曲線獨柱型鋼塔精準安裝關(guān)鍵技術(shù)

周 暢，田雨金，李 亮

(1.南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210000;2.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

我國已建的大跨度纜索類橋梁索塔多采用混凝土結(jié)構(gòu)，鋼索塔的應(yīng)用相對較少。近年來隨著鋼鐵冶煉技術(shù)以及裝備制造業(yè)的發(fā)展，鋼索塔在大型橋梁中應(yīng)用逐漸增多。與混凝土橋塔相比，鋼索塔具有抗震性能好、施工機械化程度高以及節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點[1-2]，具有廣闊應(yīng)用前景。

浦儀公路上壩夾江大橋采用獨柱式鋼索塔，該結(jié)構(gòu)首次在大跨徑斜拉橋上采用。塔底鋼-混結(jié)合段承壓板面積達170 m2，采用50根高強錨桿與承臺錨固，為國內(nèi)目前單體最大面積的鋼混結(jié)合段[3]。通過對國內(nèi)類似工程施工調(diào)研，之江大橋采用30根高強錨桿、泰州大橋中塔單肢塔柱采用34根高強錨桿進行鋼混結(jié)合段的錨固[4]，均少于上壩夾江大橋，其群錨桿的精確定位難度更大。對塔底壓漿工藝，施津安等開展了之江大橋T0段承壓板后壓漿技術(shù)研究。張平等開展了泰州大跨徑懸索橋鋼塔塔底鋼混連接處承壓板后壓漿施工技術(shù)研究。其中之江大橋承壓板面積36.725 m2，呈3.497°斜面，設(shè)計要求承壓板與壓漿面?zhèn)髁佑|率大于70% ；泰州大橋承壓板面積30 m2，呈1∶4斜面。上壩夾江大橋承壓板面積170 m2，設(shè)計要求承壓板與壓漿面?zhèn)髁佑|率大于95%，且塔底為水平面，排氣更加困難，超大平面水平灌漿工藝需專項研究。

鋼塔常在廠內(nèi)分節(jié)段加工制造，現(xiàn)場采用大型設(shè)備吊裝。鋼塔節(jié)段劃分應(yīng)充分考慮運輸?shù)谋憷耘c現(xiàn)場安裝設(shè)備的吊裝能力。鋼索塔節(jié)段間的連接一般有3種形式：(1)焊接連接。(2)鋼塔節(jié)段端面金屬接觸與高強度螺栓共同受力(簡稱“高強螺栓連接”)。(3)鋼塔節(jié)段端面金屬接觸與高強度對拉螺桿共同傳力(簡稱“高強對拉螺桿連接”)。目前國內(nèi)大型鋼塔多采用高強螺栓連接，該連接方式具有橋位施工受外部干擾影響小、施工功效高的優(yōu)點，同時這種連接方式對鋼塔接縫金屬接觸率有較高要求，節(jié)段端面需在廠內(nèi)完成機加工[5-6]。鋼塔的標準接頭線型取決于廠內(nèi)加工制造精度，無法針對性調(diào)整。為避免可能出現(xiàn)的垂直度超差現(xiàn)象，以往鋼塔設(shè)計、施工中常設(shè)幾道垂直度調(diào)整接頭。調(diào)整接頭在設(shè)計過程中只考慮高強螺栓傳力，接頭的拼接板和高強螺栓數(shù)量較多，且接頭拼接板需根據(jù)現(xiàn)場線型監(jiān)測數(shù)據(jù)鉆孔，在工期和施工成本上均不如標準接頭。建立前后場聯(lián)動的精度管理體系，取消或減少調(diào)整接頭對鋼塔施工有著重要意義。

1 主塔結(jié)構(gòu)

1.1 索塔總體布置

浦儀公路上壩夾江大橋為主跨500 m的獨柱鋼塔鋼箱梁斜拉橋。主塔高166 m，索塔采用切角矩形斷面，單箱多室布置。西索塔底部斷面尺寸16.0 m(橫橋向)×9.5 m(順橋向)，上部標準斷面為6.0 m(橫橋向)×6.5 m(順橋向)，橫橋側(cè)塔柱豎向外輪廓斜率為10.87∶100，塔身通過圓弧段過渡到塔頂。

