丁得志（中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000）

懸索橋曲面弧形鋼塔定位安裝施工技術(shù)

丁得志（中鐵四局集團(tuán)第五工程有限公司，江西 九江 332000）

懸索橋具有結(jié)構(gòu)跨度大、施工精度要求高、外形美觀的優(yōu)點(diǎn)。單主纜地錨式懸索橋?yàn)閼宜鳂虻牡湫痛碇?。南寧英華大橋單纜懸索橋的主塔結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，為雙曲面弧形結(jié)構(gòu)，文章從鋼塔加工、安裝控制等方面，提出科學(xué)合理的措施，提高加工、安裝精度及成型后的線型及質(zhì)量。

懸索橋；曲面弧形；鋼塔；施工技術(shù)

懸索橋鋼結(jié)構(gòu)主塔的制造精度將直接影響后續(xù)安裝控制精度，而安裝精度控制對(duì)成橋線型、工程質(zhì)量均有著直接影響。因此，在鋼塔施工過(guò)程中，采用合理的施工技術(shù)措施，對(duì)鋼塔的加工質(zhì)量，拼裝線型控制，鋼塔吊裝工藝，總體安裝質(zhì)量等具有重要的意義。

1 工程概況

南寧市英華大橋?yàn)閱沃骼|地錨式懸索橋，主塔為“羊角編鐘”造型，高100m，主塔下塔柱為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱及橫梁均為鋼結(jié)構(gòu)。鋼塔截面為雙曲面弧形結(jié)構(gòu)，單側(cè)塔柱在縱塔向由兩個(gè)1/4圓形截面向上逐步合并為1個(gè)半圓截面，兩側(cè)塔柱最終在塔頂合并為一個(gè)近似圓，造型獨(dú)特、優(yōu)美。

主塔沿高度方向劃分為11個(gè)節(jié)段。T1節(jié)段為預(yù)應(yīng)力混凝土節(jié)段，T2～T9為上塔柱鋼節(jié)段，其中T2為與橫梁連接節(jié)段，T10為索鞍承壓節(jié)段，最上部為造型點(diǎn)綴的塔冠節(jié)段。節(jié)段之間為焊接連接。主塔立面及節(jié)段劃分見(jiàn)圖1。

2 工程技術(shù)特點(diǎn)與施工重難點(diǎn)

①鋼塔單節(jié)重量大，最大吊裝最量達(dá)到126t，最高為100m，分10個(gè)節(jié)段吊裝，采用大噸位浮吊吊裝技術(shù)，鋼塔制造安裝精度直接決定塔身線型及質(zhì)量，制造安裝精度要求高。

②全塔高100m，橋位無(wú)落地式支架平臺(tái)作為焊接操作平臺(tái)，高空焊接作業(yè)環(huán)境差。

③壁板采用48mm厚的Q370qD鋼，厚板焊接要求高，鋼板焊接變形大，每個(gè)節(jié)段焊接變形直接影響鋼塔成橋線型質(zhì)量。

④塔節(jié)段高空對(duì)接定位測(cè)量控難度大，每個(gè)節(jié)段實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量定位，并且保證鋼塔線型難度大。

圖1 南寧英華大橋主塔立面、側(cè)面簡(jiǎn)圖

3 鋼塔制造

3.1 鋼塔節(jié)段加工制造

鋼塔分節(jié)段加工制作在工廠車(chē)間內(nèi)完成，采用電腦控制輔助下料、單元件組裝與焊接控制，形成節(jié)段組件；再在總拼胎架上完成鋼塔節(jié)段的整體組裝、焊接、修整、劃線和精切作業(yè)。每側(cè)鋼塔分兩個(gè)分輪次預(yù)拼裝，控制整體線形。待涂裝作業(yè)完成后運(yùn)至存梁場(chǎng)進(jìn)行存放，橋位安裝需要時(shí)水上運(yùn)輸至橋位。

鋼塔結(jié)構(gòu)焊縫密集，熔透焊縫較多，所產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力較大，鋼塔制造采用“零件→部件→單元→整體→預(yù)拼裝”方式生產(chǎn)，將每個(gè)鋼塔分為內(nèi)、外壁板單元、側(cè)壁板單元、隔板單元等部件，內(nèi)壁板單元和側(cè)壁板單元按塔節(jié)段的尺寸制作成整塊節(jié)段，外壁圓弧板單元順?biāo)驁A弧板半徑逐漸縮小，制作整塊板單元不利于安裝，且外形尺寸精度較難保證，因此按設(shè)計(jì)縱向分段的尺寸加工成圓弧板單元，再組焊成節(jié)段。兩端面采用小車(chē)精切余量并制好工地焊接坡口，然后進(jìn)行預(yù)拼裝，安裝臨時(shí)匹配件。檢測(cè)合格后對(duì)端面進(jìn)行保護(hù)，按要求涂裝后運(yùn)至存梁區(qū)。

