自錨式懸索橋曲變截面鋼塔定位安裝施工技術(shù)

牛玉龍

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司 沈陽市 110179)

0 引言

自錨式懸索橋是懸索橋的一種，與地錨式懸索橋相比造型更簡潔、美觀，跨徑選擇靈活，適宜于兩岸地基承載力較差的軟土橋位，更適合在城市的主城區(qū)建設(shè)。國內(nèi)自錨式懸索橋雖然起步較晚，但從21世紀(jì)開始，自錨式懸索橋迅速發(fā)展并且較多采用鋼塔[1]。鋼塔輪廓開始采用曲線形式，擺脫了傳統(tǒng)的直立造型，增加了美學(xué)及景觀效果，但對塔身定位安裝精度控制提出了更高要求。介紹自錨式懸索橋曲變截面鋼塔定位安裝施工技術(shù)，通過加強(qiáng)鋼塔施工過程線形控制，保證工程施工質(zhì)量。

1 工程概況

烏蘭木倫河1號橋，采用全橋跨河道，橋長430m，寬22.5m。橋梁上部結(jié)構(gòu)共四聯(lián)：2×32m+(32+4×50+32)m+2×32m+38m，其中第一聯(lián)、第三聯(lián)、第四聯(lián)上部結(jié)構(gòu)采用等截面預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，第二聯(lián)采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。鋼塔與 5 號橋墩共墩，采用混凝土結(jié)構(gòu)，橋面以上采用鋼結(jié)構(gòu)，塔高36m。鋼塔分為鋼混結(jié)合段、鋼塔柱、S型造型塔柱及塔頂橫梁部分組成。整個鋼塔的外輪廓為2個S形狀，截面為方箱，通過塔頂橫梁連接。主纜跨度采用 2×100m，按自錨式設(shè)計，主塔兩側(cè)各設(shè)置 7 對吊索，吊索間距 8.0m。主纜端部錨固于3號、7 號橫梁上，橫梁外伸。立面圖如圖1所示，橫斷面如圖2、圖3所示。

圖1 立面圖(單位：mm)

圖2 橫斷面A(單位：cm)

圖3 橫斷面B(單位：cm)

2 曲變截面鋼塔定位安裝施工的難點

(1)焊接變形直接影響鋼塔整體線形和質(zhì)量，控制鋼塔各節(jié)段焊接變形和收縮量是鋼塔加工制造及定位安裝的重難點之一。

(2)鋼塔塔身為S型曲變截面鋼結(jié)構(gòu)，對鋼塔S節(jié)段空間定位提出了更高的要求，如何保證鋼塔每個節(jié)段的安裝精度和節(jié)段間相對位置精度是工程又一難點。

(3)防汛要求高，施工工期緊。該地區(qū)豐水期主要集中在7月至9月，故需在汛期結(jié)束后完成第二聯(lián)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁施工，為鋼塔安裝提供施工條件。

3 鋼塔安裝定位測量

為保證鋼塔安裝精度和節(jié)段間相對位置精度，在鋼塔安裝前要建立獨(dú)立控制網(wǎng)，計算出塔身測點三維坐標(biāo)。在鋼塔安裝過程中進(jìn)行精密測量，通過鋼塔定位測量控制、焊接后塔身測點檢測以及整體線形測量，獲得鋼塔空間三維姿態(tài)，并及時進(jìn)行調(diào)整修正。

3.1 建立施工控制網(wǎng)

在鋼塔吊裝過程中，為了使鋼塔安裝測量誤差更直觀、更及時、更有效，將橋梁設(shè)計坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立坐標(biāo)系，建立獨(dú)立的施工控制網(wǎng)，以橋梁軸線為X軸，橋塔主塔位置與橋梁軸線中心線偏移為Y軸，橋塔高程方向為Z軸，測量過程中，儀器所反映的誤差可使操作人員迅速確定誤差方向，快速調(diào)整確定鋼塔軸的定位。

3.2 鋼塔定位測量

鋼塔定位測量采用兩套TS30全站儀，可同時精確測量塔身內(nèi)外反射面[2]，如圖4所示。塔身測點采用全站儀專用反射片，根據(jù)主塔設(shè)計線形參數(shù)，以及反射片安裝位置結(jié)構(gòu)尺寸，精確計算出在獨(dú)立坐標(biāo)系下反射片位置的三維坐標(biāo)。在各節(jié)段吊裝前安裝反射片，每節(jié)段至少安裝4片反射片。若在實際測量中發(fā)生遮擋和無法準(zhǔn)確觀測的問題，則應(yīng)根據(jù)鋼塔節(jié)段實際情況調(diào)整反射片位置。

