曲线独柱型钢塔精准安装关键技术

2022-02-12田雨金

公路交通科技 2022年12期

周畅，田雨金，李亮

(1.南京市公共工程建设中心，江苏南京 210000;2.中交二航局第四工程有限公司，安徽芜湖 241000)

0 引言

我国已建的大跨度缆索类桥梁索塔多采用混凝土结构，钢索塔的应用相对较少。近年来随着钢铁冶炼技术以及装备制造业的发展，钢索塔在大型桥梁中应用逐渐增多。与混凝土桥塔相比，钢索塔具有抗震性能好、施工机械化程度高以及节能环保的优点[1-2]，具有广阔应用前景。

浦仪公路上坝夹江大桥采用独柱式钢索塔，该结构首次在大跨径斜拉桥上采用。塔底钢-混结合段承压板面积达170 m2，采用50根高强锚杆与承台锚固，为国内目前单体最大面积的钢混结合段[3]。通过对国内类似工程施工调研，之江大桥采用30根高强锚杆、泰州大桥中塔单肢塔柱采用34根高强锚杆进行钢混结合段的锚固[4]，均少于上坝夹江大桥，其群锚杆的精确定位难度更大。对塔底压浆工艺，施津安等开展了之江大桥T0段承压板后压浆技术研究。张平等开展了泰州大跨径悬索桥钢塔塔底钢混连接处承压板后压浆施工技术研究。其中之江大桥承压板面积36.725 m2，呈3.497°斜面，设计要求承压板与压浆面传力接触率大于70% ；泰州大桥承压板面积30 m2，呈1∶4斜面。上坝夹江大桥承压板面积170 m2，设计要求承压板与压浆面传力接触率大于95%，且塔底为水平面，排气更加困难，超大平面水平灌浆工艺需专项研究。

钢塔常在厂内分节段加工制造，现场采用大型设备吊装。钢塔节段划分应充分考虑运输的便利性与现场安装设备的吊装能力。钢索塔节段间的连接一般有3种形式：(1)焊接连接。(2)钢塔节段端面金属接触与高强度螺栓共同受力(简称“高强螺栓连接”)。(3)钢塔节段端面金属接触与高强度对拉螺杆共同传力(简称“高强对拉螺杆连接”)。目前国内大型钢塔多采用高强螺栓连接，该连接方式具有桥位施工受外部干扰影响小、施工功效高的优点，同时这种连接方式对钢塔接缝金属接触率有较高要求，节段端面需在厂内完成机加工[5-6]。钢塔的标准接头线型取决于厂内加工制造精度，无法针对性调整。为避免可能出现的垂直度超差现象，以往钢塔设计、施工中常设几道垂直度调整接头。调整接头在设计过程中只考虑高强螺栓传力，接头的拼接板和高强螺栓数量较多，且接头拼接板需根据现场线型监测数据钻孔，在工期和施工成本上均不如标准接头。建立前后场联动的精度管理体系，取消或减少调整接头对钢塔施工有着重要意义。

1 主塔结构

1.1 索塔总体布置

浦仪公路上坝夹江大桥为主跨500 m的独柱钢塔钢箱梁斜拉桥。主塔高166 m，索塔采用切角矩形断面，单箱多室布置。西索塔底部断面尺寸16.0 m(横桥向)×9.5 m(顺桥向)，上部标准断面为6.0 m(横桥向)×6.5 m(顺桥向)，横桥侧塔柱竖向外轮廓斜率为10.87∶100，塔身通过圆弧段过渡到塔顶。

1.2 索塔分节与连接

塔柱共划分为19个节段，除T1外，节段长度余为7.0～14.4 m不等。节段间接头采用栓接接头。

塔柱节段连接传力形式，设计采用高强度螺栓传力与端面金属间接触传力相结合的方法。传递压力情况时，高强度螺栓与端面金属接触壁板和腹板均按50%考虑，而加劲肋则按40%计；当出现拉力情况则全部按高强度螺栓传递考虑。考虑到索塔安装中误差的调整，设计在J10，设置了调整接头，即高强度螺栓传递100%内力[7]。索塔结构如图1所示。

图1 西索塔总体布置图(单位：m)

1.3 塔柱与承台的连接

塔柱根部的压应力主要通过塔柱底板传递到承台混凝土中，而拉应力则通过锚固螺杆传递到基础中。在塔底截面布置50根直径为110 mm的40CrNiMoA锚杆，并施加预拉力。单个锚杆预拉力大小正常工作状态时为2 000 kN，考虑预拉力张拉的损失，施工张拉力为2 500 kN。塔底锚固结构如图2所示。

图2 塔柱承台连接构造(单位：cm)

