悬索桥曲面弧形钢塔施工技术

2015-11-26胡松涛中铁四局集团南京分公司江苏南京210000

安徽建筑 2015年4期

胡松涛（中铁四局集团南京分公司，江苏南京 210000）

0 引言

悬索桥钢主塔结构复杂，其制造精度直接影响后续钢塔的安装控制精度，而安装的精度控制对悬索桥钢主塔成桥线型、工程质量有着直接影响。因此，在钢塔施工过程中，采用合理的施工技术措施，对钢塔的加工质量、拼装线型控制、钢塔吊装工艺、总体安装质量等具有重要的意义。

1 工程概况

南宁市英华大桥为单主缆地锚式悬索桥，主塔为“羊角编钟”造型，高100m，主塔沿高度方向划分为11个节段，T1节段为预应力混凝土节段，T2为钢塔节段，与横梁连接节段，T2～T9为上塔柱钢节段，T10为索鞍承压节段，此外还有塔冠节段，各个节段之间采用焊接。钢塔截面为双曲面弧形结构，单侧塔柱在纵塔向由2个1/4圆形截面向上逐步合并为1个半圆截面，两侧塔柱最终在塔顶合并为一个近似圆，造型独特、优美；主塔结构图见图1。

2 工程安全、技术重难点

①主塔节段工厂制造精度高：索塔结构为双曲面弧形结构，壁板采用48mm厚的Q370qD钢，整体呈下大上小的锥体，外弧曲面板制作难度较大。

②主塔节段工厂试拼精度高:主塔节段体积大、吨位重，内部结构非常复杂，工厂试拼装时需要对每个节段每块接头板拼装误差严格控制、做好记录，确保主塔安装精度和线形。

③主塔节段吊装就位精度高：钢塔单节重量大，尤其是塔顶合拢段最大吊装最量达到126t，并且吊装高度高，最高为100m，钢塔安装精度直接影响塔身线型及质量，吊装精度高、难度大。

④主塔节段高空焊接质量控制严格：主塔壁板较厚，高空焊接作业环境差，焊接作业受各种条件制约大，因此焊接质量控制也是难点。

图1 南宁英华大桥主塔立面、侧面图（单位：cm）

3 钢塔制造

3.1 钢塔加工制造

经认真研究设计图纸并合理优化后，全桥主塔共分50个节段，横梁8个吊装节段，塔冠6个节段。主塔节段制作在工厂车间完成下料、单元件组装、焊接；在总拼胎架上完成钢塔节段的整体组装、焊接、修整、划线和精切。在拼装胎架上对钢塔进行分轮次预拼装，控制整体线形。待涂装作业完成后运至存梁场进行存放，桥位安装需要时水上运输至桥位。

钢塔节段焊缝密集，熔透焊缝较多，所产生的焊接变形和残余应力较大，为控制结构焊接变形，保证产品整体质量，钢塔制造采用“零件→部件→单元→整体→预拼装”方式生产。即将每个钢塔分为内、外壁板单元、侧壁板单元、隔板单元等部件制作。内壁板单元和侧壁板单元按塔节段的尺寸制作成整块，每个塔节段各一块，外壁圆弧板单元结构特殊，在顺塔向圆弧板半径逐渐缩小，制作整块板单元不利于安装，且外形尺寸质量不能保证，因此按设计纵向分段的尺寸制作圆弧板单元(除T2和T3节段有4块圆弧板单元外，其他节段均为3块)，然后组焊成节段。两端面采用小车精切余量并制好工地焊接坡口，然后进行预拼装，安装临时匹配件。检测合格后对端面进行保护，按要求涂装后运至存梁区。

3.2 钢塔工厂预拼装

为了保证桥位架设精度、确定桥位安装基准、安装桥位架设所需工装、确保钢塔线形等，钢塔柱节段整体检测合格后，对钢塔节段进行水平预拼装。

3.2.1 总拼胎架设计

本桥钢塔内侧壁为半径为14338.6cm的圆弧段，因此，考虑场地条件和经济成本，T2～T10节段钢塔可以分为两段拼装，胎架设置以内侧壁圆弧控制，即胎架顶面标高以钢塔内侧壁圆弧半径控制；钢塔节段在胎架上连续匹配组装与焊接，胎架上下方设有地样基准线，以备放线及测量用；胎架立柱和横梁通过强度验算确定为[25槽钢、I20工字钢。

3.2.2 钢塔总拼

沿塔高方向每个塔柱分两轮进行预拼装。

第一轮将T2～T6节段整体拼装，T1节段截面外形尺寸比T2下端部周边宽100mm，用于预埋误差调整，因此T1节段单独制作，不参与预拼装；第二轮T6～T10；横梁整体制作，完成后与T2节段进行试装，全桥钢塔共分10次预拼装。

为保证钢塔节段之间箱口匹配良好，制作质量可控，在厂里按预拼装划分的轮次，制作总拼装胎架，一次完成塔节段总拼和预拼装工序，塔节段之间预留间隙。塔节段全部焊接完成后，解除箱体与胎架的刚性连接部位，使其自由状态。检测端口错边量、接口间隙等，根据测量单节段的长度、线形以及相邻两节段间的错边量等信息，在计算机中对节段进行累积精度管理，并以此来指导预拼中节段间扭转的控制。

4 钢塔安装

4.1 塔吊安装

为辅助主塔吊装施工，需要在桥址安装1台塔吊，用于吊装焊机、挂篮、钢管、爬梯等小型构件。本处根据现场施工条件，选择QTZ6510型塔机。根据塔吊性能，本塔机安装设4道附墙装置，附着点的高度或间距允许根据安装高度做适当的调整。