圖4 全站儀三維定位鋼塔

在鋼塔各節(jié)段安裝、環(huán)縫焊接過程中，跟蹤監(jiān)測測點坐標(biāo)值變化，在超出設(shè)計要求前及時進(jìn)行調(diào)整，確保各節(jié)段安裝滿足設(shè)計線形要求。

3.3 測量時間的選擇

溫度變化對鋼塔安裝時的測量定位影響較大，故對鋼塔節(jié)段安裝的精確定位控制測量，選擇在日落后4h至日出前2h且溫度場較為穩(wěn)定的時段進(jìn)行。

4 鋼塔安裝施工

4.1 優(yōu)化施工方案

原設(shè)計推薦方案為“滿布支架安裝法”，即鋼塔各節(jié)段在工廠加工制造完成后，運(yùn)至施工現(xiàn)場。在第二聯(lián)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁梁面滿布搭設(shè)鋼管支架，利用350t汽車吊，將節(jié)段吊裝至臨時鋼管支架上拼裝焊接。

按照此方案，需要在第二聯(lián)現(xiàn)澆梁施工完成后才能進(jìn)行鋼塔安裝，并且鋼塔安裝期間，橋面滿布支架，影響橋梁后續(xù)工序施工。由于本項目有效施工期僅有8.5個月，無法滿足總工期要求。

根據(jù)本項目特點，充分考慮汛期及冬季等自然環(huán)境影響，經(jīng)過多次方案比選，最終確定通過控制上游既有橡膠壩將水流截流至兩岸沖刷槽內(nèi)，為下游河道內(nèi)鋼塔安裝創(chuàng)造干地施工條件。汛期后河道內(nèi)僅搭設(shè)節(jié)段2鋼管支架，其余節(jié)段利用節(jié)段2和直塔柱為支點，配合纜風(fēng)繩，使得鋼塔安裝與橋面系平行施工，滿足了總工期要求。

4.2 施工工藝流程

施工工藝流程見圖5。

圖5 施工工藝流程圖

4.3 鋼塔制造及安裝施工

4.3.1鋼塔分段劃分

鋼塔分段劃分如圖6所示。鋼塔各節(jié)段重量及尺寸如表1所示。

圖6 分段劃分示意圖(單位：mm)

表1 節(jié)段重量及尺寸表

4.3.2鋼塔加工制造

鋼塔加工制造精度控制是保證鋼塔整體線形的前提和基礎(chǔ)，是鋼塔施工過程中線形控制體系最核心的部分。鋼塔制造基本流程：板塊→單元→節(jié)段→預(yù)拼裝。

板材下料時采用精密切割工藝，異形板采用數(shù)控編程切割，以保證各單元件的尺寸精度。在單元件組裝時，依靠胎架定位和樣桿等輔助工具對各零件的組裝尺寸精度進(jìn)行校核，嚴(yán)格控制拼裝的誤差。為減小焊接收縮和變形，焊接采用小線能量的CO2氣體保護(hù)焊、多道焊，采用合理的焊接順序，并搭設(shè)反變形胎架。

為控制鋼塔整體線形，在拼裝胎架上對節(jié)段之間進(jìn)行預(yù)拼裝，并做好各節(jié)段定位線、檢查線、軸線等標(biāo)識，同時做好預(yù)拼裝詳細(xì)記錄。預(yù)拼裝結(jié)果是后續(xù)節(jié)段制作及預(yù)拼的基準(zhǔn)，同時為施工現(xiàn)場鋼塔整體線形控制提供參考[3]。鋼塔節(jié)段預(yù)拼允許偏差如表2所示。

表2 鋼塔節(jié)段預(yù)拼允許偏差

鋼塔節(jié)段預(yù)拼裝驗收合格，待涂裝作業(yè)完成后，運(yùn)至橋位。在橋位處搭設(shè)臨時胎架，使用兩臺100t汽車吊將運(yùn)輸單元組裝成吊裝節(jié)段進(jìn)行安裝。

4.3.3鋼塔安裝流程圖

鋼塔安裝流程如圖7所示。

圖7 鋼塔安裝流程圖

4.3.4鋼混段及鋼塔柱定位安裝

鋼混段是鋼塔柱的基礎(chǔ)，其安裝質(zhì)量直接影響鋼塔整體施工質(zhì)量。鋼混段底座施工采用負(fù)公差的方法，讓底座標(biāo)高略低于設(shè)計標(biāo)高，以利于鋼混段標(biāo)高調(diào)整。

進(jìn)行鋼混段平面位置以及底標(biāo)高精確放樣，在墩柱預(yù)埋鋼板上焊接導(dǎo)向限位型鋼。對墩頂表面進(jìn)行鑿毛處理，清除表面浮漿增強(qiáng)混凝土接觸面的粘結(jié)度。

