處錯開30～50mm，成階梯狀。甲、乙焊工在起弧處注意與對方的收弧銜接好，避免出現(xiàn)缺陷。焊最后一層蓋面焊縫時，應適當減小電流，使外觀成形良好。

最后焊接過程中對坡口要嚴格要求，規(guī)定每個焊道完成后都必須清除焊渣和飛濺物，以避免氣孔和夾渣現(xiàn)象。禁止直接在雨中作業(yè)。

鋼塔焊接完成后，進行焊縫無損檢測，檢測合格后進行鋼塔焊縫的防腐涂裝工作，如焊縫檢測存在缺陷，需要對焊縫進行返修處理，原則上要求焊縫返修不得超過2次。

5 結 論

①通過制造階段進行整體試拼裝，試拼裝精度直接決定主塔橋位鋼塔安裝速度和精度。

②鋼塔安裝節(jié)段，通過對2個支腿兩側設置被動支撐+設置預偏量的方法，順利實現(xiàn)了2個支腿合攏，較好了控制了鋼塔的線型。同時在必要情況下可對橫撐支撐施加主動壓應力，以局部調整塔身截面應力和線型。

③鋼塔48mm厚板的焊接技術控制，特別是對稱焊接技術是實現(xiàn)鋼塔線型及焊縫質量的關鍵。

［1］JGJ81-2002，建筑鋼結構焊接技術規(guī)程［S］.

［2］張年杰.空間異型橋梁鋼塔安裝中的線形控制技術［J］.建筑施工，2011（3）.

［3］姚小元，成宇海.南京長江第三大橋鋼塔安裝技術［J］.鋼結構，2006（5）.

U448.25

B

1007-7359（2016）02-0106-05

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.037

丁得志（1983-），男，安徽安慶人，畢業(yè)于安徽理工大學，學士，工程師。