1.2 索塔分節(jié)與連接

塔柱共劃分為19個節(jié)段，除T1外，節(jié)段長度余為7.0～14.4 m不等。節(jié)段間接頭采用栓接接頭。

塔柱節(jié)段連接傳力形式，設(shè)計采用高強度螺栓傳力與端面金屬間接觸傳力相結(jié)合的方法。傳遞壓力情況時，高強度螺栓與端面金屬接觸壁板和腹板均按50%考慮，而加勁肋則按40%計；當出現(xiàn)拉力情況則全部按高強度螺栓傳遞考慮?？紤]到索塔安裝中誤差的調(diào)整，設(shè)計在J10，設(shè)置了調(diào)整接頭，即高強度螺栓傳遞100%內(nèi)力[7]。索塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 西索塔總體布置圖(單位：m)

1.3 塔柱與承臺的連接

塔柱根部的壓應(yīng)力主要通過塔柱底板傳遞到承臺混凝土中，而拉應(yīng)力則通過錨固螺桿傳遞到基礎(chǔ)中。在塔底截面布置50根直徑為110 mm的40CrNiMoA錨桿，并施加預拉力。單個錨桿預拉力大小正常工作狀態(tài)時為2 000 kN，考慮預拉力張拉的損失，施工張拉力為2 500 kN。塔底錨固結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 塔柱承臺連接構(gòu)造(單位：cm)

2 工程主要重難點

曲線型獨柱形鋼塔柱大節(jié)段制造和安裝在國內(nèi)尚屬首次。塔底斷面尺寸16.0 m(橫橋向)×9.5 m(順橋向)，為國內(nèi)最大斷面鋼塔；鋼拉桿數(shù)量50根，數(shù)量上為國內(nèi)同類型設(shè)計第一。施工中主要有以下重難點：

(1)鋼塔截面尺寸大、重量大，結(jié)構(gòu)復雜，加工精度要求高。

(2)錨桿定位精度要求高。鋼塔首節(jié)段在吊裝過程中需穿過50根錨桿。鋼塔上預留錨桿孔直徑僅比預埋錨桿直徑大20 mm，且T1節(jié)段的軸線允許偏差僅為5 mm。群錨桿預埋直接決定鋼塔首節(jié)段安裝精度。

(3)塔底灌漿施工組織和質(zhì)量控制難度大。塔底灌漿面積達170 m2，灌漿層密實度要求達到95%以上。灌漿面積為國內(nèi)同類型橋梁之最，施工要求高。

(4)鋼塔線型控制難度大。獨柱塔剛度偏弱，風荷載、塔吊扶墻力等荷載造成鋼塔水平位移，日照、溫度等亦對施工監(jiān)控有較大影響。如何恢復鋼塔廠內(nèi)預拼線型是保證鋼塔柱施工關(guān)鍵。

3 主要施工方法及工藝措施

3.1 總體施工工藝

本著工廠化、裝配化的原則，鋼塔在廠內(nèi)大節(jié)段加工制造，現(xiàn)場采用大型起重設(shè)備吊裝。其中T1～T5節(jié)段采用800 t浮吊吊裝，節(jié)段最大重量587.5 t；T6～T19節(jié)段采用最大起吊能力160 t的MD3600塔吊吊裝，節(jié)段最大起吊質(zhì)量不超過140 t[8-10]。塔吊在鋼塔T8和T14節(jié)段上設(shè)置扶墻。工藝流程如下：

(1)下塔柱吊裝

①樁基、承臺施工完成。

②采用800 t起重船吊裝T1節(jié)段，定位固定后塔底灌漿，張拉錨桿。

③繼續(xù)采用800 t起重船安裝T2，T3，T4，T5節(jié)段。

(2)中上塔柱吊裝

①安裝MD3600塔吊，塔吊頂升至86.2 m高。安裝T6，T7，T8節(jié)段。

②當T8節(jié)段安裝完成后，安裝首節(jié)扶墻，高度72.4 m。隨后塔吊頂升至138.2 m高。安裝T9～T14節(jié)段鋼塔。

③當T14節(jié)段安裝完成后，安裝第2層扶墻，高度124.4 m。塔吊頂升至184.4 m高。安裝T15～T19節(jié)段鋼塔。

圖3為總體工藝流程圖。

圖3 鋼塔安裝施工流程 (單位：m)