鋼混段通過導(dǎo)向裝置初步定位，再采用千斤頂精確調(diào)整，鋼混段頂面高程偏差不得超過 2.0mm，平面位置偏差不得超過 10mm。

鋼筋安裝，支立模板，澆注混凝土。為避免澆注混凝土?xí)r兩側(cè)高差對已經(jīng)定位好的鋼結(jié)構(gòu)擠壓造成鋼混段偏移，采取在模板設(shè)置對流孔以減少壓力差。

待鋼混段混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計要求后，在鋼混段頂端安裝定位導(dǎo)向裝置，用1臺350t汽車吊進(jìn)行鋼塔柱整體安裝，定位后用臨時匹配件與鋼混段臨時連接，待復(fù)測平面位置、標(biāo)高以及垂直度滿足設(shè)計要求后，進(jìn)行焊接作業(yè)。

4.3.5S型塔柱節(jié)段定位安裝

S型塔柱節(jié)段安裝流程：測量放樣→節(jié)段1安裝→節(jié)段2安裝→節(jié)段3安裝→節(jié)段4安裝→檢測。

采用350t汽車吊進(jìn)行節(jié)段安裝。節(jié)段1與節(jié)段2安裝前在鋼塔柱下側(cè)焊接導(dǎo)向限位型鋼。節(jié)段2吊裝至鋼管支架上進(jìn)行安裝、調(diào)整及焊接。

節(jié)段3、節(jié)段4安裝時，在已安裝完畢的節(jié)段2頂端設(shè)置雙向定位導(dǎo)向板。安裝節(jié)段吊裝至已安裝節(jié)段上方30 cm左右時，通過調(diào)整吊車的臂桿傾角、旋轉(zhuǎn)及纜風(fēng)鋼繩等方式使安裝節(jié)段沿著定位導(dǎo)向板安裝就位[4]。

塔柱節(jié)段吊裝至既定位置后，當(dāng)安裝后位置與設(shè)計位置存在偏差，通過千斤頂來矯正，按照先平面位置再高程的順序?qū)λ恢眠M(jìn)行細(xì)部精確調(diào)整，滿足設(shè)計要求后進(jìn)行焊接。

4.3.6橫梁定位安裝

箱梁兩側(cè)塔柱安裝完成后，現(xiàn)場對橫梁進(jìn)行組拼、整體起吊，利用橫梁與塔柱間臨時匹配件定位，完成焊接工作。

4.3.7鋼塔節(jié)段焊接

鋼塔節(jié)段位置調(diào)整完畢，經(jīng)測量復(fù)核，滿足設(shè)計要求后，增加臨時匹配件使節(jié)段固定牢固，并保證對接焊縫無錯臺。進(jìn)行環(huán)縫焊接時，為控制環(huán)縫四邊焊縫不均勻收縮對節(jié)段安裝精度的影響，焊接順序遵循先內(nèi)后外的原則。在施焊前布設(shè)剛性較大的約束裝置，強(qiáng)制控制變形。

節(jié)段施焊時嚴(yán)格按照經(jīng)過專家評審的焊接工藝進(jìn)行操作，并在現(xiàn)場采用同材質(zhì)、同坡口的試板進(jìn)行試焊，通過試驗數(shù)據(jù)控制焊接變形帶來的誤差。

4.4 鋼塔安裝質(zhì)量控制措施

(1)現(xiàn)場拼裝。將各運(yùn)輸段運(yùn)至施工現(xiàn)場后，在施工現(xiàn)場臨時胎架上將分成兩個運(yùn)輸段的節(jié)段，在胎架上進(jìn)行平面拼裝。拼裝過程，測量廠內(nèi)預(yù)拼裝標(biāo)識的檢查線、軸線，出現(xiàn)偏差及時調(diào)整修正。

(2)精確確定吊點位置。鋼塔每節(jié)段的斷面不同，每次吊裝前，需經(jīng)驗算確定節(jié)段上吊耳的位置，使節(jié)段吊起后的角度能快速安裝定位，同時避免吊裝變形確保安裝精度。

(3)安裝施工過程監(jiān)測。節(jié)段安裝時，全過程進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)塔柱的變形情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和修正。每節(jié)段測一次實際安裝軸的傾斜度，計算出偏差趨勢，工廠可通過端部加工來調(diào)整節(jié)段軸與端面的垂直度[5]，以保證塔柱的線形符合設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

烏蘭木倫河1號橋鋼塔安裝施工難度較大，造型獨(dú)特，通過優(yōu)化安裝方案，提前半個月順利完成鋼塔安裝，經(jīng)檢測單位的檢測，鋼塔整體線形、垂直度等各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，確保了工程質(zhì)量和工期目標(biāo)同時，又節(jié)約了鋼管支架搭設(shè)成本，并取得了良好的社會效益，為同類鋼塔的施工提供了借鑒。