顺德大桥索塔智能控制液压爬升提升机安装钢塔与塔吊安装钢塔比选分析

黄开开 HUANG Kai-kai

（中交路桥华南工程有限公司，中山 528400）

1 概述

随着我国交通建设的飞速发展，跨越江、河的大跨径缆索支承桥梁——斜拉桥和悬索桥建设需求旺盛，建设规模与日俱增。斜拉桥由于其结构刚度大、跨越能力强、桥跨布置灵活、造型美观等特征得到了广泛应用。我国是目前世界上拥有斜拉桥、悬索桥数量最多的国家。主跨超过400 米的斜拉桥超过一半在中国，已经建成通车的世界主跨跨径最大的10 座斜拉桥有7 座在中国，主跨跨径最大的10 座斜拉桥中国占了5 座。国家政策鼓励和要求推广适合工业化生产的预制装配式混凝土、钢结构等建筑体系，加快发展建设工程的预制和装配技术，提高建筑工业技术集成水。大跨径斜拉和悬索桥的索塔越来越多的采用钢索塔或钢混组合索塔。

顺德大桥主桥全长992.5m，主跨626m。主塔呈H 型，矮塔（D2）塔高151m，分21 个节段，中下塔柱为钢-混组合结构（10 个节段），上塔柱10 个节段为钢结构，T11 节段为钢混结合过渡段。高塔（D3）塔高204m，分30 个节段，中下塔柱为钢-混组合结构（共14 个节段），上塔柱15 个节段为钢结构，T15 节段为钢混组合过渡段。高低塔均设置三道横梁，如图1 所示。

图1 顺德大桥桥型布置图

矮塔下横梁为钢-混组合结构，钢结构重约678t，距离塔座10.6m。中/上横梁为钢结构，中横梁重约537t，中横梁距下横梁71m，上横梁重约408T，距中横梁46m。

高塔下横梁为钢-混组合结构，钢结构重约723t，距离塔座10.1m。中/上横梁为钢结构，中横梁重约679t，中横梁距下横梁约103m，上横梁重约495T，距中横梁约67m。

2 现有钢索塔施工方案

通过对国内外24 座斜拉桥、悬索桥10 座，共计34 座桥梁的索塔施工方案调查统计。其钢索塔、钢混组合索塔施工方法共有5 种，分别为：塔吊、浮吊、转体、履带吊、悬臂吊机。其占比分别为：74%、52%、4%、13%、4%。

通过调查统计，海上或者主塔位于河流深水区域的，采用浮吊的居多；位于陆地的高塔，使用塔吊或悬臂吊机的居多；位于陆地上的低塔，使用履带吊的居多；拱形钢塔采用桥面卧拼、整体转体的居多；上述工艺除拱形塔竖转工艺较经济、简洁外，其他工艺均存在如下不足：

①大型浮吊存在租金高，进退场费用高，浮吊档期有制约，有吃水深度要求，受钢塔焊接等因素制约，使用时间长、费用高；

②大型塔吊购置费高，加工周期长，存放场地大，附墙件改制费用高、转场费用高、安拆时间长；以南京三桥MD3600 为例，其购置费需要5000 万人民币，存放场地需要8000 平米（以150m 标准节计算，下同）；浦仪大桥的中联3930 塔吊购置费3000 万人民币，存放场地需要7000平米；购置新设备需要占用大量资金，财务成本较高；因为各单位钢塔工程较少、施工不连续等因素造成设备使用率低，存放成本高昂。

③大型塔吊可租赁设备偏少，租金普遍偏高，进退场时间也需要计算租金。以中晟3600 为例（20 米吊重180吨），进退场费用需要70 万元，租金每月为65 万元；中联3930 塔吊（20m 吊重200 吨）租金每月100 万元；由于档期原因，设备进场时间可能会比预期晚2、3 个月。

④大型履带吊存在租金高、进退场道路运输条件要求高、市场可租赁设备少、租赁档期不匹配等缺点。

⑤塔身钢横梁因为重量较大，均需要搭设支架、分块安装，增加了支架材料投入和支架安、拆费用，高空作业增多，安全风险增加。

⑥为降低浮吊、塔吊租金，加快进度，因此塔身节段焊接操作平台在每道接缝均需设置，增加了平台材料投入和安拆成本，增加了钢塔现场涂装修补工作量和悬空作业，增加了平台安、拆的悬空作业，安全风险增大；受天气制约，后期平台安拆、现场涂装的工期较慢。

⑦为降低塔吊设备使用数量，在满足吊重、吊距的情况下，塔吊一般均布置在桥梁中轴线上，该位置影响桥梁的钢梁吊装，必须在拆除钢塔安装塔吊、另行配合拉索安装的小塔吊以后才能进行钢梁安装作业，造成工期增加，成本增加。

