滬通長江大橋主塔2 700 t·m附壁塔吊設(shè)計與施工

彭學(xué)理

（中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844）

1 工程概況

滬通長江大橋主航道橋?yàn)楣F兩用雙主塔鋼桁梁斜拉橋，孔跨布置為（140+462+1 092+462+140）m，全長2 296 m。主墩承臺平面尺寸為83.9 m×58.7 m，頂面標(biāo)高+8 m；塔座頂面尺寸70.6 m×29.6 m，頂面標(biāo)高為+13 m。主塔設(shè)計高度為330 m，采用C60 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔柱橫梁以上為倒Y 形設(shè)計，橫梁以下內(nèi)收為鉆石形結(jié)構(gòu)［1-5］。塔頂高程343.0 m，其中下塔柱及下橫梁總高度為55 m，中塔柱高145 m，上塔柱及電梯房總高度為125 m。主塔結(jié)構(gòu)見圖1。

大橋在上塔柱重型鋼錨梁與鋼牛腿整體高精度吊裝、斜拉索盤吊裝上橋等工序中，對起吊能力需求不低于100 t。受主塔平面尺寸、斜拉索與鋼梁設(shè)計位置、現(xiàn)有塔吊站位以及重物待吊區(qū)域等諸多限制。若采用常規(guī)落地式設(shè)計，安裝于承臺或塔座處，為滿足上述吊裝要求，需配置4 000 t·m 以上的大型塔吊，且塔吊立柱高度超過320 m，附墻結(jié)構(gòu)設(shè)置極其復(fù)雜，整座塔吊均需特殊設(shè)計，費(fèi)用昂貴。

2 塔吊設(shè)計

圖1 主塔結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

為滿足上述設(shè)計需求，滬通長江大橋大吊重塔吊采用附壁式設(shè)計，重物通過在承臺存放再倒運(yùn)吊裝至塔頂。塔吊安裝于中塔柱下游側(cè)塔肢上，整體結(jié)構(gòu)由2 700 t·m自升式塔吊本體、托架及附墻組成，2 700 t·m塔吊吊重性能參數(shù)見表1，設(shè)計載荷見表2。塔吊安裝總高144 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度為4 m，共36 個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，與主塔之間共設(shè)置5 道扶墻附著桿，吊臂長49 m，配重架10.8 m（到回轉(zhuǎn)中心），塔機(jī)平衡重91 t。吊重100 t時，最大幅度26 m；幅度45 m 時，最大吊重52 t。塔吊平面布置示意見圖2。

表1 2 700 t·m塔吊吊重性能參數(shù)

表2 2 700 t·m塔吊設(shè)計載荷 t

圖2 塔吊平面布置示意（單位：mm）

托架結(jié)構(gòu)由鋼靴、壓桿、壓桿附墻、壓桿聯(lián)結(jié)系、支撐框組成。鋼靴分上下2 層共布置4 個，單個鋼靴結(jié)構(gòu)通過塔柱相應(yīng)部位預(yù)留槽口及8φ40 精軋螺紋鋼與塔柱固定，單個精軋螺紋設(shè)計水平張拉力450 kN。壓桿結(jié)構(gòu)為φ710×22鋼管，與塔柱之間設(shè)置2道附墻。

壓桿間水平方向通過φ351×10 鋼管之字形聯(lián)結(jié)系連接。支撐框結(jié)構(gòu)由HN800 型鋼拼接而成，支撐框與下方壓桿、鋼靴之間分別通過銷軸和螺栓連接［6］。壓桿結(jié)構(gòu)內(nèi)灌注C60 微膨脹混凝土，以提高局部剛度及穩(wěn)定性。混凝土剛度折減系數(shù)取0.7 時，經(jīng)計算可減少壓桿豎向變形約50%（1～2 mm）。