2 工程主要重难点

曲线型独柱形钢塔柱大节段制造和安装在国内尚属首次。塔底断面尺寸16.0 m(横桥向)×9.5 m(顺桥向)，为国内最大断面钢塔；钢拉杆数量50根，数量上为国内同类型设计第一。施工中主要有以下重难点：

(1)钢塔截面尺寸大、重量大，结构复杂，加工精度要求高。

(2)锚杆定位精度要求高。钢塔首节段在吊装过程中需穿过50根锚杆。钢塔上预留锚杆孔直径仅比预埋锚杆直径大20 mm，且T1节段的轴线允许偏差仅为5 mm。群锚杆预埋直接决定钢塔首节段安装精度。

(3)塔底灌浆施工组织和质量控制难度大。塔底灌浆面积达170 m2，灌浆层密实度要求达到95%以上。灌浆面积为国内同类型桥梁之最，施工要求高。

(4)钢塔线型控制难度大。独柱塔刚度偏弱，风荷载、塔吊扶墙力等荷载造成钢塔水平位移，日照、温度等亦对施工监控有较大影响。如何恢复钢塔厂内预拼线型是保证钢塔柱施工关键。

3 主要施工方法及工艺措施

3.1 总体施工工艺

本着工厂化、装配化的原则，钢塔在厂内大节段加工制造，现场采用大型起重设备吊装。其中T1～T5节段采用800 t浮吊吊装，节段最大重量587.5 t；T6～T19节段采用最大起吊能力160 t的MD3600塔吊吊装，节段最大起吊质量不超过140 t[8-10]。塔吊在钢塔T8和T14节段上设置扶墙。工艺流程如下：

(1)下塔柱吊装

①桩基、承台施工完成。

②采用800 t起重船吊装T1节段，定位固定后塔底灌浆，张拉锚杆。

③继续采用800 t起重船安装T2，T3，T4，T5节段。

(2)中上塔柱吊装

①安装MD3600塔吊，塔吊顶升至86.2 m高。安装T6，T7，T8节段。

②当T8节段安装完成后，安装首节扶墙，高度72.4 m。随后塔吊顶升至138.2 m高。安装T9～T14节段钢塔。

③当T14节段安装完成后，安装第2层扶墙，高度124.4 m。塔吊顶升至184.4 m高。安装T15～T19节段钢塔。

图3为总体工艺流程图。

图3 钢塔安装施工流程 (单位：m)

3.2 钢塔厂内制造

3.2.1 钢塔端面机加工

钢塔在厂内分块制造，后组拼成整体。大型钢塔整体端面加工的平面度是厂内加工制造控制重难点。钢塔加工厂内落地式镗铣床高度方向行程为7 m，水平方向行程为30 m， T5～T19节段端面尺寸较小，与常规钢塔施工类似，在组拼成整体后采用落地式镗铣床全断面加工。T1～T5节段端面尺寸较大，超过镗铣床7 m的高度行程，无法一次完成全断面机加工，需采用便携式平面铣床或“二次接刀”的方式完成施工。具体如下：

(1)T1节段截面尺寸大(16.0×9.5 m)、吨位大(587.5 t)、高度小(5.1 m)，若制作成整体后翻身进行机加工，横卧状态下结构稳定性较差。最终选择将总拼前的两个大块体分别机加工(顶端预留5～6 mm不加工到位)，在两箱体底端与承压板立式组装为整体节段后划线，采用便携式平面铣床加工T1顶端。

(2)对于高度大于7 m的T2～T4节段，采用整体翻身、接刀的方法进行加工。

钢塔制造成整体后在横卧状态下首先进行端面2/3部分的机加工。采用API对工件端面轮廓上的测量点及下端口壁板4个找正测量标靶进行空间坐标测量。形成划线定位样纸，进行断面划线。粗加工定位、粗铣加工完后，API测量工件相对于机床的位置，并进行精加工。

端面首次机加工完成后对钢塔进行180°翻身，支撑反力恢复后通过百分表将已加工平面与机床走行平面调至平行，然后进行半精加工、精加工，将两侧平面加工至平齐。

3.2.2 厂内预拼装

为检查钢塔加工精度，钢塔制作完成后在厂内进行预拼装，并记录相关数据以指导现场安装。综合考虑钢塔节段结构特点及厂内设备吊装限高，J2～J17接口采取卧式拼装，J1接口采取立式拼装。

