順德大橋索塔智能控制液壓爬升提升機(jī)安裝鋼塔與塔吊安裝鋼塔比選分析

黃開開 HUANG Kai-kai

（中交路橋華南工程有限公司，中山 528400）

1 概述

隨著我國交通建設(shè)的飛速發(fā)展，跨越江、河的大跨徑纜索支承橋梁——斜拉橋和懸索橋建設(shè)需求旺盛，建設(shè)規(guī)模與日俱增。斜拉橋由于其結(jié)構(gòu)剛度大、跨越能力強(qiáng)、橋跨布置靈活、造型美觀等特征得到了廣泛應(yīng)用。我國是目前世界上擁有斜拉橋、懸索橋數(shù)量最多的國家。主跨超過400 米的斜拉橋超過一半在中國，已經(jīng)建成通車的世界主跨跨徑最大的10 座斜拉橋有7 座在中國，主跨跨徑最大的10 座斜拉橋中國占了5 座。國家政策鼓勵和要求推廣適合工業(yè)化生產(chǎn)的預(yù)制裝配式混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等建筑體系，加快發(fā)展建設(shè)工程的預(yù)制和裝配技術(shù)，提高建筑工業(yè)技術(shù)集成水。大跨徑斜拉和懸索橋的索塔越來越多的采用鋼索塔或鋼混組合索塔。

順德大橋主橋全長992.5m，主跨626m。主塔呈H 型，矮塔（D2）塔高151m，分21 個節(jié)段，中下塔柱為鋼-混組合結(jié)構(gòu)（10 個節(jié)段），上塔柱10 個節(jié)段為鋼結(jié)構(gòu)，T11 節(jié)段為鋼混結(jié)合過渡段。高塔（D3）塔高204m，分30 個節(jié)段，中下塔柱為鋼-混組合結(jié)構(gòu)（共14 個節(jié)段），上塔柱15 個節(jié)段為鋼結(jié)構(gòu)，T15 節(jié)段為鋼混組合過渡段。高低塔均設(shè)置三道橫梁，如圖1 所示。

圖1 順德大橋橋型布置圖

矮塔下橫梁為鋼-混組合結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)重約678t，距離塔座10.6m。中/上橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，中橫梁重約537t，中橫梁距下橫梁71m，上橫梁重約408T，距中橫梁46m。

高塔下橫梁為鋼-混組合結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)重約723t，距離塔座10.1m。中/上橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，中橫梁重約679t，中橫梁距下橫梁約103m，上橫梁重約495T，距中橫梁約67m。

2 現(xiàn)有鋼索塔施工方案

通過對國內(nèi)外24 座斜拉橋、懸索橋10 座，共計34 座橋梁的索塔施工方案調(diào)查統(tǒng)計。其鋼索塔、鋼混組合索塔施工方法共有5 種，分別為：塔吊、浮吊、轉(zhuǎn)體、履帶吊、懸臂吊機(jī)。其占比分別為：74%、52%、4%、13%、4%。

通過調(diào)查統(tǒng)計，海上或者主塔位于河流深水區(qū)域的，采用浮吊的居多；位于陸地的高塔，使用塔吊或懸臂吊機(jī)的居多；位于陸地上的低塔，使用履帶吊的居多；拱形鋼塔采用橋面臥拼、整體轉(zhuǎn)體的居多；上述工藝除拱形塔豎轉(zhuǎn)工藝較經(jīng)濟(jì)、簡潔外，其他工藝均存在如下不足：

①大型浮吊存在租金高，進(jìn)退場費用高，浮吊檔期有制約，有吃水深度要求，受鋼塔焊接等因素制約，使用時間長、費用高；

②大型塔吊購置費高，加工周期長，存放場地大，附墻件改制費用高、轉(zhuǎn)場費用高、安拆時間長；以南京三橋MD3600 為例，其購置費需要5000 萬人民幣，存放場地需要8000 平米（以150m 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)計算，下同）；浦儀大橋的中聯(lián)3930 塔吊購置費3000 萬人民幣，存放場地需要7000平米；購置新設(shè)備需要占用大量資金，財務(wù)成本較高；因為各單位鋼塔工程較少、施工不連續(xù)等因素造成設(shè)備使用率低，存放成本高昂。

③大型塔吊可租賃設(shè)備偏少，租金普遍偏高，進(jìn)退場時間也需要計算租金。以中晟3600 為例（20 米吊重180噸），進(jìn)退場費用需要70 萬元，租金每月為65 萬元；中聯(lián)3930 塔吊（20m 吊重200 噸）租金每月100 萬元；由于檔期原因，設(shè)備進(jìn)場時間可能會比預(yù)期晚2、3 個月。