4.2 钢塔定位测量

考虑通视条件及拼装精度要求，观测点采用徕卡专用60mm×60mm的反射片，具体安装反射片时，在主塔骨架总拼完成后按照主塔设计线形参数，并结合反射片所给定的里程位置及细部结构尺寸，精确计算出反射片在独立坐标系下的三维坐标。在骨架吊装之前，反射片精确安装到位，并做好放样记录。

4.2.1 塔身测点布置

T1～T4节段，每一节应贴6块反射片，其中4块贴在塔的内侧距焊接线中心以下150cm断面处，另2块贴于外侧距焊接线中心以下150cm断面处；T5～T10节段，每一节应贴4块反射片，其中3块贴在塔的内侧距焊接线中心以下150cm处，另1块则贴于外侧距焊接线中心以下150cm外。

4.2.2 钢塔定位测量

在塔身施工过程中，根据施工临时支撑，调整塔身横桥向预偏值，使成形后的主塔线形满足设计要求。在主塔吊装过程中，监控单位根据临时荷载、各阶段施工荷载、塔身不平衡水平力、塔身温差等组合作用下，计算各个阶段塔身的预偏值。

根据上述计算主塔各节部位的预偏移量（即沿桥纵向预偏移量ΔY、横桥向预偏移量ΔX 以及竖向预抬值ΔH），对钢塔柱各节骨架上反射片的设计三维坐标值进行修正；钢塔柱定位测量方法是采用全站仪三维坐标法，跟踪测量点是贴在钢塔柱骨架上的反射片中心，全站仪中输入的反射片中心处三维坐标是经过修正后的坐标。定位测量时采用2台TS30自动搜索型全站仪同时观测塔的内外侧反射片进行精确定位，定位测量示意图（见图2）。

图2 全站仪三维定位钢主塔示意图

4.3 钢塔吊装及加固

主塔节段通过水运运输到桥位，采用1台500t浮吊吊装；因主塔塔柱设计为倾斜状态，故主塔提升前需要将主塔节段的姿态初步调整到位，主塔姿态调整主要是通过吊点的详细设计将主塔节段的倾斜角度调整至设计角度，并将节段最低边调整水平，以减小安装时调整的工作量，提升到位后仅需要完成竖直和水平方向的平移即可。

根据测量结果调整主塔节段的横向倾斜度和顺桥向的垂直度满足设计要求，将节段与上一节段或承压板点焊，点焊完成后将钢塔节段面板上的匹配件用M24高强螺栓连接并对节段上后的测量点位进行复核，无变动后开始对节段接缝施焊，焊接完成后对塔柱上口各点位最后进行测量并与设计位置进行比较，记录偏差值以便指导后续的节段安装。

在主塔各节段安装过程中需要在T3、T5、T7、T9节段之间设置主动横撑和竖向支撑，确保主塔线形和主塔安装过程中的稳定。主动横撑采用φ630mm（δ=10mm）钢管，竖向支撑采用φ630mm（δ=10mm）钢管，横撑与钢塔节段间通过法兰盘进行连接，竖向支撑与横向支撑之间采用焊接。主塔每个节段安装前与监控单位共同商讨确定该节段安装的预偏量，通过钢管支撑上的螺旋千斤顶调整主塔塔柱的倾斜角度及预偏量，使各节段的空间位置和整体线形满足设计要求。临时横撑螺旋千斤顶位置正下方固定双层防坠网，防止千斤顶突然坠落，造成人员伤亡、物体损坏。钢塔临时支撑安装示意图见图3。

4.4 焊接施工

4.4.1 焊接挂篮施工

主塔节段外侧环缝焊接采用搭设挂篮作为施工平台施焊，挂篮外形尺寸有效高度1200mm、宽1000mm，并将外侧高度加大800mm。挂篮弦杆采用∠70×6角钢，弦杆直接间隔600mm设置直腹杆、斜腹杆，腹杆采用φ42×3的圆管，底部铺设3mm的扁豆纹钢板，外侧用0.5mm彩钢板维护，挂篮内侧与钢塔壁板接触的弦杆全部用橡胶垫包裹，放止刮伤塔外侧涂装层。

安装挂篮时，首先吊装圆弧壁板挂篮，其次吊装内侧壁板挂篮，最后吊装外侧壁板挂篮。挂篮上设置有8个吊耳，其中4个吊耳为塔吊提升挂篮所用，另外4个吊耳用于安装挂篮定位钢丝绳，与塔节段上口吊耳连接。焊工在挂篮内实施外侧焊缝气刨清根、打磨、焊接等工序。挂篮示意图见图4。

4.4.2 钢塔焊接

塔节段环缝焊接内容主要为壁板环缝、板肋嵌补段与壁板间角焊缝、板肋嵌补段与板肋的对接焊缝以及加工过程中预留的壁板间环焊角焊缝、板肋与壁板间的环焊角焊缝等；焊工先在环缝各角点位置进行间断定位焊接，并进行内侧环缝焊接打底，焊接完成内部对接焊缝后，通知浮吊缓慢松钩，浮吊可安装下一个节段。

焊接前对钢塔节段的组装质量进行全面检查，检查内容包括组装的几何尺寸、坡口尺寸及组装间隙、焊缝部位及周围的清理状况等。壁板、加劲肋板焊接前，清除壁板上的附着物，焊接面应保持干燥、整洁，禁止直接在雨中作业，如需施工作业，将采取必要的防护措施；钢塔焊接采用CO2气体保护焊，钢塔焊接完成后，进行焊缝无损检测，检测合格后进行钢塔焊缝的防腐涂装工作，如焊缝检测存在缺陷，需要对焊缝进行返修处理，原则上要求焊缝返修不得超过2次。