海灣橋80m高三維曲線鋼結構景觀塔制作及安裝技術研究

雒煥斌，徐海杰

（中國電建市政建設集團有限公司，天津300384）

1 工程概況

煙臺金山灣大橋上部結構采用14m×35m預應力連續(xù)小箱梁，橋梁全長498m，下部結構采用組合臺、柱式墩，基礎采用混凝土鉆孔灌注樁[1]。景觀橋塔位于橋梁中部9號墩處，橋塔順橋向設計為“風帆”，造型獨塔，橫橋向設計為“A”字形塔，塔墩梁固結，自上而下由塔柱、人行道平臺及橋墩3部分組成，橋面以上部分為塔柱，由4根曲線鋼箱塔柱構成，合龍于塔頂處，橋面以上塔柱高80m，整體重874t。鋼箱橋塔從塔底至塔頂根據(jù)結構受力情況鋼箱截面鋼板厚度分別采用28，24，20mm，箱室內布置縱向加勁肋、橫隔板（臨時工作平臺），縱向加勁肋斷面為200mm×16mm，橫向加勁肋和橫隔板厚度16mm[2]。

2 工藝特點

該工程鋼結構景觀塔制作與安裝技術主要有以下特點。

1）利用工藝胎架按照鋼塔設計線形進行加工制造。

2）塔身制作合理分段，優(yōu)化吊裝設備配置，減少吊裝設備投入。

3）采用碼板穩(wěn)固定位與高精度全站儀監(jiān)控相結合的方法，實現(xiàn)了鋼塔分節(jié)安裝、高空精確定位的目標，使安裝誤差控制在規(guī)范允許范圍內。

4）采用自制的拼拆式掛籃和箱內橫隔板臨時工作平臺，操作人員箱內作業(yè)與箱外輔助作業(yè)相結合的施工方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)腳手架作業(yè)平臺，不僅大大降低了施工安全風險，而且減少了工程措施費的投入。

3 鋼結構塔身制作

3.1 鋼結構塔身分段設計

鋼結構景觀橋塔既高又重，不能一次性整體吊裝，因此塔身在工廠內制作時要根據(jù)構件的結構形式及現(xiàn)場最大起重量分成鋼混結合段、中間塔段及塔頂3部分進行加工，每段又分成若干個單元構件，每個構件的制作要考慮運輸條件、設備吊裝能力、橫隔板焊接位置等（橫隔板距端口的距離滿足人員操作需要，即在0.6～1.6m）。根據(jù)以上條件及現(xiàn)場吊裝方案將整個鋼塔按照塔柱、縱梁、橫梁、塔頂?shù)戎饕课环譃?5個單元塊[3]，中間塔柱部分最大吊裝節(jié)重約41t，塔頂部分最大吊裝節(jié)重約57t。

由于鋼塔為異形曲線形設計[4]，因此制作時需找出每節(jié)鋼箱的重心位置，從而確定吊點的具體位置，使吊鉤通過鋼箱重心，以確保構件吊裝時的中心線與設計中心線吻合，保證上下段鋼箱吊裝時搭接面基本平行，因此廠內鋼箱加工制作時，需對每節(jié)鋼箱的重量分布進行分析，針對每個吊裝構件繪制“吊耳位置圖”，掛籃吊耳設置于每段鋼箱外壁頂部，每個側面設置2個。

3.2 塔身鋼結構廠內加工

3.2.1 胎架制作

為確保塔身鋼結構制作精度，先要制作胎架，胎架按用途分為單元節(jié)胎架和合箱胎架，合箱胎架是分段裝配中的重要專用工藝裝備，其表面線形與鋼塔分段的外表面相吻合，使鋼塔分段的裝配和焊接工作具有良好的條件，減少分段脫離胎架后的焊接變形和支承鋼塔分段重力。胎架制造前要繪制設計圖紙并經核準后方可進行胎架制作，胎架制作完成后復核胎架控制點坐標，校核合格后投入使用。

