劉成群 魏 崗 卞北平

中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司 江蘇 南京 210019

目前，鋼索塔施工大多采用2種方式，即索塔原位分塊拼裝法和整體豎轉(zhuǎn)法。索塔原位分塊拼裝法面臨高處作業(yè)多、高空焊接難度大、線形控制復(fù)雜、安全措施費(fèi)用高等問題，特別對于拱形塔頂部封閉結(jié)構(gòu)，還存在塔吊扶壁設(shè)置、拱頂弧形結(jié)構(gòu)合龍等技術(shù)難題。

整體豎轉(zhuǎn)法又分為三角起扳法和提滑組合法。三角起扳法需將索塔整體在轉(zhuǎn)鉸單側(cè)預(yù)拼，占用較大的跨內(nèi)空間，在施工期間斜拉橋所跨越道路勢必要進(jìn)行封閉或交通導(dǎo)行，對現(xiàn)有交通影響較大，同時(shí)三角起扳的過程中轉(zhuǎn)鉸將產(chǎn)生較大的水平推力，需采用樁基、承臺（使用后需拆除）等反力結(jié)構(gòu)來抵消，對于高度較小、質(zhì)量較輕的索塔采用該方法尚可，超高、超重索塔結(jié)構(gòu)采用該方法將產(chǎn)生巨大的措施費(fèi)用，很不經(jīng)濟(jì)。提滑組合法借助結(jié)構(gòu)外提升裝置配合支撐結(jié)構(gòu)和底部滑移裝置來實(shí)現(xiàn)鋼索塔提升轉(zhuǎn)動(dòng)，這種方式在一定程度上可解決場地受限問題，不過目前采用這一方式施工的鋼索塔均在橋?qū)挿较蜉^窄，支撐結(jié)構(gòu)均設(shè)置在鋼索塔外側(cè)，對于拱形鋼索塔尚無應(yīng)用先例。

1 工程概況

韓城市太史大街西延橋工程西起象山森林公園，東至巍山路交口，橋梁長度約1 830 m。景觀大橋?yàn)榭鐝剑?08＋128）m的鋼結(jié)構(gòu)拱塔斜拉橋，如圖1所示。

圖1 景觀大橋縱斷面示意

索塔采用拱形塔，全塔采用鋼結(jié)構(gòu)，塔高為117.5 m，橋面以上塔高76.5 m，橋面以下41 m。鋼索塔截面尺寸縱橋向由拱腳向拱頂逐漸變化。豎向采用板肋加勁，沿拱塔軸線每隔2 000～3 000 mm（高度方向）設(shè)置1道橫隔板，橫隔板板厚16～25 mm。索塔采用箱形截面，壁板厚25～35 mm。主梁采用雙邊箱截面，道路中心線處梁高2 500 mm。頂?shù)装逶O(shè)置了縱向U加勁肋，腹板采用板式加勁肋，每腹板設(shè)3根，錨索段增至5根。主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長為10 000 mm，在錨索位置布置1道主橫梁。在2道主橫梁之間設(shè)置2道次橫梁，主橫梁與次橫梁間距為3 300 mm，次橫梁間距3 400 mm。

拱形鋼索塔采用“臥式拼裝，提滑組合”的方式施工，主塔提升質(zhì)量約2 100 t，安裝高度117.5 m，利用部分主橫梁作為提升錨梁在鋼索塔內(nèi)側(cè)設(shè)置提升塔架，在鋼索塔根部設(shè)置水平滑靴軌道牽引系統(tǒng)，通過豎向提升和水平牽引的協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)拱形鋼索塔的90°豎轉(zhuǎn)。

2 工程重難點(diǎn)

2.1 施工安全風(fēng)險(xiǎn)大

拱形鋼索塔高度高、質(zhì)量大，對支撐結(jié)構(gòu)、提升設(shè)備的要求高，因此制定合理的控制措施、選擇相應(yīng)的提升系統(tǒng)和設(shè)計(jì)可靠適應(yīng)的輔助構(gòu)件是確保施工成敗的關(guān)鍵，也是降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。