圖2 鋼塔節(jié)段構(gòu)造圖

3.2 鋼塔水平預(yù)拼裝

為了保證橋位架設(shè)精度、從鋼塔制造階段來(lái)確保鋼塔線形等，鋼塔柱節(jié)段整體檢測(cè)合格后，對(duì)鋼塔節(jié)段進(jìn)行水平預(yù)拼裝。

3.2.1 總拼胎架施工

本橋鋼塔內(nèi)側(cè)壁為半徑為14338.6cm的圓弧段，總長(zhǎng)約70余m，考慮場(chǎng)地條件和經(jīng)濟(jì)成本，將T2～T10節(jié)段鋼塔分為兩段拼裝，胎架頂面標(biāo)高設(shè)置以內(nèi)側(cè)壁圓弧線控制。鋼塔節(jié)段在胎架上連續(xù)匹配組裝與焊接，并在胎架上下方設(shè)有地樣基準(zhǔn)線，便于放線及測(cè)量使用。胎架采用焊接型鋼桁架，立柱和橫梁通過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算確定為［25槽鋼、工字鋼20型號(hào)。

3.2.2 鋼塔總拼

沿塔高方向每個(gè)塔柱分兩輪進(jìn)行預(yù)拼裝：

第一輪將T2～T6節(jié)段整體拼裝，T1節(jié)段截面外形尺寸比T2下端部周邊寬100mm，用于預(yù)埋誤差調(diào)整，因此T1節(jié)段單獨(dú)制作，不參與預(yù)拼裝。

第二輪拼裝T6～T10節(jié)段；橫梁整體制作，完成后與T2節(jié)段進(jìn)行試裝，全橋鋼塔共分10次預(yù)拼裝。

為保證鋼塔節(jié)段之間箱口匹配良好，制作精度可控，在廠里按預(yù)拼裝劃分的輪次，一次完成塔節(jié)段總拼和預(yù)拼裝工序，塔節(jié)段之間預(yù)留間隙。塔節(jié)段全部焊接完成后，解除塔節(jié)箱體與胎架的剛性連接，使其自由狀態(tài)。檢測(cè)端口錯(cuò)邊量、接口間隙等，根據(jù)測(cè)量單節(jié)段的長(zhǎng)度、線形以及相鄰兩節(jié)段間的錯(cuò)邊量等信息，在計(jì)算機(jī)中對(duì)節(jié)段進(jìn)行累積精度管理，并以此來(lái)指導(dǎo)預(yù)拼中節(jié)段間扭轉(zhuǎn)的控制。采用千斤頂對(duì)塔段位置進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)行試裝。

4 鋼塔安裝

為輔助主塔吊裝施工，需要在橋址安裝一臺(tái)附壁塔吊，用于吊裝焊機(jī)、掛籃、鋼管、爬梯等小型構(gòu)件。而鋼塔節(jié)段的吊裝，由于構(gòu)件吊重大、提升高度高，附壁塔吊不能滿足吊裝需求，經(jīng)比選采用500T浮吊設(shè)備，用以完成鋼塔節(jié)段吊裝任務(wù)。

4.1 鋼塔定位測(cè)量

4.1.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

為了更直觀地反映鋼塔的安裝測(cè)量偏差，及時(shí)有效地進(jìn)行糾偏，本工程鋼塔吊裝建立獨(dú)立控制網(wǎng)，將英華大橋的設(shè)計(jì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至我們所建立的獨(dú)立坐標(biāo)系。建立的獨(dú)立坐標(biāo)系：Y軸為該橋的橋軸線，X軸坐標(biāo)則反映主塔偏離橋軸線（中線）位置，Z軸則反映主塔的標(biāo)高。這樣，測(cè)量過(guò)程中，儀器反映的偏差為沿軸線方向前后、左右、上下偏差，操作工人能夠快速識(shí)別調(diào)整方向，從而快速的調(diào)整。并且通過(guò)該轉(zhuǎn)換手段，能夠直觀了解到鋼塔安裝軸線偏差值。