3.2.2 鋼結構加工

鋼結構主要工藝流程：零件下料→單元件制造→立體組裝→涂裝。

零件下料采用預加補償量一次下料的工藝方案，預加補償量為100mm，分別設置在塔頂、縱梁及橫梁端口處[5]。

梁段各單元在專用胎架上制作，以滿足全橋不同單元件制作的需要；立體單元在專用胎架上進行制作，采用正裝法組裝。

鋼結構加工采用成組制作技術，對各單元端口尺寸進行統(tǒng)一控制，以提高單元件的制作精度。

4 吊裝設備選擇與吊裝平臺布置

本工程鋼箱景觀橋塔按照鋼混結合段、中間塔柱段及塔頂3段進行吊裝，根據(jù)每段吊重需選擇1臺100t汽車式起重機和1臺400t履帶式起重機，汽車式起重機主要用于吊裝鋼混結合段構件，履帶式起重機吊裝中間塔柱段和塔頂段。另外，還應結合現(xiàn)場條件修建吊裝平臺和起重機進場道路，具體沿大橋南北兩側各修建1處工作平臺及場區(qū)運輸?shù)缆罚糜谄鹬貦C行走作業(yè)及構件堆放，北側工作平臺頂面有效長度80m、寬度24m，南側工作平臺頂面有效長度130m、寬度26m，工作平臺迎水面堆筑2m厚塊石進行邊坡防護，防止水流沖刷，塊石護坡頂面高出正常水位0.5m。

5 鋼結構塔身分段安裝

5.1 鋼混結合段安裝

鋼結構景觀橋塔下端固結于人行道平臺內，在人行道平臺、橋墩的連接處設鋼混結合段，并采用預加應力的方式保證鋼塔上的內力平順傳遞到下部結構[6]。為提高鋼混結合段傳力的可靠性，將首段鋼箱伸入混凝土內0.5m，采用PBL剪力鍵與混凝土相連：通過1 500mm長鋼板伸入混凝土下塔柱，上開50mm圓孔，圓孔內插入22螺紋鋼筋。

鋼混結合段鋼箱采用100t汽車式起重機吊裝，鋼箱就位后在橋面上用全站儀跟蹤定位，人工輔助起重機就位。第1段鋼箱安裝時，下部先用墊木塊及木楔進行粗略調整，然后在鋼箱底部4個角各安裝1個千斤頂，在全站儀精密觀測指揮下，通過調整每個千斤頂實現(xiàn)精確定位。鋼箱精密定位完成后，在鋼箱底部4個角位置與橋墩4根勁性骨架焊接，實現(xiàn)鋼箱固定（見圖1）。

圖1 鋼混結合段安裝定位

5.2 中間塔段安裝

1）采用起重機+掛籃+箱內作業(yè)平臺的施工方案安裝中間塔柱因中間塔柱較高，且海邊風速較大，安裝腳手架操作平臺很困難，以及后期拆除腳手架操作平臺存在極大的安全風險，甚至無法拆除，因此中間4個塔柱均采用掛籃輔助安裝。掛籃在橋面圍繞鋼混結合段鋼箱進行組裝，組裝完成后施工人員通過鋼箱內側檢修梯爬到頂部，并在鋼箱頂部橫隔板位置采用木跳板封閉人孔，形成臨時箱內作業(yè)平臺，人工配合起重機將全部8根鋼絲繩固定于第1段鋼箱掛籃吊耳處，掛籃的每個吊點均采用2根鋼絲繩進行冗余連接，以滿足掛籃在不同箱段之間的過渡操作。將帶有掛鉤的爬梯與塔柱進行焊接，施工人員通過爬梯進入掛籃內進行作業(yè)，掛籃設有倒鏈提升系統(tǒng)，并在鋼塔縱橫梁對應位置采用可開啟式結構設計，以穿越鋼塔縱橫梁。施工人員進入掛籃后，通過倒鏈將掛籃緩慢提升到環(huán)縫位置，然后用400t履帶式起重機吊裝上層鋼箱，通過掛籃平臺施工人員及箱內人員配合，完成鋼箱定位、焊接等工作[7]。箱內作業(yè)平臺及掛籃如圖2所示。

圖2 箱內工作平臺掛籃提升

采用掛籃輔助安裝時，還需配置1個特制的掛梯，掛梯采用10號角鋼作為主體桁架，梯子采用7號角鋼連接，掛梯外側采用10圓鋼每米設1道防護，每道防護豎向互相連接，梯子寬1m，長15m，可伸縮，每段連接方式采用栓接以便于現(xiàn)場靈活使用。可調掛梯如圖3所示。

