海湾桥80m高三维曲线钢结构景观塔制作及安装技术研究

雒焕斌，徐海杰

（中国电建市政建设集团有限公司，天津300384）

1 工程概况

烟台金山湾大桥上部结构采用14m×35m预应力连续小箱梁，桥梁全长498m，下部结构采用组合台、柱式墩，基础采用混凝土钻孔灌注桩[1]。景观桥塔位于桥梁中部9号墩处，桥塔顺桥向设计为“风帆”，造型独塔，横桥向设计为“A”字形塔，塔墩梁固结，自上而下由塔柱、人行道平台及桥墩3部分组成，桥面以上部分为塔柱，由4根曲线钢箱塔柱构成，合龙于塔顶处，桥面以上塔柱高80m，整体重874t。钢箱桥塔从塔底至塔顶根据结构受力情况钢箱截面钢板厚度分别采用28，24，20mm，箱室内布置纵向加劲肋、横隔板（临时工作平台），纵向加劲肋断面为200mm×16mm，横向加劲肋和横隔板厚度16mm[2]。

2 工艺特点

该工程钢结构景观塔制作与安装技术主要有以下特点。

1）利用工艺胎架按照钢塔设计线形进行加工制造。

2）塔身制作合理分段，优化吊装设备配置，减少吊装设备投入。

3）采用码板稳固定位与高精度全站仪监控相结合的方法，实现了钢塔分节安装、高空精确定位的目标，使安装误差控制在规范允许范围内。

4）采用自制的拼拆式挂篮和箱内横隔板临时工作平台，操作人员箱内作业与箱外辅助作业相结合的施工方法代替传统脚手架作业平台，不仅大大降低了施工安全风险，而且减少了工程措施费的投入。

3 钢结构塔身制作

3.1 钢结构塔身分段设计

钢结构景观桥塔既高又重，不能一次性整体吊装，因此塔身在工厂内制作时要根据构件的结构形式及现场最大起重量分成钢混结合段、中间塔段及塔顶3部分进行加工，每段又分成若干个单元构件，每个构件的制作要考虑运输条件、设备吊装能力、横隔板焊接位置等（横隔板距端口的距离满足人员操作需要，即在0.6～1.6m）。根据以上条件及现场吊装方案将整个钢塔按照塔柱、纵梁、横梁、塔顶等主要部位分为35个单元块[3]，中间塔柱部分最大吊装节重约41t，塔顶部分最大吊装节重约57t。

由于钢塔为异形曲线形设计[4]，因此制作时需找出每节钢箱的重心位置，从而确定吊点的具体位置，使吊钩通过钢箱重心，以确保构件吊装时的中心线与设计中心线吻合，保证上下段钢箱吊装时搭接面基本平行，因此厂内钢箱加工制作时，需对每节钢箱的重量分布进行分析，针对每个吊装构件绘制“吊耳位置图”，挂篮吊耳设置于每段钢箱外壁顶部，每个侧面设置2个。

3.2 塔身钢结构厂内加工

3.2.1 胎架制作

为确保塔身钢结构制作精度，先要制作胎架，胎架按用途分为单元节胎架和合箱胎架，合箱胎架是分段装配中的重要专用工艺装备，其表面线形与钢塔分段的外表面相吻合，使钢塔分段的装配和焊接工作具有良好的条件，减少分段脱离胎架后的焊接变形和支承钢塔分段重力。胎架制造前要绘制设计图纸并经核准后方可进行胎架制作，胎架制作完成后复核胎架控制点坐标，校核合格后投入使用。

3.2.2 钢结构加工

钢结构主要工艺流程：零件下料→单元件制造→立体组装→涂装。

零件下料采用预加补偿量一次下料的工艺方案，预加补偿量为100mm，分别设置在塔顶、纵梁及横梁端口处[5]。

梁段各单元在专用胎架上制作，以满足全桥不同单元件制作的需要；立体单元在专用胎架上进行制作，采用正装法组装。

钢结构加工采用成组制作技术，对各单元端口尺寸进行统一控制，以提高单元件的制作精度。

4 吊装设备选择与吊装平台布置

本工程钢箱景观桥塔按照钢混结合段、中间塔柱段及塔顶3段进行吊装，根据每段吊重需选择1台100t汽车式起重机和1台400t履带式起重机，汽车式起重机主要用于吊装钢混结合段构件，履带式起重机吊装中间塔柱段和塔顶段。另外，还应结合现场条件修建吊装平台和起重机进场道路，具体沿大桥南北两侧各修建1处工作平台及场区运输道路，用于起重机行走作业及构件堆放，北侧工作平台顶面有效长度80m、宽度24m，南侧工作平台顶面有效长度130m、宽度26m，工作平台迎水面堆筑2m厚块石进行边坡防护，防止水流冲刷，块石护坡顶面高出正常水位0.5m。

5 钢结构塔身分段安装

5.1 钢混结合段安装

钢结构景观桥塔下端固结于人行道平台内，在人行道平台、桥墩的连接处设钢混结合段，并采用预加应力的方式保证钢塔上的内力平顺传递到下部结构[6]。为提高钢混结合段传力的可靠性，将首段钢箱伸入混凝土内0.5m，采用PBL剪力键与混凝土相连：通过1 500mm长钢板伸入混凝土下塔柱，上开50mm圆孔，圆孔内插入22螺纹钢筋。

钢混结合段钢箱采用100t汽车式起重机吊装，钢箱就位后在桥面上用全站仪跟踪定位，人工辅助起重机就位。第1段钢箱安装时，下部先用垫木块及木楔进行粗略调整，然后在钢箱底部4个角各安装1个千斤顶，在全站仪精密观测指挥下，通过调整每个千斤顶实现精确定位。钢箱精密定位完成后，在钢箱底部4个角位置与桥墩4根劲性骨架焊接，实现钢箱固定（见图1）。