④大型履帶吊存在租金高、進(jìn)退場道路運輸條件要求高、市場可租賃設(shè)備少、租賃檔期不匹配等缺點。

⑤塔身鋼橫梁因為重量較大，均需要搭設(shè)支架、分塊安裝，增加了支架材料投入和支架安、拆費用，高空作業(yè)增多，安全風(fēng)險增加。

⑥為降低浮吊、塔吊租金，加快進(jìn)度，因此塔身節(jié)段焊接操作平臺在每道接縫均需設(shè)置，增加了平臺材料投入和安拆成本，增加了鋼塔現(xiàn)場涂裝修補工作量和懸空作業(yè)，增加了平臺安、拆的懸空作業(yè)，安全風(fēng)險增大；受天氣制約，后期平臺安拆、現(xiàn)場涂裝的工期較慢。

⑦為降低塔吊設(shè)備使用數(shù)量，在滿足吊重、吊距的情況下，塔吊一般均布置在橋梁中軸線上，該位置影響橋梁的鋼梁吊裝，必須在拆除鋼塔安裝塔吊、另行配合拉索安裝的小塔吊以后才能進(jìn)行鋼梁安裝作業(yè)，造成工期增加，成本增加。

3 智能控制液壓爬升提升機(jī)安裝鋼塔施工方案

針對順德大橋索塔施工，擬研究一種自爬升鋼塔提升機(jī)（以下簡稱塔機(jī)），本塔機(jī)可以實現(xiàn)順德大橋主塔節(jié)段、鋼塔橫梁吊裝，經(jīng)簡單改造后可用于橋面鋼箱梁的吊裝，能夠滿足主塔及鋼箱梁的拼裝。主體功能如下：

3.1 作為自爬升起重機(jī)，用于鋼塔節(jié)段吊裝

塔節(jié)段施工：單塔柱各設(shè)置一臺附壁式（順橋向布置）的軌道自爬升懸臂起重機(jī)，完成各自的塔節(jié)安裝，如圖2所示。

3.2 索塔橫梁吊裝施工

①將塔機(jī)天車坐落于已安裝完成塔節(jié)段頂部，并進(jìn)行錨固，該階段天車受力將由軌道錨固轉(zhuǎn)移至索塔頂部；②采用雙塔柱塔頂兩臺自爬升起重機(jī)的天車同步提升系統(tǒng)，垂直提升橫梁，該階段橫梁為整體提升，如圖2 所示。

圖2 塔機(jī)吊裝鋼塔/鋼橫梁/鋼箱梁

3.3 鋼箱梁施工

①在鋼塔施工完成后，將自爬升起重機(jī)拆除；

②利用自爬升起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)及天車同步提升系統(tǒng)重新改造組裝，用于吊裝橋面鋼箱梁，除爬升桁架外，其余構(gòu)件均可共用，如圖2 所示。

鋼塔提升機(jī)是一種全新的鋼塔安裝設(shè)備和工藝，目前國內(nèi)外還未有先例，具備如下優(yōu)點：

①優(yōu)良的環(huán)境包容度，可以降低浮吊、塔吊、履帶吊等方法對現(xiàn)場條件的要求，工藝適用范圍更廣。

②低廉的成本，經(jīng)過對浮吊、塔吊、履帶吊的自購、租賃等模式成本比較分析，鋼塔提升機(jī)具有較大的成本優(yōu)勢。

③為現(xiàn)場條件苛刻的大橋鋼塔安裝提供了一種全新的施工工藝。

④安全風(fēng)險低，鋼塔節(jié)段焊接平臺與提升機(jī)協(xié)同設(shè)計，隨提升機(jī)移動，不在塔身上焊接作業(yè)平臺，能最快速度提供焊接作業(yè)平臺的同時，還可以減少焊接平臺投入，平臺搭設(shè)、拆除懸空作業(yè)減少，現(xiàn)場涂裝修復(fù)工作減少，安全風(fēng)險顯著降低。

⑤提升機(jī)構(gòu)件為裝配式設(shè)計，安裝拆除容易，設(shè)備轉(zhuǎn)場運輸方便、費用低；使用完畢后容易拆除，可作為一般型鋼構(gòu)件用作其他用途，不涉及裝備閑置問題。