3 智能控制液压爬升提升机安装钢塔施工方案

针对顺德大桥索塔施工，拟研究一种自爬升钢塔提升机（以下简称塔机），本塔机可以实现顺德大桥主塔节段、钢塔横梁吊装，经简单改造后可用于桥面钢箱梁的吊装，能够满足主塔及钢箱梁的拼装。主体功能如下：

3.1 作为自爬升起重机，用于钢塔节段吊装

塔节段施工：单塔柱各设置一台附壁式（顺桥向布置）的轨道自爬升悬臂起重机，完成各自的塔节安装，如图2所示。

3.2 索塔横梁吊装施工

①将塔机天车坐落于已安装完成塔节段顶部，并进行锚固，该阶段天车受力将由轨道锚固转移至索塔顶部；②采用双塔柱塔顶两台自爬升起重机的天车同步提升系统，垂直提升横梁，该阶段横梁为整体提升，如图2 所示。

图2 塔机吊装钢塔/钢横梁/钢箱梁

3.3 钢箱梁施工

①在钢塔施工完成后，将自爬升起重机拆除；

②利用自爬升起重机主体结构及天车同步提升系统重新改造组装，用于吊装桥面钢箱梁，除爬升桁架外，其余构件均可共用，如图2 所示。

钢塔提升机是一种全新的钢塔安装设备和工艺，目前国内外还未有先例，具备如下优点：

①优良的环境包容度，可以降低浮吊、塔吊、履带吊等方法对现场条件的要求，工艺适用范围更广。

②低廉的成本，经过对浮吊、塔吊、履带吊的自购、租赁等模式成本比较分析，钢塔提升机具有较大的成本优势。

③为现场条件苛刻的大桥钢塔安装提供了一种全新的施工工艺。

④安全风险低，钢塔节段焊接平台与提升机协同设计，随提升机移动，不在塔身上焊接作业平台，能最快速度提供焊接作业平台的同时，还可以减少焊接平台投入，平台搭设、拆除悬空作业减少，现场涂装修复工作减少，安全风险显著降低。

⑤提升机构件为装配式设计，安装拆除容易，设备转场运输方便、费用低；使用完毕后容易拆除，可作为一般型钢构件用作其他用途，不涉及装备闲置问题。

⑥总工期更加节约、可控；突破对大型浮吊、塔吊、履带吊常规设备的依赖和租赁档期的制约，成本自主控制能力更强。

⑦钢塔提升机研究成果实施后，设备构件可重复利用率高，上部主桁架可用于大部分桥梁的桥面吊机，也可以用于挂篮主桁。

⑧该设备可拓展用于几乎所有悬索桥钢索塔的提升安装，上桁架可以作为悬索桥塔顶门架留置使用，减少门架投入。

4 施工方案对比分析

为保证本项目钢塔施工方案合理及推动钢索塔发展，对上述提出的塔吊方案和塔机方案进行比选论证。

4.1 塔吊方案

4.1.1 概述

拟投入设备：高塔STT-3930 装机高度为222m，臂长50m，STT-3330 装机高度210m，臂长50m。塔吊主框架中心距离索塔顶端中心14m。共设置6 道附墙。矮塔STT-3330 装机高度为168m，臂长50m，T-2850 装机高度156m，臂长50m。塔吊主框架中心距离索塔顶端中心16m。共设置4 道附墙，如图3 所示。

图3 塔吊布置示意图

高塔下横梁：重量723t，高塔分为9 个节段；矮塔下横梁：重量678t，分为7 个节段。均采用落地钢管支架进行拼装，然后与索塔进行连接。中、上横梁：高塔中横梁分为7个节段，上横梁分为5 个节段；高塔中横梁分为6 个节段，上横梁4 个节段。采用牛腿托架进行拼装，然后与索塔进行连接，如图4 所示。

图4 钢横梁拼装支架示意图

4.1.2 塔吊施工流程

第一步：施工桩基、承台，预埋定位框架；安装塔吊，利用塔吊分别安装T1/T2/T3 节段。

第二步：安装T4/T5 节段；搭设下横梁支架，拼装下横梁，并与索塔连接。

第三步：施工至T18 节段；在中横梁安装位置施工托架，分节段安装中横梁；过程中按塔吊设计要求安装塔吊横撑。

第四步：施工至T30；在T30 节段上施工托架，分节段安装上横梁；利用塔吊安装塔冠、装饰块等，完成索塔施工。

总体流程图如图5 所示。

图5 塔吊施工流程

4.2 塔机方案

4.2.1 概述

顺德大桥智能控制液压爬升提升机由爬架、主梁结构、轨道系统、自爬升系统、天车系统、液压连续提升系统、液压系统、电气系统（含电气控制系统、视频监控系统、安全保护及监控系统、应力监测系统、照明系统）等组成。金属结构的主材采用Q345B。其轨道和通过焊接在钢塔外壁板上的锚固座连接。