卧式拼装工艺要点如下：利用支撑液压千斤顶将两个预拼节段对应接口调整平行，过程中检测接口匹配情况，后通过水平千斤顶施加水平预紧力，将钢塔柱姿态调整到位，如图4所示。其后对构件垂直度、长度和接口的金属接触率、壁板错边量等质量指标进行系统检查，合格后厂内进行拼接板钻孔(对于调整接头，厂内只进行拼接板一侧钻孔，另一侧待现场钢塔调整后根据实测数据钻孔)。整体检测合格后，在节段四角壁板上划出水平预拼装对位线，作为桥位安装的对位基准线。

图4 钢塔卧式预拼装原理图

立式拼装即将钢塔在竖直状态下完成拼装，该工艺能较好模拟现场安装状态，接头位置无需另外施加对紧力，检测项目与卧式拼装基本相同。

3.3 钢混结合段施工

3.3.1 钢塔首节段定位

钢塔锚杆长11.475 m，预埋进基础混凝土内深度8 m。锚杆的预埋精度直接影响首节段定位[11-13]。在索塔承台、塔座施工过程中，搭设定位钢支架，并在支架上设置3层水平定位梁，定位梁上设置在厂内精加工的圆弧卡板对锚杆进行限位。在混凝土分层浇注过程中，每次浇注前后均分别对锚杆进行定位测量，并及时纠偏。利用BIM技术提前解决了各构件之间的冲突问题(如图5所示)，实测群螺杆最终定位精度优于3 mm。

图5 锚杆定位支架BIM模型

T1节段高程定位通过在塔座顶预设垫板的方式来实现：在钢塔底对应腹板加劲交叉位置布置6块平面尺寸为40 cm×40 cm的垫板，垫板顶按照钢塔底标高提前设置。钢塔水平定位主要通过在塔座顶面设置定位工装辅助进行：提前在钢塔北侧和东侧设置楔形导向限位，在钢塔下放至限位约束范围后塔底承压板侧面紧贴限位，在限位反方向设置水平千斤顶以实现钢塔下放过程中的平面约束。定位工装如图6所示。

图6 首节段安装定位工装(单位：mm)

3.3.2 钢混结合段超大平面薄层灌浆施工

对塔底厚5 cm、面积170 m2的薄层灌浆施工，施工组织难度大且质量不易保证。在正式施工前展开不同灌浆工艺和不同材料的试验[14-16]。

(1)灌浆分区

钢塔底部全平面一次完成灌浆的施工组织难度大，施工完成后塔底填充层开裂风险也较大。基于以上原因兼顾灌浆料流动性，将灌浆施工划分为6个区间，区间之间采用10 cm宽橡胶条相隔离。橡胶条定位标高高于承压板底面10 mm，在首节段下放过程中承压板与橡胶条挤压密贴，实现分区隔离。灌浆区域划分如图7所示。

图7 灌浆分区平面图(单位：m)

根据灌浆施工分区大小，现场采用1/6比例模型试验(试验面积与单个施工区间相当)。选择水泥基灌浆材料，设计多组灌浆料配合比，对其各项性能检测。材料配比及主要试验参数见表1。

表1 灌浆料性能

对比发现，采用较小粒径的石英砂的M2灌浆料流动度更好，相较于添加碎石的组分，在5 cm厚薄层灌浆的条件下M2灌浆料浆体整体性更好，有着较优的施工性能，且试验压板下方气泡较少，成品无裂缝。

通过试验总结得出以下结论：(1)含碎石的灌浆材料在试验时碎石主要集中在布料点，最大流淌距离1 m左右，和浆体存在分离现象。(2)相较于压浆机，立轴式搅拌机生产出浆体气泡含量更少，且生产供料能力更强。(3)借助于高差势能，高位灌浆较水平灌浆浆体流动性更好。(4)在灌浆过程中使用30型振捣棒能有效减少成品气泡数量。

最终选择M2材料，现场采用2台立轴式行星搅拌机(单次搅拌量1 m3，设备转速60 r/min以上)搅料，高位灌浆，灌浆料通过塑料软管流入承压板底部。

在钢塔T1节段顶部搭设灌浆施工平台，对钢结构外露部分采用彩条布覆盖，防止飞溅的灌浆料造成表面污染。现场共设置6组加内衬的透明软管，软管在塔内穿过水平环板和内壁板的预留孔洞引至钢塔底面不同区间。单个区间灌浆施工完成后直接切换透明软管转至下个区间施工。

灌浆施工前在塔座一周施工30 cm宽C50细石混凝土，细石混凝土顶标高比钢塔承压板底部高2 cm，灌浆料顶标高最终控制与细石混凝土顶标高一致，以达到“保压”效果。

3.4 钢塔现场匹配安装

现场钢塔标准接头匹配安装主要以定位基线为基准，通过限位板和调位工装实现。现场实施工艺要点如下：

钢塔起吊前在已安装节段上提前安装导向限位板，吊装节段四边安装牵引绳，在钢塔下放至拼接口1～2 m时，站在操作平台上的作业人员拉紧牵引绳，吊钩缓慢下落，利用导向限位完成钢塔粗定位。