图1 钢混结合段安装定位

5.2 中间塔段安装

1）采用起重机+挂篮+箱内作业平台的施工方案安装中间塔柱因中间塔柱较高，且海边风速较大，安装脚手架操作平台很困难，以及后期拆除脚手架操作平台存在极大的安全风险，甚至无法拆除，因此中间4个塔柱均采用挂篮辅助安装。挂篮在桥面围绕钢混结合段钢箱进行组装，组装完成后施工人员通过钢箱内侧检修梯爬到顶部，并在钢箱顶部横隔板位置采用木跳板封闭人孔，形成临时箱内作业平台，人工配合起重机将全部8根钢丝绳固定于第1段钢箱挂篮吊耳处，挂篮的每个吊点均采用2根钢丝绳进行冗余连接，以满足挂篮在不同箱段之间的过渡操作。将带有挂钩的爬梯与塔柱进行焊接，施工人员通过爬梯进入挂篮内进行作业，挂篮设有倒链提升系统，并在钢塔纵横梁对应位置采用可开启式结构设计，以穿越钢塔纵横梁。施工人员进入挂篮后，通过倒链将挂篮缓慢提升到环缝位置，然后用400t履带式起重机吊装上层钢箱，通过挂篮平台施工人员及箱内人员配合，完成钢箱定位、焊接等工作[7]。箱内作业平台及挂篮如图2所示。

图2 箱内工作平台挂篮提升

采用挂篮辅助安装时，还需配置1个特制的挂梯，挂梯采用10号角钢作为主体桁架，梯子采用7号角钢连接，挂梯外侧采用10圆钢每米设1道防护，每道防护竖向互相连接，梯子宽1m，长15m，可伸缩，每段连接方式采用栓接以便于现场灵活使用。可调挂梯如图3所示。

图3 可调挂梯

2）中间塔柱定位塔柱定位分2步进行：[1]在厂内预拼装定位；[2]在现场安装定位。

在车间分段制作钢塔时，在地面进行相邻分段的预拼装，每个钢箱拼接面至少取3个坐标点，在相对坐标系统内采用全站仪进行精确定位，预拼装完成后，以全站仪为主、钢尺复核的方式，对上下截面相应位置的4个空间角点的相对坐标进行检测。在厂内立体组装时运用水准仪进行钢塔组装胎架各支撑点的测量校核，采用激光经纬仪及全站仪对钢塔组装精度进行全程控制测量，主要检查长度、宽度及端口尺寸、四角标高、塔壁顶（底）板定位线与胎架标记线的重合度，确保组装后的尺寸、坐标及线形符合设计要求。

预拼装检测合格后，在钢箱拼接面内壁每侧焊接2个连接件，拼接面位置处共设置8对连接件（尺寸为300mm×250mm×20mm），用于现场安装定位。连接件由码板和销钉组成，安装塔柱时利用起重机和钢塔自身截面临时定位后，调节钢箱，使8对连接件的销钉孔全部对中，利用临时连接的销钉进行连接定位，然后用全站仪进行空间坐标复核，根据测量数据，施工人员根据需要，在钢箱内部环缝上下位置焊接竖向Q235调整钢板（尺寸为300mm×200mm×20mm），用千斤顶进行微调，精度满足要求后施工人员在内部将码板进行永久性固定。用上述方法逐节完成塔柱的安装和空间定位，如图4所示。

3）中间塔段纵、横梁安装待中间塔柱环缝焊接位置由第三方检测合格后进行纵梁或横梁安装，施工人员将挂篮提升至纵梁或横梁位置，由起重机将纵、横梁吊至安装位置，用码板临时固定进行定位安装（纵梁和横梁上均做类似于支架平台的防护，以便进行摘钩和切除吊耳作业）。

图4 节段连接端口设置码板、千斤顶微调

6 塔顶安装

塔顶部分共分为3个构件，其中最大构件重57t，构件均在厂内焊接完成，现场采用400t履带式起重机吊装。

1）塔顶下段吊装前，将塔顶工作平台焊接在塔顶下段顶部与塔顶下段一同吊装。平台底部铺设3mm厚的扁豆纹钢板，外侧用3mm彩钢网围护，每隔60cm设置底杆、直腹杆及斜腹杆。

2）塔顶下段安装完成后，根据施工需要在适当位置开工艺孔，塔内人员通过工艺孔进入塔顶平台内，然后采用400t履带式起重机吊装塔顶上段，施工人员通过塔顶平台与塔内人员配合进行焊接作业，采用连接件进行粗定位和精确定位，与中间塔柱定位方式相同。钢塔上段安装好后，施工人员通过工艺孔进入钢塔内部，采用陶瓷衬垫单面焊双面成形技术封堵工艺孔，施工人员通过内部检修爬梯下到地面，钢塔上段安装完成。塔顶安装如图5所示。

图5 塔顶安装

7 结语

采用本工艺施工不仅可减少设备和人员投入，而且可节约成本，施工方法简便。利用滑动式挂篮和可调式挂梯，并借助箱内临时作业平台实现空中定位和焊接作业代替传统脚手架，大大降低了施工安全风险。在钢箱端口四角设置坐标反光贴进行测量监控，不但操作方便，还可随时进行监控并调整钢箱位置，确保了钢箱安装精度。该技术通过在烟台金山湾大桥的成功应用，为今后类似工程的实施积累了宝贵经验。