⑥總工期更加節(jié)約、可控；突破對大型浮吊、塔吊、履帶吊常規(guī)設(shè)備的依賴和租賃檔期的制約，成本自主控制能力更強(qiáng)。

⑦鋼塔提升機(jī)研究成果實施后，設(shè)備構(gòu)件可重復(fù)利用率高，上部主桁架可用于大部分橋梁的橋面吊機(jī)，也可以用于掛籃主桁。

⑧該設(shè)備可拓展用于幾乎所有懸索橋鋼索塔的提升安裝，上桁架可以作為懸索橋塔頂門架留置使用，減少門架投入。

4 施工方案對比分析

為保證本項目鋼塔施工方案合理及推動鋼索塔發(fā)展，對上述提出的塔吊方案和塔機(jī)方案進(jìn)行比選論證。

4.1 塔吊方案

4.1.1 概述

擬投入設(shè)備：高塔STT-3930 裝機(jī)高度為222m，臂長50m，STT-3330 裝機(jī)高度210m，臂長50m。塔吊主框架中心距離索塔頂端中心14m。共設(shè)置6 道附墻。矮塔STT-3330 裝機(jī)高度為168m，臂長50m，T-2850 裝機(jī)高度156m，臂長50m。塔吊主框架中心距離索塔頂端中心16m。共設(shè)置4 道附墻，如圖3 所示。

圖3 塔吊布置示意圖

高塔下橫梁：重量723t，高塔分為9 個節(jié)段；矮塔下橫梁：重量678t，分為7 個節(jié)段。均采用落地鋼管支架進(jìn)行拼裝，然后與索塔進(jìn)行連接。中、上橫梁：高塔中橫梁分為7個節(jié)段，上橫梁分為5 個節(jié)段；高塔中橫梁分為6 個節(jié)段，上橫梁4 個節(jié)段。采用牛腿托架進(jìn)行拼裝，然后與索塔進(jìn)行連接，如圖4 所示。

圖4 鋼橫梁拼裝支架示意圖

4.1.2 塔吊施工流程

第一步：施工樁基、承臺，預(yù)埋定位框架；安裝塔吊，利用塔吊分別安裝T1/T2/T3 節(jié)段。

第二步：安裝T4/T5 節(jié)段；搭設(shè)下橫梁支架，拼裝下橫梁，并與索塔連接。

第三步：施工至T18 節(jié)段；在中橫梁安裝位置施工托架，分節(jié)段安裝中橫梁；過程中按塔吊設(shè)計要求安裝塔吊橫撐。

第四步：施工至T30；在T30 節(jié)段上施工托架，分節(jié)段安裝上橫梁；利用塔吊安裝塔冠、裝飾塊等，完成索塔施工。

總體流程圖如圖5 所示。

圖5 塔吊施工流程

4.2 塔機(jī)方案

4.2.1 概述

順德大橋智能控制液壓爬升提升機(jī)由爬架、主梁結(jié)構(gòu)、軌道系統(tǒng)、自爬升系統(tǒng)、天車系統(tǒng)、液壓連續(xù)提升系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)（含電氣控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、照明系統(tǒng)）等組成。金屬結(jié)構(gòu)的主材采用Q345B。其軌道和通過焊接在鋼塔外壁板上的錨固座連接。

鋼橫梁施工時，先在地面進(jìn)行拼裝后，然后采用塔機(jī)雙機(jī)抬吊。

4.2.2 施工流程（以高塔為例）

第一步：北岸采用150t 龍門吊安裝T1-T3；南岸采用汽車吊安裝T1-T3。

第二步：利用履帶吊、汽車吊安裝塔機(jī)。

第三步：施工至T18節(jié)段；在中橫梁安裝位置施工托架，分節(jié)段安裝中橫梁；過程中按塔吊設(shè)計要求安裝塔吊橫撐。利用塔機(jī)安裝T4；下橫梁進(jìn)場、拼裝利用塔機(jī)安裝T5。

第四步：利用塔機(jī)整體提升下橫梁安裝。

第五步：利用塔機(jī)安裝T6-T22，分貝在T7/T11/T14/T22 節(jié)段設(shè)置臨時橫撐，橫撐采用塔吊安裝。

第六步：搭設(shè)中上橫梁拼裝支架，拼裝中上橫梁；塔機(jī)下移，錨固于T22 節(jié)段頂面；整體吊裝上橫梁，臨時安裝在T19 節(jié)段處；整體吊裝中橫梁，安裝在T17 節(jié)段上。

第七步：安裝鋼塔節(jié)段T23-T30；塔機(jī)下移，拆除塔機(jī)起重桁架；整體吊裝上橫梁，臨時安裝至T29 節(jié)段；拆除塔機(jī)，安裝塔冠，完成索塔施工。

總體施工流程如圖6 所示。

圖6 塔機(jī)施工流程圖

4.2.3 塔機(jī)方案可行分析

4.2.3.1 對索塔的影響分析

塔機(jī)安裝鋼塔時，附著于已安裝完成的鋼塔上，所以針對塔機(jī)對鋼塔的影響進(jìn)行驗算。工況分析：

①5 個鋼塔節(jié)段最不利吊裝工況；

②4 個橫梁吊裝工況；

③風(fēng)荷載作用下橋塔節(jié)段吊裝及橫梁吊裝。

計算結(jié)果：采用橋塔預(yù)偏+5 道橫撐方式進(jìn)行橋塔施工時，橋塔順橋向變形可忽略不計；橫向絕對偏差最大值為2.4mm，滿足規(guī)范要求，如圖7 所示。