下放完成后，利用横向调位装置和侧面限位板完成钢塔平面位置精调。精调以厂内预拼装过程中在4个切角部位划出的安装对位线为基准。在对位线匹配后，检测钢塔金属接触率情况，当满足要求后，打入冲钉初步定位。在夜间温度恒定时段对钢塔线型测量，满足要求后即可进行高栓安装。

调整接头实施要点如下：

施工前对已安装节段平面偏位、倾斜度和四角高差数据进行采集，分析是否需要对线型修正。若各参数指标满足要求，则接头可正常连接，拼接板可根据预拼数据在厂内直接钻孔、发运至现场。若需要线型调整，则现场在接口位置利用工装对上方节段线型调整，至理想状态后将接口上下壁板、腹板之间缝隙采用薄钢板条塞填密实。根据现场实测数据对拼接板钻孔，采用特配拼接板完成接口栓合。

钢塔施工过程中建立前后场联动的精度管理体系，钢塔现场安装数据采集后对数据分析，指导厂内加工。钢塔设计J10为预留调整接口，通过该接口可实现下塔柱累积线型误差调整。实际施工中钢塔线型控制良好，未利用调整接头对线型修正。

4 施工监控

独柱钢塔横桥向和纵桥向刚度均较弱，其线型对风力和塔吊扶墙力较敏感。开展施工监测并根据监测结果对钢塔线型数据修正、指导安装有重要意义[17]。

4.1 环境因素监测

环境因素的影响主要包括温度和风力两方面。温度监测结果表明，中午12点到下午5点范围内，钢塔截面最大温差达5 ℃以上，凌晨1点以后钢塔柱截面温差均在1 ℃以内。为排除温差对钢塔线型影响，将钢塔安装数据采集安排在凌晨进行。

塔柱线型测量优先安排在无风条件下，线型测量过程中同时测量现场风速、风向，对当天几何测量数据进行修正，排除风力干扰。

表2 不同风速作用下塔顶位移统计

4.2 几何测量

钢塔几何测量分为厂内测量和现场测量两部分。厂内测量贯穿整个钢塔制造过程，最终成果为厂内预拼数据，为现场安装提供数据支撑。现场测量环境复杂，主要重难点如下：(1)长江水域施工现场潮湿、多雾，钢塔施工到一定高度时，全站仪等常规方法进行测量放样受到影响，严重时，会导致无法观测。(2)钢塔位于江中，工作基点布设局限性大，部分结构物特征点不能直接测量。

基于此，提出一种“观测塔及水环境构件安装位置测定系统”：以承台中心为对称点，沿桥轴线左右两侧对称布置控制点。控制点上设置控制圆盘和防护结构。观测墩的布置和测定系统分别如图8～9所示。该方案很好解决视距问题，较常规的陆上基准点和管桩式水上测量平台，有较好的测量精度和经济效益。

图8 观测墩布置

图9 观测塔及水环境构件安装位置测定系统

钢塔测量控制点布置在节段顶口，在角点布置H1～H4共4个高程控制点，在边线中点布置A1～A4共4个平面控制点。所有控制点在钢塔厂内制造时做好标识。典型断面测点布置如图10所示。

图10 钢塔高程和平面控制点布置

4.3 物理监测

实施过程中塔吊共设置两层扶墙(分别设置于+86.0 m和+138.0 m高度)，在上层扶墙发挥作用时，下层扶墙杆对钢塔基本无水平力。经计算，在工作状态下塔吊扶墙对钢塔最大水平作用力为678 kN，非工作状态下塔吊扶墙对钢塔最大水平作用力为758 kN。不同作用力下塔顶水平位移如表3所示。

表3 不同作用力下塔顶水平位移统计

为消除塔吊扶墙对钢塔安装线型监控影响，需保证在测量过程中扶墙内无水平作用力。在扶墙安装和钢塔线型测量过程中塔吊均需吊装配重块来达到标准节垂直，使测量结果不受外力影响[18-19]，具体要点如下：(1)每层塔吊扶墙安装前，塔吊通过吊装配重块达到垂直(记录下配重大小和位置)，在夜间基本无风且温度恒定时段进行扶墙水平连接杆施工。(2)每次夜间钢塔测量时塔吊均吊装配重恢复到扶墙安装时状态。(3)塔吊扶墙安装前，钢塔自由状态下记录下扶墙待附着节段的平面坐标。在后续节段施工测量时，同步测量附着节段。将附着节段当前数据与自由状态下采集数据对比以指导现场施工。