圖3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

4.1.2 塔身測(cè)點(diǎn)布置

首先根據(jù)主塔設(shè)計(jì)線形參數(shù)、結(jié)合反射片所給定的里程位置及細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)考慮通視條件，精確計(jì)算出反射片在獨(dú)立坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，在吊裝之前，將反射片精確安裝到位。反射片采用徠卡專(zhuān)用60mm*60mm的反射片。

T1～T4節(jié)段，每一節(jié)應(yīng)貼6塊反射片，其中4塊貼在塔的內(nèi)側(cè)距焊接線中心以下 150cm斷面處，另2塊貼于外側(cè)距焊接線中心以下150cm斷面處；T5～T10節(jié)段，每一節(jié)應(yīng)貼4塊反射片，其中3塊貼在塔的內(nèi)側(cè)距焊接線中心以下150cm處，另1塊則貼于外側(cè)距焊接線中心以下 150cm外。若在測(cè)量時(shí)出現(xiàn)遮擋或觀測(cè)不便時(shí)，可根據(jù)具體情況設(shè)置反射片的位置。

4.1.3 鋼塔定位測(cè)量

在塔身施工過(guò)程中，根據(jù)施工臨時(shí)支撐，調(diào)整塔身橫橋向預(yù)偏值，使成形后的主塔線形滿足設(shè)計(jì)要求。在主塔吊裝過(guò)程中，監(jiān)控單位根據(jù)臨時(shí)荷載、各階段施工荷載、塔身不平衡水平力、塔身溫差等組合作用下，計(jì)算各個(gè)階段塔身的預(yù)偏值。

根據(jù)上述計(jì)算主塔各節(jié)部位的預(yù)偏移量，對(duì)鋼塔柱各節(jié)骨架上反射片的設(shè)計(jì)三維坐標(biāo)值進(jìn)行修正。鋼塔柱定位測(cè)量方法是采用全站儀三維坐標(biāo)法。全站儀跟蹤測(cè)量點(diǎn)是貼在鋼塔柱骨架上的反射片中心，全站儀中輸入的反射片中心處三維坐標(biāo)是經(jīng)過(guò)修正后的坐標(biāo)。定位測(cè)量時(shí)采用2臺(tái)TS30自動(dòng)搜索型全站儀同時(shí)觀測(cè)塔的內(nèi)外側(cè)反射片進(jìn)行精確定位。

圖4 全站儀三維定位鋼主塔

4.1.4 鋼塔柱測(cè)量復(fù)核

在下一節(jié)鋼塔吊裝就位后（未進(jìn)行焊接鎖定之前），現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)對(duì)已安裝好的鋼架進(jìn)行復(fù)測(cè)，并將復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋至設(shè)計(jì)及監(jiān)控單位，便于設(shè)計(jì)與監(jiān)控單位對(duì)預(yù)偏參數(shù)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證、改進(jìn)。如果復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)反饋值與預(yù)測(cè)值有較大差異，應(yīng)分析原因并在后續(xù)施工過(guò)程考慮適當(dāng)?shù)恼{(diào)整措施。

4.2 鋼塔吊裝

鋼塔節(jié)段試裝驗(yàn)收合格后通過(guò)水運(yùn)運(yùn)輸?shù)綐蛭唬捎?臺(tái)500T浮吊吊裝。主塔為弧形塔，塔柱傾斜，鋼塔共50個(gè)節(jié)段，橫梁8個(gè)吊裝節(jié)段，塔冠6個(gè)節(jié)段。主塔提升前需要將主塔節(jié)段的姿態(tài)初步調(diào)整到位，姿態(tài)調(diào)整主要是將主塔節(jié)段的傾斜角度調(diào)整至設(shè)計(jì)角度，并將節(jié)段最低邊調(diào)整水平，以減小安裝時(shí)調(diào)整的工作量，確保安裝施工順利。主塔節(jié)段姿態(tài)調(diào)整到位以后提升時(shí)僅需要完成豎直和水平方向的平移。