4.2.3.2 塔機(jī)本身驗算

分為5 個工況進(jìn)行驗算，其結(jié)果如表1 所示。

表1 塔機(jī)計算工況及結(jié)果

4.3 對比分析

4.3.1 安全性分析

就設(shè)備本身來說，塔吊技術(shù)成熟、安全性較高；塔機(jī)在做好保證措施的前提下安全性也較高。

吊裝過程中：塔吊速度較快，30 分鐘以內(nèi)可完成吊裝，吊裝過程受外界影響較小，安全性較高；塔機(jī)速度慢（30m/h），吊裝時間長，受外界天氣影響可能性較大。

鋼橫梁吊裝時：塔吊高空拼裝，安全、質(zhì)量風(fēng)險較高；塔機(jī)低空或地面拼裝，安全、質(zhì)量風(fēng)險相對較低。

4.3.2 質(zhì)量分析

鋼塔安裝時：塔吊附墻對鋼塔線型有一定影響；塔機(jī)本身對鋼塔線型有一定影響。

鋼橫梁安裝時：塔吊高空拼裝，安全、質(zhì)量風(fēng)險較高，質(zhì)量不易控制；塔機(jī)低空或地面拼裝，安全、質(zhì)量風(fēng)險相對較低，質(zhì)量易控制。

可得出結(jié)論：塔吊質(zhì)量風(fēng)險相對較高；塔機(jī)質(zhì)量風(fēng)險相對較低。

4.3.3 適用性分析及對比

4.3.3.1 塔吊適用性分析

①吊裝范圍：在吊裝半徑范圍內(nèi)均能夠起吊，其能夠?qū)崿F(xiàn)縱、橫移動。針對南北岸的鋼塔二次轉(zhuǎn)運其要求相對較低，僅需要轉(zhuǎn)運至吊裝半斤范圍內(nèi)，就能夠進(jìn)行安裝。在臂長范圍內(nèi)，只要滿足吊重要求，吊裝范圍較大，靈活性比塔機(jī)更強(qiáng)。

②吊裝功能：安裝就位后，能夠吊裝其他構(gòu)件，如索塔臨時橫撐、裝飾塊、塔冠、索塔永久電梯安裝、斜拉索安裝等作用，相比塔機(jī)其功能較多。

4.3.3.2 塔機(jī)適用性分析

①吊裝范圍：塔機(jī)吊裝只能是定點起吊，在順橋向方向，吊裝鋼塔節(jié)段時，吊點距離索塔中心距離為14.2m；在橫橋向方向，吊裝橫梁時，吊點也是固定的。

②吊裝功能：僅提供鋼塔節(jié)段和鋼橫梁吊裝，雖設(shè)有10T 小吊具進(jìn)行其他結(jié)構(gòu)吊裝，但因定點吊裝問題，其靈活性及功能性均比塔吊差。若施工現(xiàn)場需要吊裝其他物品，如塔機(jī)本身軌道轉(zhuǎn)換、臨時橫撐安裝、裝飾塊安裝、塔冠安裝、電梯安裝等都需要其他吊裝設(shè)備，其適用范圍較小。

4.3.4 工期分析

①塔吊：索塔節(jié)段拆分需要增多，至少增加6 個節(jié)段，最多增加34 個節(jié)段，將影響總工期?？偣て?59.5 天。與提塔機(jī)對比主要是中上橫梁支架搭設(shè)時間、中上橫梁拼裝時間的差異；

②塔機(jī)：考慮機(jī)械加工時間和施工時間：總工期343天。相對塔吊方案節(jié)約16 天。與塔吊對比主要是每一節(jié)段塔機(jī)爬升、軌道轉(zhuǎn)換、吊裝時間過長的差異。

4.3.5 造價分析

①塔吊：主要為塔吊的租賃費用、中上橫梁支架費用、橋面吊機(jī)租賃費用，見表2。

②提塔機(jī)：主要塔機(jī)加工費用、小塔吊租賃費用，見表2。

表2 造價分析

5 結(jié)論

針對順德大橋索塔施工，結(jié)合橋址環(huán)境、外界因素等，從質(zhì)量、安全、工期、成本、可行性等方面進(jìn)行分析，最終選擇了塔機(jī)施工方案。該方案對優(yōu)化鋼塔施工工藝、提高行業(yè)建設(shè)水平具有重要意義。同時可以有力提高公司的成本優(yōu)勢、工期優(yōu)勢，進(jìn)而提高市場競爭力。支撐中交教團(tuán)在“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略、“一帶一路”建設(shè)上發(fā)揮更大的作用。