3.2 鋼塔廠內(nèi)制造

3.2.1 鋼塔端面機加工

鋼塔在廠內(nèi)分塊制造，后組拼成整體。大型鋼塔整體端面加工的平面度是廠內(nèi)加工制造控制重難點。鋼塔加工廠內(nèi)落地式鏜銑床高度方向行程為7 m，水平方向行程為30 m， T5～T19節(jié)段端面尺寸較小，與常規(guī)鋼塔施工類似，在組拼成整體后采用落地式鏜銑床全斷面加工。T1～T5節(jié)段端面尺寸較大，超過鏜銑床7 m的高度行程，無法一次完成全斷面機加工，需采用便攜式平面銑床或“二次接刀”的方式完成施工。具體如下：

(1)T1節(jié)段截面尺寸大(16.0×9.5 m)、噸位大(587.5 t)、高度小(5.1 m)，若制作成整體后翻身進行機加工，橫臥狀態(tài)下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。最終選擇將總拼前的兩個大塊體分別機加工(頂端預留5～6 mm不加工到位)，在兩箱體底端與承壓板立式組裝為整體節(jié)段后劃線，采用便攜式平面銑床加工T1頂端。

(2)對于高度大于7 m的T2～T4節(jié)段，采用整體翻身、接刀的方法進行加工。

鋼塔制造成整體后在橫臥狀態(tài)下首先進行端面2/3部分的機加工。采用API對工件端面輪廓上的測量點及下端口壁板4個找正測量標靶進行空間坐標測量。形成劃線定位樣紙，進行斷面劃線。粗加工定位、粗銑加工完后，API測量工件相對于機床的位置，并進行精加工。

端面首次機加工完成后對鋼塔進行180°翻身，支撐反力恢復后通過百分表將已加工平面與機床走行平面調(diào)至平行，然后進行半精加工、精加工，將兩側(cè)平面加工至平齊。

3.2.2 廠內(nèi)預拼裝

為檢查鋼塔加工精度，鋼塔制作完成后在廠內(nèi)進行預拼裝，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)以指導現(xiàn)場安裝。綜合考慮鋼塔節(jié)段結(jié)構(gòu)特點及廠內(nèi)設(shè)備吊裝限高，J2～J17接口采取臥式拼裝，J1接口采取立式拼裝。

臥式拼裝工藝要點如下：利用支撐液壓千斤頂將兩個預拼節(jié)段對應(yīng)接口調(diào)整平行，過程中檢測接口匹配情況，后通過水平千斤頂施加水平預緊力，將鋼塔柱姿態(tài)調(diào)整到位，如圖4所示。其后對構(gòu)件垂直度、長度和接口的金屬接觸率、壁板錯邊量等質(zhì)量指標進行系統(tǒng)檢查，合格后廠內(nèi)進行拼接板鉆孔(對于調(diào)整接頭，廠內(nèi)只進行拼接板一側(cè)鉆孔，另一側(cè)待現(xiàn)場鋼塔調(diào)整后根據(jù)實測數(shù)據(jù)鉆孔)。整體檢測合格后，在節(jié)段四角壁板上劃出水平預拼裝對位線，作為橋位安裝的對位基準線。

圖4 鋼塔臥式預拼裝原理圖

立式拼裝即將鋼塔在豎直狀態(tài)下完成拼裝，該工藝能較好模擬現(xiàn)場安裝狀態(tài)，接頭位置無需另外施加對緊力，檢測項目與臥式拼裝基本相同。

3.3 鋼混結(jié)合段施工

3.3.1 鋼塔首節(jié)段定位

鋼塔錨桿長11.475 m，預埋進基礎(chǔ)混凝土內(nèi)深度8 m。錨桿的預埋精度直接影響首節(jié)段定位[11-13]。在索塔承臺、塔座施工過程中，搭設(shè)定位鋼支架，并在支架上設(shè)置3層水平定位梁，定位梁上設(shè)置在廠內(nèi)精加工的圓弧卡板對錨桿進行限位。在混凝土分層澆注過程中，每次澆注前后均分別對錨桿進行定位測量，并及時糾偏。利用BIM技術(shù)提前解決了各構(gòu)件之間的沖突問題(如圖5所示)，實測群螺桿最終定位精度優(yōu)于3 mm。

