自锚式悬索桥曲变截面钢塔定位安装施工技术

牛玉龙

(中铁大桥局集团有限公司 沈阳市 110179)

0 引言

自锚式悬索桥是悬索桥的一种，与地锚式悬索桥相比造型更简洁、美观，跨径选择灵活，适宜于两岸地基承载力较差的软土桥位，更适合在城市的主城区建设。国内自锚式悬索桥虽然起步较晚，但从21世纪开始，自锚式悬索桥迅速发展并且较多采用钢塔[1]。钢塔轮廓开始采用曲线形式，摆脱了传统的直立造型，增加了美学及景观效果，但对塔身定位安装精度控制提出了更高要求。介绍自锚式悬索桥曲变截面钢塔定位安装施工技术，通过加强钢塔施工过程线形控制，保证工程施工质量。

1 工程概况

乌兰木伦河1号桥，采用全桥跨河道，桥长430m，宽22.5m。桥梁上部结构共四联：2×32m+(32+4×50+32)m+2×32m+38m，其中第一联、第三联、第四联上部结构采用等截面预应力混凝土现浇连续箱梁，第二联采用变截面预应力混凝土现浇连续箱梁。钢塔与 5 号桥墩共墩，采用混凝土结构，桥面以上采用钢结构，塔高36m。钢塔分为钢混结合段、钢塔柱、S型造型塔柱及塔顶横梁部分组成。整个钢塔的外轮廓为2个S形状，截面为方箱，通过塔顶横梁连接。主缆跨度采用 2×100m，按自锚式设计，主塔两侧各设置 7 对吊索，吊索间距 8.0m。主缆端部锚固于3号、7 号横梁上，横梁外伸。立面图如图1所示，横断面如图2、图3所示。

图1 立面图(单位：mm)

图2 横断面A(单位：cm)

图3 横断面B(单位：cm)

2 曲变截面钢塔定位安装施工的难点

(1)焊接变形直接影响钢塔整体线形和质量，控制钢塔各节段焊接变形和收缩量是钢塔加工制造及定位安装的重难点之一。

(2)钢塔塔身为S型曲变截面钢结构，对钢塔S节段空间定位提出了更高的要求，如何保证钢塔每个节段的安装精度和节段间相对位置精度是工程又一难点。

(3)防汛要求高，施工工期紧。该地区丰水期主要集中在7月至9月，故需在汛期结束后完成第二联现浇连续箱梁施工，为钢塔安装提供施工条件。

3 钢塔安装定位测量

为保证钢塔安装精度和节段间相对位置精度，在钢塔安装前要建立独立控制网，计算出塔身测点三维坐标。在钢塔安装过程中进行精密测量，通过钢塔定位测量控制、焊接后塔身测点检测以及整体线形测量，获得钢塔空间三维姿态，并及时进行调整修正。

3.1 建立施工控制网

在钢塔吊装过程中，为了使钢塔安装测量误差更直观、更及时、更有效，将桥梁设计坐标系统转换为独立坐标系，建立独立的施工控制网，以桥梁轴线为X轴，桥塔主塔位置与桥梁轴线中心线偏移为Y轴，桥塔高程方向为Z轴，测量过程中，仪器所反映的误差可使操作人员迅速确定误差方向，快速调整确定钢塔轴的定位。

3.2 钢塔定位测量

钢塔定位测量采用两套TS30全站仪，可同时精确测量塔身内外反射面[2]，如图4所示。塔身测点采用全站仪专用反射片，根据主塔设计线形参数，以及反射片安装位置结构尺寸，精确计算出在独立坐标系下反射片位置的三维坐标。在各节段吊装前安装反射片，每节段至少安装4片反射片。若在实际测量中发生遮挡和无法准确观测的问题，则应根据钢塔节段实际情况调整反射片位置。

图4 全站仪三维定位钢塔

在钢塔各节段安装、环缝焊接过程中，跟踪监测测点坐标值变化，在超出设计要求前及时进行调整，确保各节段安装满足设计线形要求。

3.3 测量时间的选择

温度变化对钢塔安装时的测量定位影响较大，故对钢塔节段安装的精确定位控制测量，选择在日落后4h至日出前2h且温度场较为稳定的时段进行。

4 钢塔安装施工

4.1 优化施工方案

原设计推荐方案为“满布支架安装法”，即钢塔各节段在工厂加工制造完成后，运至施工现场。在第二联现浇连续箱梁梁面满布搭设钢管支架，利用350t汽车吊，将节段吊装至临时钢管支架上拼装焊接。

按照此方案，需要在第二联现浇梁施工完成后才能进行钢塔安装，并且钢塔安装期间，桥面满布支架，影响桥梁后续工序施工。由于本项目有效施工期仅有8.5个月，无法满足总工期要求。

根据本项目特点，充分考虑汛期及冬季等自然环境影响，经过多次方案比选，最终确定通过控制上游既有橡胶坝将水流截流至两岸冲刷槽内，为下游河道内钢塔安装创造干地施工条件。汛期后河道内仅搭设节段2钢管支架，其余节段利用节段2和直塔柱为支点，配合缆风绳，使得钢塔安装与桥面系平行施工，满足了总工期要求。

4.2 施工工艺流程

施工工艺流程见图5。

图5 施工工艺流程图

4.3 钢塔制造及安装施工

4.3.1钢塔分段划分

钢塔分段划分如图6所示。钢塔各节段重量及尺寸如表1所示。

图6 分段划分示意图(单位：mm)

