空間扭轉(zhuǎn)非對稱獨鋼塔建造的線形控制技術(shù)

劉明友

中鐵上海工程局集團第五工程有限公司 廣西 南寧 530200

1 工程概況

柳州市白沙大橋主橋為單塔雙索面斜拉橋（圖1）。大橋主塔高108 m，正面似門形，側(cè)面似倒扣愛心結(jié)又似芭蕾舞姿，相對橋梁縱軸為非對稱結(jié)構(gòu)，但相對扭轉(zhuǎn)后的橫軸呈反對稱（圖2）。塔身軸線由圓曲線及橢圓曲線構(gòu)成，寓意“傳承與融合”。主塔橫截面為單箱七室的異形截面，采用全鋼結(jié)構(gòu)，共27個節(jié)段，節(jié)段長度5.0～12.5 m不等，單節(jié)段最大質(zhì)量為206 t，尺寸由塔根的9.8 m×4.5 m扭轉(zhuǎn)至塔頂?shù)?.5 m×4.5 m。

圖1 白沙大橋跨徑組合

圖2 主塔線形示意

2 空間異形塔線形分析

2.1 線形特點

白沙大橋主塔橫截面為單箱七室的異形截面，共分27節(jié)，每個節(jié)段間的分界面均為該處塔柱軸線的法向平面。每個節(jié)段由面板、腹板、豎板、角板、水平橫隔板、法線橫隔板、鋼錨箱等組成[1-3]。主塔主要特征有：為防止應(yīng)力集中，塔身截面為八邊形，采用0.65 m×0.65 m傾角過渡；受造型影響，主塔橫截面隨高度上升向縱橫方向傾斜，高程方向按5°/m旋轉(zhuǎn)；27個塔節(jié)段中沒有一個面板和橫隔板是平面的，都是三維扭曲的，尤其是塔頂合攏段，扭轉(zhuǎn)角達到93.4°。

2.2 線形控制難點

1）初設(shè)階段。因扭轉(zhuǎn)設(shè)計，故計算時無法準確把握其截面構(gòu)造和特性，模型模擬歷經(jīng)3個月。

2）設(shè)計階段。在對結(jié)構(gòu)進行細化設(shè)計時，應(yīng)力集中點多，節(jié)段和截面劃分難，截面特征參數(shù)無法準確計算；箱室內(nèi)橫隔板、加勁板的尺寸為非線性變化，規(guī)格多，需逐一等間距繪制連接。

3）加工階段。初設(shè)和設(shè)計階段的難點在主塔節(jié)段制造階段更是突出，每一塊板都是三維扭曲面，尤其是塔頂附近單元板和節(jié)段，需逐一沖壓和內(nèi)胎架配合方能滿足線形要求。

2.3 線形控制流程

白沙大橋主塔為全鋼結(jié)構(gòu)，其線形直接影響到結(jié)構(gòu)受力和成橋效果，具有一次性和不可逆性，遠比混凝土結(jié)構(gòu)控制復(fù)雜，易形成應(yīng)力集中區(qū)或數(shù)據(jù)異常區(qū)。

1）設(shè)計階段。在滿足功能和造型要求的前提下，減少結(jié)構(gòu)變化點數(shù)量或突變點，軸線采用圓曲線和橢圓曲線組成，降低建造難度。

2）制造階段。在繪制鋼結(jié)構(gòu)詳圖時，掌握設(shè)計意圖和線形控制要點，拋棄傳統(tǒng)作業(yè)方式，還原設(shè)計思路；按板號明確每一塊板的三維空間參數(shù)、驗收參數(shù)及檢驗方法，并按匹配姿態(tài)參數(shù)繪制線形，修正后續(xù)節(jié)段加工和現(xiàn)場安裝參數(shù)。

3）安裝階段。節(jié)段匹配解除后運至橋位，節(jié)段焊接應(yīng)力部分消除，應(yīng)及時量測節(jié)段參數(shù)，以及時調(diào)整安裝工藝；現(xiàn)場安裝時提供穩(wěn)固的線形調(diào)整平臺和微調(diào)工裝，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時收集姿態(tài)數(shù)據(jù)，快速分析數(shù)據(jù)，擬合設(shè)計和制造階段線形，修正后續(xù)制造和安裝參數(shù)。

3 鋼塔施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 圖紙轉(zhuǎn)化要點

1）白沙大橋鋼塔為全國首個互扭成“麻花”造型的主塔，造型極具創(chuàng)造性和創(chuàng)新性。在圖紙轉(zhuǎn)化時，每一個板單元和部件都無法從立體圖上摘取。為此，通過掌握AutoPOL、RootExpand軟件功能特點，套用BIM軟件和CASA系統(tǒng)兼容性能，實現(xiàn)扭曲零部件自動展開，協(xié)作圖紙轉(zhuǎn)化，提高圖紙轉(zhuǎn)化精度，最大程度上實現(xiàn)了原設(shè)計理念和效果。