圖5 錨桿定位支架BIM模型

T1節(jié)段高程定位通過在塔座頂預設(shè)墊板的方式來實現(xiàn)：在鋼塔底對應(yīng)腹板加勁交叉位置布置6塊平面尺寸為40 cm×40 cm的墊板，墊板頂按照鋼塔底標高提前設(shè)置。鋼塔水平定位主要通過在塔座頂面設(shè)置定位工裝輔助進行：提前在鋼塔北側(cè)和東側(cè)設(shè)置楔形導向限位，在鋼塔下放至限位約束范圍后塔底承壓板側(cè)面緊貼限位，在限位反方向設(shè)置水平千斤頂以實現(xiàn)鋼塔下放過程中的平面約束。定位工裝如圖6所示。

圖6 首節(jié)段安裝定位工裝(單位：mm)

3.3.2 鋼混結(jié)合段超大平面薄層灌漿施工

對塔底厚5 cm、面積170 m2的薄層灌漿施工，施工組織難度大且質(zhì)量不易保證。在正式施工前展開不同灌漿工藝和不同材料的試驗[14-16]。

(1)灌漿分區(qū)

鋼塔底部全平面一次完成灌漿的施工組織難度大，施工完成后塔底填充層開裂風險也較大?；谝陨显蚣骖櫣酀{料流動性，將灌漿施工劃分為6個區(qū)間，區(qū)間之間采用10 cm寬橡膠條相隔離。橡膠條定位標高高于承壓板底面10 mm，在首節(jié)段下放過程中承壓板與橡膠條擠壓密貼，實現(xiàn)分區(qū)隔離。灌漿區(qū)域劃分如圖7所示。

圖7 灌漿分區(qū)平面圖(單位：m)

根據(jù)灌漿施工分區(qū)大小，現(xiàn)場采用1/6比例模型試驗(試驗面積與單個施工區(qū)間相當)。選擇水泥基灌漿材料，設(shè)計多組灌漿料配合比，對其各項性能檢測。材料配比及主要試驗參數(shù)見表1。

表1 灌漿料性能

對比發(fā)現(xiàn)，采用較小粒徑的石英砂的M2灌漿料流動度更好，相較于添加碎石的組分，在5 cm厚薄層灌漿的條件下M2灌漿料漿體整體性更好，有著較優(yōu)的施工性能，且試驗壓板下方氣泡較少，成品無裂縫。

通過試驗總結(jié)得出以下結(jié)論：(1)含碎石的灌漿材料在試驗時碎石主要集中在布料點，最大流淌距離1 m左右，和漿體存在分離現(xiàn)象。(2)相較于壓漿機，立軸式攪拌機生產(chǎn)出漿體氣泡含量更少，且生產(chǎn)供料能力更強。(3)借助于高差勢能，高位灌漿較水平灌漿漿體流動性更好。(4)在灌漿過程中使用30型振搗棒能有效減少成品氣泡數(shù)量。

最終選擇M2材料，現(xiàn)場采用2臺立軸式行星攪拌機(單次攪拌量1 m3，設(shè)備轉(zhuǎn)速60 r/min以上)攪料，高位灌漿，灌漿料通過塑料軟管流入承壓板底部。

在鋼塔T1節(jié)段頂部搭設(shè)灌漿施工平臺，對鋼結(jié)構(gòu)外露部分采用彩條布覆蓋，防止飛濺的灌漿料造成表面污染?，F(xiàn)場共設(shè)置6組加內(nèi)襯的透明軟管，軟管在塔內(nèi)穿過水平環(huán)板和內(nèi)壁板的預留孔洞引至鋼塔底面不同區(qū)間。單個區(qū)間灌漿施工完成后直接切換透明軟管轉(zhuǎn)至下個區(qū)間施工。