按照測(cè)量定位方案對(duì)節(jié)段上口測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)和對(duì)稱(chēng)軸線進(jìn)行測(cè)量，調(diào)整主塔節(jié)段的橫向傾斜角度和順橋向的垂直度滿足設(shè)計(jì)要求，將節(jié)段與上一節(jié)段或承壓板點(diǎn)焊，點(diǎn)焊完成后將鋼塔節(jié)段面板上的匹配件用 M24高強(qiáng)螺栓連接，再次對(duì)節(jié)段上的測(cè)量點(diǎn)位進(jìn)行復(fù)核，無(wú)變動(dòng)后開(kāi)始對(duì)節(jié)段接縫施焊。焊接完成后對(duì)塔柱上口各點(diǎn)位最后進(jìn)行測(cè)量并與設(shè)計(jì)位置進(jìn)行比較，記錄偏差值以便指導(dǎo)后續(xù)的節(jié)段安裝。

圖5 鋼塔吊裝

在主塔各節(jié)段安裝過(guò)程中需要在 T3、T5、T7、T9節(jié)段之間設(shè)置臨時(shí)橫撐和豎向支撐，確保主塔線形和主塔安裝過(guò)程中的穩(wěn)定。主動(dòng)橫撐采用φ630mm（δ=10mm）鋼管，豎向支撐采用φ630mm（δ=10mm）鋼管，橫撐與鋼塔節(jié)段間通過(guò)法蘭盤(pán)進(jìn)行連接，豎向支撐與橫向支撐之間采用焊接。主塔每個(gè)節(jié)段安裝前與監(jiān)控單位聯(lián)系確定該節(jié)段安裝的預(yù)偏量。即采用被動(dòng)支撐+設(shè)置預(yù)偏量形式實(shí)現(xiàn)塔身線型控制。

圖6 鋼塔橫撐設(shè)置及計(jì)算

每層臨時(shí)橫撐安裝完成后，根據(jù)建立的鋼塔三維模型（含橫撐），結(jié)合測(cè)量成果數(shù)據(jù)，計(jì)算出后續(xù)兩個(gè)鋼塔節(jié)段吊裝完成后，這兩節(jié)鋼塔因懸臂自重向內(nèi)傾斜的距離，并將該數(shù)據(jù)作為下一節(jié)段鋼塔吊裝的預(yù)偏量。在坐標(biāo)計(jì)算時(shí)，體現(xiàn)方式為橫軸數(shù)據(jù)向獨(dú)立坐標(biāo)系X軸偏移。即設(shè)置被動(dòng)支撐+設(shè)置預(yù)偏量的方案來(lái)確保鋼塔的順利合攏。

通過(guò)該方法（見(jiàn)下表）計(jì)算鋼塔預(yù)偏量。

鋼塔橫撐+預(yù)偏量設(shè)置

以上數(shù)據(jù)為理論數(shù)據(jù)，每節(jié)鋼塔吊裝完成后，在焊接完成后對(duì)鋼塔實(shí)際安裝位置進(jìn)行坐標(biāo)采集，分析節(jié)段竣工偏差，將節(jié)段偏差數(shù)據(jù)在下一個(gè)節(jié)段吊裝前一并考慮進(jìn)預(yù)偏量?jī)?nèi)，確保鋼塔安裝誤差不進(jìn)行累計(jì)，為鋼塔最終合攏創(chuàng)造基礎(chǔ)。

4.4 焊接施工

4.4.1 焊接掛籃施工

本橋鋼塔采用浮吊進(jìn)行吊裝，塔外無(wú)操作腳手架平臺(tái)，如在塔身焊接上焊接簡(jiǎn)易平臺(tái)，需對(duì)鋼塔表面增加大量焊點(diǎn)，對(duì)塔身涂裝造成較大破壞，且塔身施工完成后拆除操作平臺(tái)都存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，確定在塔身節(jié)段吊掛裝配式掛籃作為操作平臺(tái)，即可保障施工安全，又可實(shí)現(xiàn)靈活裝拆。

掛籃外形尺寸有效高度1200mm、寬1000mm，并將外側(cè)高度加大800mm。掛籃弦桿采用∠70*6角鋼，弦桿直接間隔600mm設(shè)置直腹桿、斜腹桿，腹桿采用φ42*3的圓管，底部鋪設(shè)3mm的扁豆紋鋼板，外側(cè)用 0.5mm彩鋼板封閉，掛籃內(nèi)側(cè)與鋼塔壁板接觸的弦桿全部用橡膠墊包裹，放止刮傷塔外側(cè)涂裝層。