2）按設(shè)計參數(shù)建立鋼塔模型，塔節(jié)段需全部采用三維立體放樣，每塊板的外形尺寸、線形及坡口等均需在三維立體圖中切割數(shù)據(jù)；因鋼塔節(jié)段類型多樣，故在繪制整體圖時，需要為鋼塔每一節(jié)段定義符合其結(jié)構(gòu)特點的表達方法；根據(jù)每一節(jié)段參數(shù)重新設(shè)計和細化。

3）加工藍圖轉(zhuǎn)換流程復(fù)雜且任務(wù)重。軟件自動展開不能得到下料和組拼所需要的控制基線，需手工展開。為實現(xiàn)板單元“扭”的外形，將板單元的四邊形碎片成三邊形；平面展開后，在立體圖中測量碎片間的夾角，標注于平面展開圖上，全橋僅面板需重測108次。節(jié)段內(nèi)外壁板單元為彎扭形狀，出圖時應(yīng)充分考慮車間胎架制作的影響因素，為車間提供胎架制作數(shù)據(jù)，并制定相應(yīng)的制造工藝。彎扭板單元采用壓彎加火焰矯正的工藝。

4）鋼塔壁板寬度超寬，最寬達到了12.5 m，且每個板件均為三維彎扭形狀，按常規(guī)備料既不能滿足線形要求，又浪費嚴重。細化時在立體圖中逐節(jié)段切割壁板，切割線避開應(yīng)力集中區(qū)和施焊難的區(qū)域；切割后記錄切割三維參數(shù)及零部件編號，采取三維參數(shù)優(yōu)化組合的方式備料。

5）每一根斜拉索的橫向、豎向夾角都不同，放樣時需從立體圖中測量出施工圖及產(chǎn)品分配表2組不同的工位定位參數(shù)，分別適用于車間機械加工和節(jié)段組裝。

3.2 節(jié)段制造和匹配

1）異形鋼塔節(jié)段制造按階段和步驟分為板單元制造及節(jié)段拼裝，具體工藝流程為：零部件加工→板單元制造→節(jié)段組拼及預(yù)拼裝→涂裝。

2）鋼塔節(jié)段形狀奇特且內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，合理的板單元劃分可以減少焊接和殘余應(yīng)力釋放，是保證精度的關(guān)鍵。具體劃分原則：根據(jù)不同厚度鋼板的最大軋制寬度及結(jié)構(gòu)尺寸，有針對性地對不同節(jié)段進行板單元劃分；將節(jié)段按頂（底）單元、隔板單元、錨箱單元及腹板單元獨立加工后，在特制胎架上預(yù)拼成大板單元或構(gòu)件及零件。

3）鋼塔節(jié)段組拼焊接完成后，在無約束狀態(tài)下，以相鄰節(jié)段基準端和橫基線距離為依據(jù)進行長度配切；現(xiàn)場測量相鄰節(jié)段與基準線間距離，與理論數(shù)據(jù)進行對比后得出配切線位置。鋼塔節(jié)段匹配時，將其他輪次節(jié)段（不多于5節(jié)）運至胎架端頭，用三維液壓千斤頂對節(jié)段姿態(tài)進行調(diào)整定位，實時監(jiān)控定位點的坐標誤差；滿足匹配要求后，予以配切和安裝臨時匹配件。

4）T13、T14節(jié)段為塔頂合攏段，兩段截面扭曲近93.4°。為減少逐節(jié)段拼裝誤差，制作專用胎架進行整體組拼；采用API激光跟蹤儀監(jiān)控各壁板上的組裝基準點，以滿足與上一節(jié)段的匹配精度要求，過程中重點檢查兩端口尺寸、相對距離、相對扭轉(zhuǎn)角度；兩端各預(yù)留0.8 m長的傾角焊縫暫不焊接，待線形匹配合格后再施焊。

3.3 線形控制保障方案

3.3.1 安裝基準面的選擇

主塔位于柳江航道中，常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)的安裝方法有散拼法、大型塔吊法、浮吊法、高支架移動門架等。為此，結(jié)合本工程實際情況，綜合分析比選如下：

1）散拼法不能滿足鋼主塔線形和結(jié)構(gòu)耐久性要求，質(zhì)量無法保障。

2）能滿足吊重260 t的大型塔吊全球僅幾臺且是專業(yè)單位特殊定制的，其基礎(chǔ)和操作及維護等使用條件十分苛刻，費用過高且工期不能滿足要求。同時因節(jié)段重心偏移不定，故大型塔吊法的安裝精度不能實現(xiàn)毫米級調(diào)整。

3）柳江為內(nèi)河，水淺、水壩閘門多，故無法滿足260 t的浮吊進場要求。浮吊作業(yè)時須封鎖航道，而柳江水位每天漲幅達1 m且洪水周期長；同時，浮吊無自身動力，遇超大洪水時撤出和控制難度較大，安全風(fēng)險和租賃費用均較高。

4）高支架移動門架為半剛性結(jié)構(gòu)，安全性和穩(wěn)定性好，既能提供穩(wěn)固的安裝基準面又符合柳江施工條件，同時經(jīng)濟性能適中且構(gòu)件可回收利用。其主要由鋼管混凝土樁基承臺＋鋼管樁支墩組合框架＋大跨度特制移動桁架橫梁組成。