灌漿施工前在塔座一周施工30 cm寬C50細石混凝土，細石混凝土頂標高比鋼塔承壓板底部高2 cm，灌漿料頂標高最終控制與細石混凝土頂標高一致，以達到“保壓”效果。

3.4 鋼塔現(xiàn)場匹配安裝

現(xiàn)場鋼塔標準接頭匹配安裝主要以定位基線為基準，通過限位板和調(diào)位工裝實現(xiàn)。現(xiàn)場實施工藝要點如下：

鋼塔起吊前在已安裝節(jié)段上提前安裝導向限位板，吊裝節(jié)段四邊安裝牽引繩，在鋼塔下放至拼接口1～2 m時，站在操作平臺上的作業(yè)人員拉緊牽引繩，吊鉤緩慢下落，利用導向限位完成鋼塔粗定位。

下放完成后，利用橫向調(diào)位裝置和側(cè)面限位板完成鋼塔平面位置精調(diào)。精調(diào)以廠內(nèi)預拼裝過程中在4個切角部位劃出的安裝對位線為基準。在對位線匹配后，檢測鋼塔金屬接觸率情況，當滿足要求后，打入沖釘初步定位。在夜間溫度恒定時段對鋼塔線型測量，滿足要求后即可進行高栓安裝。

調(diào)整接頭實施要點如下：

施工前對已安裝節(jié)段平面偏位、傾斜度和四角高差數(shù)據(jù)進行采集，分析是否需要對線型修正。若各參數(shù)指標滿足要求，則接頭可正常連接，拼接板可根據(jù)預拼數(shù)據(jù)在廠內(nèi)直接鉆孔、發(fā)運至現(xiàn)場。若需要線型調(diào)整，則現(xiàn)場在接口位置利用工裝對上方節(jié)段線型調(diào)整，至理想狀態(tài)后將接口上下壁板、腹板之間縫隙采用薄鋼板條塞填密實。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對拼接板鉆孔，采用特配拼接板完成接口栓合。

鋼塔施工過程中建立前后場聯(lián)動的精度管理體系，鋼塔現(xiàn)場安裝數(shù)據(jù)采集后對數(shù)據(jù)分析，指導廠內(nèi)加工。鋼塔設(shè)計J10為預留調(diào)整接口，通過該接口可實現(xiàn)下塔柱累積線型誤差調(diào)整。實際施工中鋼塔線型控制良好，未利用調(diào)整接頭對線型修正。

4 施工監(jiān)控

獨柱鋼塔橫橋向和縱橋向剛度均較弱，其線型對風力和塔吊扶墻力較敏感。開展施工監(jiān)測并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對鋼塔線型數(shù)據(jù)修正、指導安裝有重要意義[17]。

4.1 環(huán)境因素監(jiān)測

環(huán)境因素的影響主要包括溫度和風力兩方面。溫度監(jiān)測結(jié)果表明，中午12點到下午5點范圍內(nèi)，鋼塔截面最大溫差達5 ℃以上，凌晨1點以后鋼塔柱截面溫差均在1 ℃以內(nèi)。為排除溫差對鋼塔線型影響，將鋼塔安裝數(shù)據(jù)采集安排在凌晨進行。

塔柱線型測量優(yōu)先安排在無風條件下，線型測量過程中同時測量現(xiàn)場風速、風向，對當天幾何測量數(shù)據(jù)進行修正，排除風力干擾。

表2 不同風速作用下塔頂位移統(tǒng)計

4.2 幾何測量

鋼塔幾何測量分為廠內(nèi)測量和現(xiàn)場測量兩部分。廠內(nèi)測量貫穿整個鋼塔制造過程，最終成果為廠內(nèi)預拼數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場安裝提供數(shù)據(jù)支撐。現(xiàn)場測量環(huán)境復雜，主要重難點如下：(1)長江水域施工現(xiàn)場潮濕、多霧，鋼塔施工到一定高度時，全站儀等常規(guī)方法進行測量放樣受到影響，嚴重時，會導致無法觀測。(2)鋼塔位于江中，工作基點布設(shè)局限性大，部分結(jié)構(gòu)物特征點不能直接測量。