2.2 道路保通難度大

景觀大橋主跨跨越現(xiàn)狀梁山路，施工期間韓城市西部南北通道G327、和巍山路均處于封閉施工狀態(tài)，梁山路成為韓城市西部南北方向唯一通道，梁山路寬約16 m，橋區(qū)兩側(cè)存在建筑物，無法進(jìn)行交通導(dǎo)改。市政府要求施工期間梁山路必須保通，因此在單跨內(nèi)拼裝鋼索塔難以實(shí)現(xiàn)。

2.3 成本控制要求高

該項(xiàng)目采用PPP模式實(shí)施，面對材料價(jià)格上漲、環(huán)保要求提高導(dǎo)致的潛在超概算風(fēng)險(xiǎn)，通過技術(shù)手段降低措施費(fèi)用成為參建各方的共識，是施工單位控制成本的關(guān)鍵。

3 錨固橫梁位置分析

為確保豎轉(zhuǎn)提升期間拱形鋼索塔的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性[1]，科學(xué)降低提升裝置的高度，根據(jù)設(shè)計(jì)文件分析出鋼索塔重心位置，將錨固橫梁位置模擬放置在鋼索塔重心上方6.25 m（即主塔70 m）處對稱設(shè)置提升吊點(diǎn)，利用Midas Civil（V8.32）對鋼索塔不同工況下的姿態(tài)進(jìn)行分析。

分析結(jié)果顯示，錨固橫梁設(shè)置在結(jié)構(gòu)重心上方6.25 m處，通過調(diào)節(jié)塔架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段（標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長度6.25 m）的高度可以實(shí)現(xiàn)，既可以確保鋼索塔不同提升狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形要求，也沒有過多地增加鋼索塔內(nèi)側(cè)提升塔架的高度，安全性和經(jīng)濟(jì)性均能較好地保證。

4 纜風(fēng)體系置換分析

利用3D3S建立塔架計(jì)算模型，分別對塔架纜風(fēng)繩1、3預(yù)緊狀態(tài)，纜風(fēng)繩1、2、3、4同時(shí)預(yù)緊狀態(tài)，纜風(fēng)繩2、4替換1、3之后的狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析。分析結(jié)果顯示，纜風(fēng)繩置換過程中塔架提升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力狀態(tài)均處于安全狀態(tài)，該方法評審期間通過專家一致認(rèn)可，置換期間嚴(yán)格遵循對稱同步分級加載（卸載）的原則。

5 節(jié)段主橫梁移位設(shè)計(jì)分析

利用部分主橫梁節(jié)段作為提升錨梁，可利用長度為中間21.40 m，對提升吊耳位置和塔梁固結(jié)位置采取筋板補(bǔ)強(qiáng)，提高其抗扭轉(zhuǎn)能力。利用ANSYS進(jìn)行局部仿真分析，分析結(jié)果顯示，補(bǔ)強(qiáng)后的錨固橫梁在豎轉(zhuǎn)期間是滿足使用要求的，在理論上是可行的。施工期間應(yīng)重點(diǎn)控制兩側(cè)提升的同步和加載的線性，防止兩側(cè)出現(xiàn)超差現(xiàn)象。

6 關(guān)鍵技術(shù)

6.1 拱形鋼索塔內(nèi)側(cè)提滑組合安裝技術(shù)

豎向提升系統(tǒng)：在主塔承臺中間設(shè)置4個(gè)高79.5 m的4 m×4 m的裝配式塔架作為提升支架；在裝配式塔架頂部設(shè)置提升梁，對稱布置6臺560 t提升油缸；順橋向設(shè)置4組纜風(fēng)繩，每組纜風(fēng)繩設(shè)置2臺200 t連續(xù)油缸；將主橫梁部分節(jié)段移位安裝至主塔約70 m處作為錨固橫梁構(gòu)。