動力分析表明，塔吊縱向剛度偏弱，應(yīng)根據(jù)動力工況模擬計算結(jié)果并檢驗(yàn)共振特性。因此，按照塔吊工作狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)速率1 800 r/min 對塔吊進(jìn)行動態(tài)激勵。采用有限元軟件MIDAS/Civil進(jìn)行建模，其中塔吊結(jié)構(gòu)除附著桿件采用桁架單元，其余構(gòu)件均采用梁單元，共振檢算模型見圖3。主塔的兩塔柱底部均使用固定約束，約束6 個方向的自由度［7］。分析塔柱在不同施工階段整體結(jié)構(gòu)的前60 階自振頻率和周期。工況4第7 階振型見圖4。在不同施工工況下，整體結(jié)構(gòu)0～60階模態(tài)自振頻率見表3。外部載荷對塔吊和主塔的作動頻率為30 Hz，由計算得到的結(jié)構(gòu)前60 階頻率可以看出，結(jié)構(gòu)頻率均在30 Hz 以內(nèi)，因此共振風(fēng)險較低。

圖3 共振檢算模型（5道附墻）

圖4 工況4第7階振型

表3 整體結(jié)構(gòu)0～60階模態(tài)自振頻率

3 塔吊及托架施工

1）托架安裝

主塔施工至27#～30#節(jié)段時，加密設(shè)計槽口處鋼筋網(wǎng)，預(yù)留托架鋼靴、精軋螺紋鋼拉桿孔洞，并安裝托架附墻預(yù)埋件。托架安裝前需將預(yù)埋件鑿出并清理，對比測量數(shù)據(jù)及設(shè)計參數(shù)，嚴(yán)格校正并抄平槽口底面。然后吊裝操作平臺，安裝鋼靴并利用千斤頂張拉精軋螺紋鋼拉桿（單根張拉力450 kN）。

鋼靴安裝完成后，吊裝托架壓桿G1 和G2-1、聯(lián)結(jié)系及第1 和第2 道托架附墻，利用料斗和導(dǎo)管自下而上灌注壓桿內(nèi)微膨脹混凝土，及時振搗密實(shí)，然后吊裝托架結(jié)構(gòu)支撐框與壓桿G2-2 組合結(jié)構(gòu)。期間應(yīng)重點(diǎn)控制壓桿垂直度、托架頂標(biāo)高及中心位置，在確保安裝質(zhì)量滿足要求后，向G2-2節(jié)壓桿中灌注細(xì)石混凝土，通過頂部蓋板壓漿，提高管內(nèi)填充密實(shí)度［8］。 鋼靴結(jié)構(gòu)局部如圖5所示。

圖5 鋼靴結(jié)構(gòu)局部示意（單位：mm）

在托架結(jié)構(gòu)安裝完畢后，為保證鋼靴與主塔間的有效傳力，采用現(xiàn)場灌漿的方式密實(shí)填充槽內(nèi)空隙。托架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 托架結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

2）塔吊主體結(jié)構(gòu)安裝

塔機(jī)的首次安裝采用固定基礎(chǔ)式，后轉(zhuǎn)為外附著式外爬自升。根據(jù)實(shí)際施工情況，具體安裝步驟如下：

塔吊基礎(chǔ)制作、驗(yàn)收→安裝2節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)→安裝第1道附著→安裝2 節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)→安裝第2 道附著→安裝6節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)→安裝回轉(zhuǎn)下座及其平臺→安裝外頂升套架→安裝平衡臂及其平臺→安裝控制室→安裝起升卷揚(yáng)機(jī)→安裝變幅卷揚(yáng)機(jī)→安裝A 形塔→安裝吊臂（在地面組合完畢后整體吊裝）→安裝配重塊→穿繞變幅鋼絲繩和起升鋼絲繩→調(diào)試→第三方檢測→試吊→四方驗(yàn)收合格，報監(jiān)理審核同意，正式投入使用［9］。