3.3.2 精調(diào)平臺選擇

鋼主塔為空間異形扭曲結(jié)構(gòu)，節(jié)段高空對位匹配時需有一個調(diào)整靈活穩(wěn)定的精調(diào)平臺。高支架移動門架除能提升穩(wěn)固的安裝基準面外，還具備上述要求的功能。此功能通過45 m大跨度移動橫梁系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)由可自由橫移與縱移的滑移結(jié)構(gòu)和微調(diào)平臺、鋼絞線束及雙向轉(zhuǎn)動吊具等組成。節(jié)段安裝時，通過滑移和微調(diào)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)段平面x、y兩個軸向坐標調(diào)整，通過張拉單個吊點鋼絞線束調(diào)整節(jié)段z軸姿態(tài)。

3.3.3 線形控制理論與方法

鑒于白沙大橋特殊的造型和全鋼結(jié)構(gòu)特性，選擇滿足施工安全和工藝要求的線形控制方法可以更好地實現(xiàn)設(shè)計意圖。為此，通過對比分析倒拆法、正裝-倒拆迭代法、正裝迭代法、無應(yīng)力狀態(tài)法的優(yōu)缺點，最終認為無應(yīng)力狀態(tài)法是最適用于白沙大橋的線形控制方法，其基本思路是：假想將多構(gòu)件組裝的主塔解體，不計溫度和風(fēng)力等外界因素，只要保證各構(gòu)件無應(yīng)力長度和無應(yīng)力曲率不變，則不論按什么方法和組裝順序，還原后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、線形都將與原結(jié)構(gòu)一致。按施工步驟和順序用Midas/Civil軟件建立模型，主塔516個單元，主梁304個單元，斜拉索60個單元，分析斜拉索長度和彈性模量、主梁質(zhì)量、溫度變化等結(jié)構(gòu)敏感性及其影響，計算成橋線形與索力等，按步驟和工況逐一下達監(jiān)控指令和實時修正。

主塔線形模型如圖3所示，線形控制流程如圖4所示。

圖3 主塔線形模型

圖4 線形控制流程

4 線形控制

4.1 線形控制原則

白沙大橋施工控制坐標系以縱橋向為x軸，橫橋向為y軸，塔高方向為高程z軸。鋼主塔節(jié)段為空間扭曲異形構(gòu)造，節(jié)段吊裝時若直接以施工坐標系的坐標參數(shù)進行定位，需要根據(jù)截面扭轉(zhuǎn)角和高程z的偏差不斷修正平面坐標（x、y），因三者相互影響，故計算繁瑣，且難以快速評價節(jié)段空間姿態(tài)的定位精度。經(jīng)分析，在塔軸線任意豎向高度上假定構(gòu)建一個正交標架α(z)、β(z)、γ(z)（即以軸心點為原點，截面長軸為x軸，短軸為y軸，法線為z軸），α、β、γ分別對應(yīng)局部坐標軸的x、y和z，可快速根據(jù)實測施工坐標，通過數(shù)學(xué)方 法轉(zhuǎn)換為局部坐標系的坐標，以評判定位精度。

4.2 線形控制內(nèi)容

1）節(jié)段精確定位。在異形鋼塔節(jié)段安裝中，按照各節(jié)段目標控制線形對每個節(jié)段的空間位置進行精確定位，確保主塔安裝線形滿足控制精度要求；同時通過控制鋼塔橫向臨時內(nèi)支撐軸力以及臨時預(yù)應(yīng)力斜拉力的調(diào)整，可以確保塔柱的空間線形和整體姿態(tài)穩(wěn)定。

2）應(yīng)力監(jiān)測與反饋。鋼塔節(jié)段安裝中，在塔底和橫梁等關(guān)鍵部位布置應(yīng)力傳感器，對施工過程中鋼塔的應(yīng)力與應(yīng)變進行實時采集，尤其是對最大懸臂和因扭轉(zhuǎn)重心偏移超限等受力不利工況和階段進行重點監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

4.3 線形控制效果

鋼塔節(jié)段安裝精確匹配后，實測絕對標高“放樣實測值”與“按目標折角β?lián)Q算得到理論值”之間的誤差應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)；同時兼顧上下節(jié)段間焊縫匹配間隙。主塔線形滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們對生活環(huán)境要求越來越高，從而對建筑“美”的要求也日益提升，既要求建筑滿足基本功能要求，又要求其具備更多的生活元素。白沙大橋鋼主塔的造型，側(cè)面猶如“芭蕾舞者在柳江上致謝市民”，雖在造價上有所升高，但賦予建筑“靈氣”和“動感美”，將建筑與周邊環(huán)境有機結(jié)合，打造了一道風(fēng)景線和城市名片——柳州之門，為城市品質(zhì)提升增添色彩。

造型奇特的建筑物大多為鋼結(jié)構(gòu)，使用壽命有限。若能在結(jié)構(gòu)材料耐候性能上有所突破，那在造價和功能上將更上一層樓。