表1 节段重量及尺寸表

4.3.2钢塔加工制造

钢塔加工制造精度控制是保证钢塔整体线形的前提和基础，是钢塔施工过程中线形控制体系最核心的部分。钢塔制造基本流程：板块→单元→节段→预拼装。

板材下料时采用精密切割工艺，异形板采用数控编程切割，以保证各单元件的尺寸精度。在单元件组装时，依靠胎架定位和样杆等辅助工具对各零件的组装尺寸精度进行校核，严格控制拼装的误差。为减小焊接收缩和变形，焊接采用小线能量的CO2气体保护焊、多道焊，采用合理的焊接顺序，并搭设反变形胎架。

为控制钢塔整体线形，在拼装胎架上对节段之间进行预拼装，并做好各节段定位线、检查线、轴线等标识，同时做好预拼装详细记录。预拼装结果是后续节段制作及预拼的基准，同时为施工现场钢塔整体线形控制提供参考[3]。钢塔节段预拼允许偏差如表2所示。

表2 钢塔节段预拼允许偏差

钢塔节段预拼装验收合格，待涂装作业完成后，运至桥位。在桥位处搭设临时胎架，使用两台100t汽车吊将运输单元组装成吊装节段进行安装。

4.3.3钢塔安装流程图

钢塔安装流程如图7所示。

图7 钢塔安装流程图

4.3.4钢混段及钢塔柱定位安装

钢混段是钢塔柱的基础，其安装质量直接影响钢塔整体施工质量。钢混段底座施工采用负公差的方法，让底座标高略低于设计标高，以利于钢混段标高调整。

进行钢混段平面位置以及底标高精确放样，在墩柱预埋钢板上焊接导向限位型钢。对墩顶表面进行凿毛处理，清除表面浮浆增强混凝土接触面的粘结度。

钢混段通过导向装置初步定位，再采用千斤顶精确调整，钢混段顶面高程偏差不得超过 2.0mm，平面位置偏差不得超过 10mm。

钢筋安装，支立模板，浇注混凝土。为避免浇注混凝土时两侧高差对已经定位好的钢结构挤压造成钢混段偏移，采取在模板设置对流孔以减少压力差。

待钢混段混凝土强度满足设计要求后，在钢混段顶端安装定位导向装置，用1台350t汽车吊进行钢塔柱整体安装，定位后用临时匹配件与钢混段临时连接，待复测平面位置、标高以及垂直度满足设计要求后，进行焊接作业。

4.3.5S型塔柱节段定位安装

S型塔柱节段安装流程：测量放样→节段1安装→节段2安装→节段3安装→节段4安装→检测。

采用350t汽车吊进行节段安装。节段1与节段2安装前在钢塔柱下侧焊接导向限位型钢。节段2吊装至钢管支架上进行安装、调整及焊接。

节段3、节段4安装时，在已安装完毕的节段2顶端设置双向定位导向板。安装节段吊装至已安装节段上方30 cm左右时，通过调整吊车的臂杆倾角、旋转及缆风钢绳等方式使安装节段沿着定位导向板安装就位[4]。

塔柱节段吊装至既定位置后，当安装后位置与设计位置存在偏差，通过千斤顶来矫正，按照先平面位置再高程的顺序对塔柱位置进行细部精确调整，满足设计要求后进行焊接。

4.3.6横梁定位安装

箱梁两侧塔柱安装完成后，现场对横梁进行组拼、整体起吊，利用横梁与塔柱间临时匹配件定位，完成焊接工作。

4.3.7钢塔节段焊接

钢塔节段位置调整完毕，经测量复核，满足设计要求后，增加临时匹配件使节段固定牢固，并保证对接焊缝无错台。进行环缝焊接时，为控制环缝四边焊缝不均匀收缩对节段安装精度的影响，焊接顺序遵循先内后外的原则。在施焊前布设刚性较大的约束装置，强制控制变形。

节段施焊时严格按照经过专家评审的焊接工艺进行操作，并在现场采用同材质、同坡口的试板进行试焊，通过试验数据控制焊接变形带来的误差。

4.4 钢塔安装质量控制措施

(1)现场拼装。将各运输段运至施工现场后，在施工现场临时胎架上将分成两个运输段的节段，在胎架上进行平面拼装。拼装过程，测量厂内预拼装标识的检查线、轴线，出现偏差及时调整修正。

(2)精确确定吊点位置。钢塔每节段的断面不同，每次吊装前，需经验算确定节段上吊耳的位置，使节段吊起后的角度能快速安装定位，同时避免吊装变形确保安装精度。

(3)安装施工过程监测。节段安装时，全过程进行监测，根据塔柱的变形情况进行相应调整和修正。每节段测一次实际安装轴的倾斜度，计算出偏差趋势，工厂可通过端部加工来调整节段轴与端面的垂直度[5]，以保证塔柱的线形符合设计要求。

5 结束语

乌兰木伦河1号桥钢塔安装施工难度较大，造型独特，通过优化安装方案，提前半个月顺利完成钢塔安装，经检测单位的检测，钢塔整体线形、垂直度等各项指标均满足设计要求，确保了工程质量和工期目标同时，又节约了钢管支架搭设成本，并取得了良好的社会效益，为同类钢塔的施工提供了借鉴。