在附壁塔吊安裝過程中，根據(jù)危險截面計算結(jié)果，對塔壁預(yù)埋件與附墻桿件接頭角接焊縫等薄弱部位應(yīng)進(jìn)行焊縫超聲波探傷檢測，確保焊接質(zhì)量合格［10-11］。

3）塔吊試吊

①空載狀態(tài)。測量工作幅度、起升高度及側(cè)向垂直度，通電后測試起落鉤、變幅及回轉(zhuǎn)等操作是否滿足相關(guān)要求。

②載荷試驗(yàn)。依次進(jìn)行100%額定載荷-靜載、110%額定載荷-動載、125%額定載荷-靜載試驗(yàn)。以最大吊幅下載荷系數(shù)×對應(yīng)額定起重量和最大吊重×載荷系數(shù)下極限吊幅為2 類主要測試工況，考慮安全系數(shù)進(jìn)行起升等操作。

重點(diǎn)評估塔吊起升、變幅及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作機(jī)能，檢查限位裝置和電控系統(tǒng)是否正常，同時觀測工作狀態(tài)異響、振動狀況，利用全站儀觀測主塔順橋向、橫橋向變形是否滿足設(shè)計要求。

4）信息化監(jiān)控

托架基礎(chǔ)監(jiān)控內(nèi)容為主要受力結(jié)構(gòu)鋼靴上的精軋螺紋鋼及塔吊支撐框底的銷軸連接板，通過在主塔內(nèi)腔設(shè)置2個攝像頭，監(jiān)控精軋螺紋鋼后錨固情況，另在每個鋼靴處選擇1根精軋螺紋鋼安裝智能弦式數(shù)碼穿心力傳感器，檢測預(yù)應(yīng)力損失情況，每個銷軸處兩側(cè)的連接板分別安裝1個應(yīng)變傳感器。

塔吊附墻結(jié)構(gòu)的監(jiān)控內(nèi)容為附墻桿件的應(yīng)力監(jiān)控，在每根附墻桿上安裝3個應(yīng)變傳感器，分別布置在兩端部和桿件中間。

精軋螺紋鋼后錨固點(diǎn)的監(jiān)控頻率為每半個月1次。應(yīng)力傳感系統(tǒng)為實(shí)時監(jiān)控，應(yīng)力數(shù)據(jù)可實(shí)時反饋到后臺主機(jī)上，通過設(shè)置警戒值，可在超警戒情況下將信號傳輸至控制室電腦界面。

4 結(jié)論

1）為滿足滬通長江大橋超高主塔上塔柱預(yù)制結(jié)構(gòu)及斜拉索索盤上橋等高吊重需求，采用專用托架作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了2 700 t·m塔吊在中塔柱處的附壁式固定。相比傳統(tǒng)橋梁工程中落地式塔吊，顯著節(jié)省吊幅、充分利用吊重能力，大大減少了塔吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)用量及安裝工期。

2）塔吊托架由鋼靴、壓桿、壓桿附墻、壓桿聯(lián)結(jié)系和支撐框組成，采用鋼靴槽口后期壓漿保障有效傳力，微膨脹混凝土灌注壓桿減小變形。MIDAS/Civil 建模分析了動態(tài)激勵下前60階頻率，驗(yàn)證了整體結(jié)構(gòu)共振安全性。通過試吊及信息化監(jiān)控，驗(yàn)證了設(shè)計載荷下附墻及托架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位受力安全，125%額定載荷-靜載試驗(yàn)下，順橋向持荷時主塔最大變形為2.4 cm（順橋向），確保了塔吊整體結(jié)構(gòu)在使用階段的工作性能及結(jié)構(gòu)安全。

3）滬通長江大橋主塔2 700 t·m 附壁塔吊安裝質(zhì)量滿足設(shè)計及規(guī)范要求，證明了該吊重形式的合理性及優(yōu)越性，為后續(xù)超高橋塔、大吊重預(yù)制結(jié)構(gòu)吊裝施工提供了借鑒。