基于此，提出一種“觀測塔及水環(huán)境構(gòu)件安裝位置測定系統(tǒng)”：以承臺中心為對稱點，沿橋軸線左右兩側(cè)對稱布置控制點。控制點上設(shè)置控制圓盤和防護結(jié)構(gòu)。觀測墩的布置和測定系統(tǒng)分別如圖8～9所示。該方案很好解決視距問題，較常規(guī)的陸上基準點和管樁式水上測量平臺，有較好的測量精度和經(jīng)濟效益。

圖8 觀測墩布置

圖9 觀測塔及水環(huán)境構(gòu)件安裝位置測定系統(tǒng)

鋼塔測量控制點布置在節(jié)段頂口，在角點布置H1～H4共4個高程控制點，在邊線中點布置A1～A4共4個平面控制點。所有控制點在鋼塔廠內(nèi)制造時做好標識。典型斷面測點布置如圖10所示。

圖10 鋼塔高程和平面控制點布置

4.3 物理監(jiān)測

實施過程中塔吊共設(shè)置兩層扶墻(分別設(shè)置于+86.0 m和+138.0 m高度)，在上層扶墻發(fā)揮作用時，下層扶墻桿對鋼塔基本無水平力。經(jīng)計算，在工作狀態(tài)下塔吊扶墻對鋼塔最大水平作用力為678 kN，非工作狀態(tài)下塔吊扶墻對鋼塔最大水平作用力為758 kN。不同作用力下塔頂水平位移如表3所示。

表3 不同作用力下塔頂水平位移統(tǒng)計

為消除塔吊扶墻對鋼塔安裝線型監(jiān)控影響，需保證在測量過程中扶墻內(nèi)無水平作用力。在扶墻安裝和鋼塔線型測量過程中塔吊均需吊裝配重塊來達到標準節(jié)垂直，使測量結(jié)果不受外力影響[18-19]，具體要點如下：(1)每層塔吊扶墻安裝前，塔吊通過吊裝配重塊達到垂直(記錄下配重大小和位置)，在夜間基本無風且溫度恒定時段進行扶墻水平連接桿施工。(2)每次夜間鋼塔測量時塔吊均吊裝配重恢復到扶墻安裝時狀態(tài)。(3)塔吊扶墻安裝前，鋼塔自由狀態(tài)下記錄下扶墻待附著節(jié)段的平面坐標。在后續(xù)節(jié)段施工測量時，同步測量附著節(jié)段。將附著節(jié)段當前數(shù)據(jù)與自由狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)對比以指導現(xiàn)場施工。

5 結(jié)論

(1)超長群錨桿定位工裝在本項目中得到成功應(yīng)用，實現(xiàn)群錨桿3 mm以內(nèi)的定位精度?；炷聊Y(jié)過程中的收縮、徐變對錨桿的絕對位置有影響，對多次澆注的混凝土，每次混凝土澆注完成后需對錨桿測量、糾偏。

(2)對超大平面尺寸灌漿施工，施工組織和材料性能是關(guān)鍵，實施中采取的分區(qū)灌漿措施和灌漿材料選擇可為類似項目提供經(jīng)驗。

(3)采用節(jié)段端面金屬接觸與高強度螺栓共同受力連接的鋼結(jié)構(gòu)塔柱，現(xiàn)場安裝線型控制主要宗旨為還原廠內(nèi)加工精度和線型?？赏ㄟ^建立前后場聯(lián)動的精度管理體系保證現(xiàn)場安裝精度(廠內(nèi)對鋼索塔預拼裝、檢測、修正；現(xiàn)場利用定位工裝實現(xiàn)節(jié)段匹配，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)指導廠內(nèi)后續(xù)節(jié)段加工)。

(4)鋼結(jié)構(gòu)塔柱線型對環(huán)境和作用力敏感，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測過程中需排除溫度、風力、塔吊附著等對結(jié)構(gòu)影響，需選擇合理的監(jiān)測時機和補償方法。