空間扭轉非對稱獨鋼塔建造的線形控制技術

劉明友

中鐵上海工程局集團第五工程有限公司 廣西 南寧 530200

1 工程概況

柳州市白沙大橋主橋為單塔雙索面斜拉橋（圖1）。大橋主塔高108 m，正面似門形，側面似倒扣愛心結又似芭蕾舞姿，相對橋梁縱軸為非對稱結構，但相對扭轉后的橫軸呈反對稱（圖2）。塔身軸線由圓曲線及橢圓曲線構成，寓意“傳承與融合”。主塔橫截面為單箱七室的異形截面，采用全鋼結構，共27個節段，節段長度5.0～12.5 m不等，單節段最大質量為206 t，尺寸由塔根的9.8 m×4.5 m扭轉至塔頂的4.5 m×4.5 m。

圖1 白沙大橋跨徑組合

圖2 主塔線形示意

2 空間異形塔線形分析

2.1 線形特點

白沙大橋主塔橫截面為單箱七室的異形截面，共分27節，每個節段間的分界面均為該處塔柱軸線的法向平面。每個節段由面板、腹板、豎板、角板、水平橫隔板、法線橫隔板、鋼錨箱等組成[1-3]。主塔主要特征有：為防止應力集中，塔身截面為八邊形，采用0.65 m×0.65 m傾角過渡；受造型影響，主塔橫截面隨高度上升向縱橫方向傾斜，高程方向按5°/m旋轉；27個塔節段中沒有一個面板和橫隔板是平面的，都是三維扭曲的，尤其是塔頂合攏段，扭轉角達到93.4°。

2.2 線形控制難點

1）初設階段。因扭轉設計，故計算時無法準確把握其截面構造和特性，模型模擬歷經3個月。

2）設計階段。在對結構進行細化設計時，應力集中點多，節段和截面劃分難，截面特征參數無法準確計算；箱室內橫隔板、加勁板的尺寸為非線性變化，規格多，需逐一等間距繪制連接。

3）加工階段。初設和設計階段的難點在主塔節段制造階段更是突出，每一塊板都是三維扭曲面，尤其是塔頂附近單元板和節段，需逐一沖壓和內胎架配合方能滿足線形要求。

2.3 線形控制流程

白沙大橋主塔為全鋼結構，其線形直接影響到結構受力和成橋效果，具有一次性和不可逆性，遠比混凝土結構控制復雜，易形成應力集中區或數據異常區。

1）設計階段。在滿足功能和造型要求的前提下，減少結構變化點數量或突變點，軸線采用圓曲線和橢圓曲線組成，降低建造難度。

2）制造階段。在繪制鋼結構詳圖時，掌握設計意圖和線形控制要點，拋棄傳統作業方式，還原設計思路；按板號明確每一塊板的三維空間參數、驗收參數及檢驗方法，并按匹配姿態參數繪制線形，修正后續節段加工和現場安裝參數。

3）安裝階段。節段匹配解除后運至橋位，節段焊接應力部分消除，應及時量測節段參數，以及時調整安裝工藝；現場安裝時提供穩固的線形調整平臺和微調工裝，采用物聯網技術實時收集姿態數據，快速分析數據，擬合設計和制造階段線形，修正后續制造和安裝參數。

3 鋼塔施工關鍵技術

3.1 圖紙轉化要點

1）白沙大橋鋼塔為全國首個互扭成“麻花”造型的主塔，造型極具創造性和創新性。在圖紙轉化時，每一個板單元和部件都無法從立體圖上摘取。為此，通過掌握AutoPOL、RootExpand軟件功能特點，套用BIM軟件和CASA系統兼容性能，實現扭曲零部件自動展開，協作圖紙轉化，提高圖紙轉化精度，最大程度上實現了原設計理念和效果。

2）按設計參數建立鋼塔模型，塔節段需全部采用三維立體放樣，每塊板的外形尺寸、線形及坡口等均需在三維立體圖中切割數據；因鋼塔節段類型多樣，故在繪制整體圖時，需要為鋼塔每一節段定義符合其結構特點的表達方法；根據每一節段參數重新設計和細化。