钢横梁施工时，先在地面进行拼装后，然后采用塔机双机抬吊。

4.2.2 施工流程（以高塔为例）

第一步：北岸采用150t 龙门吊安装T1-T3；南岸采用汽车吊安装T1-T3。

第二步：利用履带吊、汽车吊安装塔机。

第三步：施工至T18节段；在中横梁安装位置施工托架，分节段安装中横梁；过程中按塔吊设计要求安装塔吊横撑。利用塔机安装T4；下横梁进场、拼装利用塔机安装T5。

第四步：利用塔机整体提升下横梁安装。

第五步：利用塔机安装T6-T22，分贝在T7/T11/T14/T22 节段设置临时横撑，横撑采用塔吊安装。

第六步：搭设中上横梁拼装支架，拼装中上横梁；塔机下移，锚固于T22 节段顶面；整体吊装上横梁，临时安装在T19 节段处；整体吊装中横梁，安装在T17 节段上。

第七步：安装钢塔节段T23-T30；塔机下移，拆除塔机起重桁架；整体吊装上横梁，临时安装至T29 节段；拆除塔机，安装塔冠，完成索塔施工。

总体施工流程如图6 所示。

图6 塔机施工流程图

4.2.3 塔机方案可行分析

4.2.3.1 对索塔的影响分析

塔机安装钢塔时，附着于已安装完成的钢塔上，所以针对塔机对钢塔的影响进行验算。工况分析：

①5 个钢塔节段最不利吊装工况；

②4 个横梁吊装工况；

③风荷载作用下桥塔节段吊装及横梁吊装。

计算结果：采用桥塔预偏+5 道横撑方式进行桥塔施工时，桥塔顺桥向变形可忽略不计；横向绝对偏差最大值为2.4mm，满足规范要求，如图7 所示。

4.2.3.2 塔机本身验算

分为5 个工况进行验算，其结果如表1 所示。

表1 塔机计算工况及结果

4.3 对比分析

4.3.1 安全性分析

就设备本身来说，塔吊技术成熟、安全性较高；塔机在做好保证措施的前提下安全性也较高。

吊装过程中：塔吊速度较快，30 分钟以内可完成吊装，吊装过程受外界影响较小，安全性较高；塔机速度慢（30m/h），吊装时间长，受外界天气影响可能性较大。

钢横梁吊装时：塔吊高空拼装，安全、质量风险较高；塔机低空或地面拼装，安全、质量风险相对较低。

4.3.2 质量分析

钢塔安装时：塔吊附墙对钢塔线型有一定影响；塔机本身对钢塔线型有一定影响。

钢横梁安装时：塔吊高空拼装，安全、质量风险较高，质量不易控制；塔机低空或地面拼装，安全、质量风险相对较低，质量易控制。

可得出结论：塔吊质量风险相对较高；塔机质量风险相对较低。

4.3.3 适用性分析及对比

4.3.3.1 塔吊适用性分析

①吊装范围：在吊装半径范围内均能够起吊，其能够实现纵、横移动。针对南北岸的钢塔二次转运其要求相对较低，仅需要转运至吊装半斤范围内，就能够进行安装。在臂长范围内，只要满足吊重要求，吊装范围较大，灵活性比塔机更强。

②吊装功能：安装就位后，能够吊装其他构件，如索塔临时横撑、装饰块、塔冠、索塔永久电梯安装、斜拉索安装等作用，相比塔机其功能较多。

4.3.3.2 塔机适用性分析

①吊装范围：塔机吊装只能是定点起吊，在顺桥向方向，吊装钢塔节段时，吊点距离索塔中心距离为14.2m；在横桥向方向，吊装横梁时，吊点也是固定的。

②吊装功能：仅提供钢塔节段和钢横梁吊装，虽设有10T 小吊具进行其他结构吊装，但因定点吊装问题，其灵活性及功能性均比塔吊差。若施工现场需要吊装其他物品，如塔机本身轨道转换、临时横撑安装、装饰块安装、塔冠安装、电梯安装等都需要其他吊装设备，其适用范围较小。

4.3.4 工期分析

①塔吊：索塔节段拆分需要增多，至少增加6 个节段，最多增加34 个节段，将影响总工期。总工期359.5 天。与提塔机对比主要是中上横梁支架搭设时间、中上横梁拼装时间的差异；

②塔机：考虑机械加工时间和施工时间：总工期343天。相对塔吊方案节约16 天。与塔吊对比主要是每一节段塔机爬升、轨道转换、吊装时间过长的差异。

4.3.5 造价分析

①塔吊：主要为塔吊的租赁费用、中上横梁支架费用、桥面吊机租赁费用，见表2。

②提塔机：主要塔机加工费用、小塔吊租赁费用，见表2。

表2 造价分析

5 结论

针对顺德大桥索塔施工，结合桥址环境、外界因素等，从质量、安全、工期、成本、可行性等方面进行分析，最终选择了塔机施工方案。该方案对优化钢塔施工工艺、提高行业建设水平具有重要意义。同时可以有力提高公司的成本优势、工期优势，进而提高市场竞争力。支撑中交教团在“交通强国”战略、“一带一路”建设上发挥更大的作用。