水平牽引系統(tǒng)：在塔底設(shè)置4條滑移軌道，索塔根部設(shè)置2組滑靴，行走方向設(shè)置4臺100 t連續(xù)牽引油缸，反向設(shè)置2組帶緊裝置。

提滑組合安裝原理如圖2所示。

圖2 提滑組合安裝原理

利用計(jì)算機(jī)液壓同步提升系統(tǒng)，按照運(yùn)動(dòng)軌跡方程，通過控制豎向提升系統(tǒng)與水平牽引系統(tǒng)的載荷同步來實(shí)現(xiàn)位移同步，利用位移計(jì)進(jìn)行過程校核，完成鋼索塔的90°滑移提升。

6.2 結(jié)構(gòu)主橫梁節(jié)段移位作為提升錨梁技術(shù)

結(jié)構(gòu)主橫梁節(jié)段移位作為提升錨梁是非常巧妙地利用了原有結(jié)構(gòu)梁作為提升受力構(gòu)件和利用主塔提升裝置將主橫梁安裝就位的新穎方法，大大節(jié)約了單獨(dú)設(shè)置提升錨梁的費(fèi)用和二次安裝主橫梁的措施費(fèi)用，同時(shí)縮短了工期和安全風(fēng)險(xiǎn)，效果明顯。

具體方法為：提升錨梁作為鋼絞線錨固結(jié)構(gòu)，頂面離承臺69.65 m，提升時(shí)隨鋼索塔旋轉(zhuǎn)。錨梁中間21.40 m利用原結(jié)構(gòu)主橫梁，兩側(cè)通過變截面段與鋼索塔焊接。對原結(jié)構(gòu)主橫梁耳板位置進(jìn)行局部加勁，變截面位置預(yù)留配切量，拱形鋼索塔提升完成之后釋放荷載后帶緊提升鋼絞線，進(jìn)行配切，利用提升裝置完成整體下放，二次配切完成后進(jìn)行主橫梁合龍焊接。

6.3 豎向提升與水平滑移同步控制技術(shù)

6.3.1 同步控制技術(shù)分析

在滑靴軸線沿水平方向運(yùn)動(dòng)之后，提升轉(zhuǎn)軸沿豎直方向移動(dòng)，且具有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。假設(shè)，滑靴軸線水平前移x，提升轉(zhuǎn)軸豎直提升y，運(yùn)動(dòng)軌跡為（3 870＋x）2＋（66 538－y）2＝66 6502。

根據(jù)上述分析可得到x與y位移的關(guān)系。那么其豎向提升速度與水平提升速度的關(guān)系與其位移關(guān)系相同（位移對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)），為一圓弧曲線，關(guān)系較為復(fù)雜，很難通過常規(guī)的線性控制方法進(jìn)行模擬分析。通過對x、y行走位移的離散化分析，制定合適的控制策略，確保豎向提升與水平牽引的同步。

6.3.2 同步控制對策

1）采用“位置同步，載荷跟蹤”法[2]。通過距離傳感器，檢測兩側(cè)吊點(diǎn)提升行程，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，確保二者最大差值不超過1 cm；通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測油缸提升載荷，并進(jìn)行超差指示。在同一側(cè)的幾個(gè)提升油缸，壓力并聯(lián)使用，確保平衡梁所受載荷均勻[3]。

2）在水平滑道上安裝帶有刻度的鋼尺，在轉(zhuǎn)鉸處安裝指示桿，派專人進(jìn)行觀測水平牽引位移。同時(shí)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡方程內(nèi)豎直提升高度的反算結(jié)果與水平位移進(jìn)行對比，誤差控制在10 cm以內(nèi)。在水平牽引上面安裝距離傳感器，檢測水平行程，控制人員在提升同時(shí)監(jiān)控水平位移，控制兩側(cè)滑靴位移同步。

6.4 纜風(fēng)體系轉(zhuǎn)換控制技術(shù)

6.4.1 纜風(fēng)體系轉(zhuǎn)換技術(shù)設(shè)計(jì)