3）加工藍圖轉換流程復雜且任務重。軟件自動展開不能得到下料和組拼所需要的控制基線，需手工展開。為實現板單元“扭”的外形，將板單元的四邊形碎片成三邊形；平面展開后，在立體圖中測量碎片間的夾角，標注于平面展開圖上，全橋僅面板需重測108次。節段內外壁板單元為彎扭形狀，出圖時應充分考慮車間胎架制作的影響因素，為車間提供胎架制作數據，并制定相應的制造工藝。彎扭板單元采用壓彎加火焰矯正的工藝。

4）鋼塔壁板寬度超寬，最寬達到了12.5 m，且每個板件均為三維彎扭形狀，按常規備料既不能滿足線形要求，又浪費嚴重。細化時在立體圖中逐節段切割壁板，切割線避開應力集中區和施焊難的區域；切割后記錄切割三維參數及零部件編號，采取三維參數優化組合的方式備料。

5）每一根斜拉索的橫向、豎向夾角都不同，放樣時需從立體圖中測量出施工圖及產品分配表2組不同的工位定位參數，分別適用于車間機械加工和節段組裝。

3.2 節段制造和匹配

1）異形鋼塔節段制造按階段和步驟分為板單元制造及節段拼裝，具體工藝流程為：零部件加工→板單元制造→節段組拼及預拼裝→涂裝。

2）鋼塔節段形狀奇特且內部構造復雜，合理的板單元劃分可以減少焊接和殘余應力釋放，是保證精度的關鍵。具體劃分原則：根據不同厚度鋼板的最大軋制寬度及結構尺寸，有針對性地對不同節段進行板單元劃分；將節段按頂（底）單元、隔板單元、錨箱單元及腹板單元獨立加工后，在特制胎架上預拼成大板單元或構件及零件。

3）鋼塔節段組拼焊接完成后，在無約束狀態下，以相鄰節段基準端和橫基線距離為依據進行長度配切；現場測量相鄰節段與基準線間距離，與理論數據進行對比后得出配切線位置。鋼塔節段匹配時，將其他輪次節段（不多于5節）運至胎架端頭，用三維液壓千斤頂對節段姿態進行調整定位，實時監控定位點的坐標誤差；滿足匹配要求后，予以配切和安裝臨時匹配件。

4）T13、T14節段為塔頂合攏段，兩段截面扭曲近93.4°。為減少逐節段拼裝誤差，制作專用胎架進行整體組拼；采用API激光跟蹤儀監控各壁板上的組裝基準點，以滿足與上一節段的匹配精度要求，過程中重點檢查兩端口尺寸、相對距離、相對扭轉角度；兩端各預留0.8 m長的傾角焊縫暫不焊接，待線形匹配合格后再施焊。

3.3 線形控制保障方案

3.3.1 安裝基準面的選擇

主塔位于柳江航道中，常規鋼結構的安裝方法有散拼法、大型塔吊法、浮吊法、高支架移動門架等。為此，結合本工程實際情況，綜合分析比選如下：

1）散拼法不能滿足鋼主塔線形和結構耐久性要求，質量無法保障。

2）能滿足吊重260 t的大型塔吊全球僅幾臺且是專業單位特殊定制的，其基礎和操作及維護等使用條件十分苛刻，費用過高且工期不能滿足要求。同時因節段重心偏移不定，故大型塔吊法的安裝精度不能實現毫米級調整。

3）柳江為內河，水淺、水壩閘門多，故無法滿足260 t的浮吊進場要求。浮吊作業時須封鎖航道，而柳江水位每天漲幅達1 m且洪水周期長；同時，浮吊無自身動力，遇超大洪水時撤出和控制難度較大，安全風險和租賃費用均較高。

4）高支架移動門架為半剛性結構，安全性和穩定性好，既能提供穩固的安裝基準面又符合柳江施工條件，同時經濟性能適中且構件可回收利用。其主要由鋼管混凝土樁基承臺＋鋼管樁支墩組合框架＋大跨度特制移動桁架橫梁組成。