掛籃上設(shè)置有8個(gè)吊耳，其中4個(gè)吊耳為塔吊提升掛籃所用，另外 4個(gè)吊耳用于安裝掛籃定位鋼絲繩，與塔節(jié)段上口吊耳連接。

每個(gè)節(jié)段鋼塔吊裝定位后，吊裝裝配式掛籃。掛籃安裝高度為環(huán)焊縫下發(fā)1.4m左右。安裝時(shí)按照先曲面后直邊的順序進(jìn)行，即首先吊裝圓弧壁板掛籃，其次吊裝內(nèi)側(cè)壁板掛籃，最后吊裝外側(cè)壁板掛籃。裝配式掛籃每個(gè)吊裝節(jié)安裝到位后，與上一個(gè)吊裝節(jié)采用螺栓連接成一個(gè)整體，最終形成一個(gè)環(huán)形操作平臺(tái)。掛籃安裝時(shí)，需重點(diǎn)檢查吊掛鋼絲繩完整性，錨固卸扣是否擰緊螺栓，掛籃上吊點(diǎn)焊縫是否開(kāi)裂等重要部位，杜絕安全事故發(fā)生。

掛籃安全完成后，操作工人即可在其上實(shí)施外側(cè)焊縫氣刨清根、打磨、焊接等工序。

圖7 鋼塔焊接掛籃示意圖

4.4.2 鋼塔焊接

本鋼塔材質(zhì)為370qD鋼，面板厚度為48mm，按《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ81～2002）關(guān)于建筑鋼結(jié)構(gòu)工程焊接難度分級(jí)法屬于難檔，施工中重點(diǎn)解決厚板的焊接以保證鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。

本塔柱安裝精度要求很高，因此必須做好焊接變形控制。塔身截面尺寸較大，因此側(cè)面剛度很大，一旦焊接成形，如果位置發(fā)生較大偏差，調(diào)整難度極大，因此必須控制焊接工藝，使之產(chǎn)生的焊接變形值較小。

首先需對(duì)48mm厚鋼板進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，確定鋼板焊接變形值及焊接電流、電壓、氣流量、焊接速度、焊接溫度等。

其次焊接前需對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱采用氧氣火焰法對(duì)鋼板進(jìn)行加熱，加熱區(qū)域?yàn)殇摪鍍蓚?cè) 100mm區(qū)域。預(yù)熱溫度為120℃。

再次為減小收縮變形與應(yīng)力，所以焊接順序應(yīng)均衡對(duì)稱(chēng)。采用雙人雙機(jī)焊接時(shí)，2人按逆時(shí)針?lè)较蛞跃賹?duì)稱(chēng)焊接。因鋼板厚，焊接層數(shù)較多，每層起、收弧處錯(cuò)開(kāi)30～50mm，成階梯狀。甲、乙焊工在起弧處注意與對(duì)方的收弧銜接好，避免出現(xiàn)缺陷。焊最后一層蓋面焊縫時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小電流，使外觀成形良好。

最后焊接過(guò)程中對(duì)坡口要嚴(yán)格要求，規(guī)定每個(gè)焊道完成后都必須清除焊渣和飛濺物，以避免氣孔和夾渣現(xiàn)象。禁止直接在雨中作業(yè)。

鋼塔焊接完成后，進(jìn)行焊縫無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)合格后進(jìn)行鋼塔焊縫的防腐涂裝工作，如焊縫檢測(cè)存在缺陷，需要對(duì)焊縫進(jìn)行返修處理，原則上要求焊縫返修不得超過(guò)2次。

5 結(jié) 論

①通過(guò)制造階段進(jìn)行整體試拼裝，試拼裝精度直接決定主塔橋位鋼塔安裝速度和精度。

②鋼塔安裝節(jié)段，通過(guò)對(duì)2個(gè)支腿兩側(cè)設(shè)置被動(dòng)支撐+設(shè)置預(yù)偏量的方法，順利實(shí)現(xiàn)了2個(gè)支腿合攏，較好了控制了鋼塔的線型。同時(shí)在必要情況下可對(duì)橫撐支撐施加主動(dòng)壓應(yīng)力，以局部調(diào)整塔身截面應(yīng)力和線型。

③鋼塔48mm厚板的焊接技術(shù)控制，特別是對(duì)稱(chēng)焊接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鋼塔線型及焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。

［1］JGJ81-2002，建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］張年杰.空間異型橋梁鋼塔安裝中的線形控制技術(shù)［J］.建筑施工，2011（3）.

［3］姚小元，成宇海.南京長(zhǎng)江第三大橋鋼塔安裝技術(shù)［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2006（5）.

U448.25

B

1007-7359（2016）02-0106-05

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.037

丁得志（1983-），男，安徽安慶人，畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，學(xué)士，工程師。