豎向提升約22 m后停滯，此時(shí)繼續(xù)提升鋼索塔頂部將與纜風(fēng)繩3干涉，需要進(jìn)行纜風(fēng)繩切換，需要在塔架帶載工況下將纜風(fēng)繩1、3和纜風(fēng)繩2、4進(jìn)行更換（見圖2），以便于鋼索塔的進(jìn)一步提升。對纜風(fēng)繩切換前后進(jìn)行仿真計(jì)算分析，分析結(jié)構(gòu)最大變形和桿件最大應(yīng)力比。

分析結(jié)果顯示：纜風(fēng)繩1、3換纜風(fēng)繩2、4之前的工況下，結(jié)構(gòu)最大變形為56.5 mm，桿件最大應(yīng)力比為0.813；纜風(fēng)繩1、2、3、4同時(shí)預(yù)緊工況下，結(jié)構(gòu)最大變形為36.6 mm，桿件最大應(yīng)力比為0.812；纜風(fēng)繩2、4替換纜風(fēng)繩1、3之后的工況下，結(jié)構(gòu)最大變形為60.5 mm，桿件最大應(yīng)力比為0.819。結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

6.4.2 纜風(fēng)繩更換對策

纜風(fēng)繩預(yù)拉力宜對稱分級施加，更換纜風(fēng)繩前，提升油缸和水平牽引油缸保持鎖緊狀態(tài)，控制鋼索塔空間姿態(tài)保持固定。同步分級預(yù)緊纜風(fēng)繩2、4，同步分級卸載纜風(fēng)繩1、3，再割除纜風(fēng)繩1、3，切割期間對纜風(fēng)繩進(jìn)行導(dǎo)向，避免破壞索塔漆面。纜風(fēng)繩切換時(shí)重點(diǎn)觀測塔架垂直度偏差。切換過程中需對梁山路進(jìn)行臨時(shí)交通管制，在梁山路兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向架，將交通影響時(shí)間降至最短。

6.5 大噸位鋼拱腳雙滑靴設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種大噸位鋼拱腳雙滑靴裝置，分為中間橫梁及兩端滑靴，橫梁用于支撐被滑移體及傳遞荷載；橫梁兩端滑靴在滑移軌道上水平縱向移動(dòng)（水平牽引），滑靴的最外側(cè)設(shè)置防止側(cè)向移動(dòng)的限位裝置。滑靴下半部采用圓弧結(jié)構(gòu)，底板下方及半圓凹槽內(nèi)均采用工程塑料合金MGE滑板過渡；中間橫梁為鋼管，可與滑靴產(chǎn)生豎向擺動(dòng)；上部也是圓弧，與下部結(jié)構(gòu)緊扣固定中間橫梁（圖3）。

圖3 大噸位承力滑靴

滑靴底板與軌道、橫梁與滑靴兩接觸面間均采用MGE滑板過渡，具有良好的彈性和抗沖擊性，能夠較好地消除軌道不平造成的局部高壓帶來的各種危害，增加了結(jié)構(gòu)滑移過程的安全性?；ヅc橫梁鋼管形成滾筒式轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)，可以在滑移過程中實(shí)現(xiàn)橫梁的轉(zhuǎn)動(dòng)，伴隨被滑移體（拱塔）靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

7 結(jié)語

拱形鋼索塔提滑組合安裝技術(shù)解決了拱形鋼索塔主橫梁節(jié)段移位作為提升錨梁、鋼索塔內(nèi)側(cè)提升、豎向提升與水平牽引同步、大噸位承力滑靴設(shè)計(jì)等技術(shù)難題，為更大噸位拱形鋼索塔整體安裝積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)測算，利用部分主橫梁作為提升錨梁節(jié)約費(fèi)用約122萬元，相較于其他施工方式縮短工期約3個(gè)月，有效降低了安全措施費(fèi)用的投入，施工質(zhì)量有較好的保證，經(jīng)濟(jì)效益顯著。