圖3 可調掛梯

2）中間塔柱定位塔柱定位分2步進行：[1]在廠內預拼裝定位；[2]在現(xiàn)場安裝定位。

在車間分段制作鋼塔時，在地面進行相鄰分段的預拼裝，每個鋼箱拼接面至少取3個坐標點，在相對坐標系統(tǒng)內采用全站儀進行精確定位，預拼裝完成后，以全站儀為主、鋼尺復核的方式，對上下截面相應位置的4個空間角點的相對坐標進行檢測。在廠內立體組裝時運用水準儀進行鋼塔組裝胎架各支撐點的測量校核，采用激光經緯儀及全站儀對鋼塔組裝精度進行全程控制測量，主要檢查長度、寬度及端口尺寸、四角標高、塔壁頂（底）板定位線與胎架標記線的重合度，確保組裝后的尺寸、坐標及線形符合設計要求。

預拼裝檢測合格后，在鋼箱拼接面內壁每側焊接2個連接件，拼接面位置處共設置8對連接件（尺寸為300mm×250mm×20mm），用于現(xiàn)場安裝定位。連接件由碼板和銷釘組成，安裝塔柱時利用起重機和鋼塔自身截面臨時定位后，調節(jié)鋼箱，使8對連接件的銷釘孔全部對中，利用臨時連接的銷釘進行連接定位，然后用全站儀進行空間坐標復核，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，施工人員根據(jù)需要，在鋼箱內部環(huán)縫上下位置焊接豎向Q235調整鋼板（尺寸為300mm×200mm×20mm），用千斤頂進行微調，精度滿足要求后施工人員在內部將碼板進行永久性固定。用上述方法逐節(jié)完成塔柱的安裝和空間定位，如圖4所示。

3）中間塔段縱、橫梁安裝待中間塔柱環(huán)縫焊接位置由第三方檢測合格后進行縱梁或橫梁安裝，施工人員將掛籃提升至縱梁或橫梁位置，由起重機將縱、橫梁吊至安裝位置，用碼板臨時固定進行定位安裝（縱梁和橫梁上均做類似于支架平臺的防護，以便進行摘鉤和切除吊耳作業(yè)）。

圖4 節(jié)段連接端口設置碼板、千斤頂微調

6 塔頂安裝

塔頂部分共分為3個構件，其中最大構件重57t，構件均在廠內焊接完成，現(xiàn)場采用400t履帶式起重機吊裝。

1）塔頂下段吊裝前，將塔頂工作平臺焊接在塔頂下段頂部與塔頂下段一同吊裝。平臺底部鋪設3mm厚的扁豆紋鋼板，外側用3mm彩鋼網圍護，每隔60cm設置底桿、直腹桿及斜腹桿。

2）塔頂下段安裝完成后，根據(jù)施工需要在適當位置開工藝孔，塔內人員通過工藝孔進入塔頂平臺內，然后采用400t履帶式起重機吊裝塔頂上段，施工人員通過塔頂平臺與塔內人員配合進行焊接作業(yè)，采用連接件進行粗定位和精確定位，與中間塔柱定位方式相同。鋼塔上段安裝好后，施工人員通過工藝孔進入鋼塔內部，采用陶瓷襯墊單面焊雙面成形技術封堵工藝孔，施工人員通過內部檢修爬梯下到地面，鋼塔上段安裝完成。塔頂安裝如圖5所示。

圖5 塔頂安裝

7 結語

采用本工藝施工不僅可減少設備和人員投入，而且可節(jié)約成本，施工方法簡便。利用滑動式掛籃和可調式掛梯，并借助箱內臨時作業(yè)平臺實現(xiàn)空中定位和焊接作業(yè)代替?zhèn)鹘y(tǒng)腳手架，大大降低了施工安全風險。在鋼箱端口四角設置坐標反光貼進行測量監(jiān)控，不但操作方便，還可隨時進行監(jiān)控并調整鋼箱位置，確保了鋼箱安裝精度。該技術通過在煙臺金山灣大橋的成功應用，為今后類似工程的實施積累了寶貴經驗。