3.3.2 精調平臺選擇

鋼主塔為空間異形扭曲結構，節段高空對位匹配時需有一個調整靈活穩定的精調平臺。高支架移動門架除能提升穩固的安裝基準面外，還具備上述要求的功能。此功能通過45 m大跨度移動橫梁系統來實現，該系統由可自由橫移與縱移的滑移結構和微調平臺、鋼絞線束及雙向轉動吊具等組成。節段安裝時，通過滑移和微調能夠實現節段平面x、y兩個軸向坐標調整，通過張拉單個吊點鋼絞線束調整節段z軸姿態。

3.3.3 線形控制理論與方法

鑒于白沙大橋特殊的造型和全鋼結構特性，選擇滿足施工安全和工藝要求的線形控制方法可以更好地實現設計意圖。為此，通過對比分析倒拆法、正裝-倒拆迭代法、正裝迭代法、無應力狀態法的優缺點，最終認為無應力狀態法是最適用于白沙大橋的線形控制方法，其基本思路是：假想將多構件組裝的主塔解體，不計溫度和風力等外界因素，只要保證各構件無應力長度和無應力曲率不變，則不論按什么方法和組裝順序，還原后的結構內力、線形都將與原結構一致。按施工步驟和順序用Midas/Civil軟件建立模型，主塔516個單元，主梁304個單元，斜拉索60個單元，分析斜拉索長度和彈性模量、主梁質量、溫度變化等結構敏感性及其影響，計算成橋線形與索力等，按步驟和工況逐一下達監控指令和實時修正。

主塔線形模型如圖3所示，線形控制流程如圖4所示。

圖3 主塔線形模型

圖4 線形控制流程

4 線形控制

4.1 線形控制原則

白沙大橋施工控制坐標系以縱橋向為x軸，橫橋向為y軸，塔高方向為高程z軸。鋼主塔節段為空間扭曲異形構造，節段吊裝時若直接以施工坐標系的坐標參數進行定位，需要根據截面扭轉角和高程z的偏差不斷修正平面坐標（x、y），因三者相互影響，故計算繁瑣，且難以快速評價節段空間姿態的定位精度。經分析，在塔軸線任意豎向高度上假定構建一個正交標架α(z)、β(z)、γ(z)（即以軸心點為原點，截面長軸為x軸，短軸為y軸，法線為z軸），α、β、γ分別對應局部坐標軸的x、y和z，可快速根據實測施工坐標，通過數學方 法轉換為局部坐標系的坐標，以評判定位精度。

4.2 線形控制內容

1）節段精確定位。在異形鋼塔節段安裝中，按照各節段目標控制線形對每個節段的空間位置進行精確定位，確保主塔安裝線形滿足控制精度要求；同時通過控制鋼塔橫向臨時內支撐軸力以及臨時預應力斜拉力的調整，可以確保塔柱的空間線形和整體姿態穩定。

2）應力監測與反饋。鋼塔節段安裝中，在塔底和橫梁等關鍵部位布置應力傳感器，對施工過程中鋼塔的應力與應變進行實時采集，尤其是對最大懸臂和因扭轉重心偏移超限等受力不利工況和階段進行重點監測。數據采集應用物聯網技術。

4.3 線形控制效果

鋼塔節段安裝精確匹配后，實測絕對標高“放樣實測值”與“按目標折角β換算得到理論值”之間的誤差應控制在10 mm以內；同時兼顧上下節段間焊縫匹配間隙。主塔線形滿足設計和規范要求。

5 結語

隨著經濟社會的發展，人們對生活環境要求越來越高，從而對建筑“美”的要求也日益提升，既要求建筑滿足基本功能要求，又要求其具備更多的生活元素。白沙大橋鋼主塔的造型，側面猶如“芭蕾舞者在柳江上致謝市民”，雖在造價上有所升高，但賦予建筑“靈氣”和“動感美”，將建筑與周邊環境有機結合，打造了一道風景線和城市名片——柳州之門，為城市品質提升增添色彩。

造型奇特的建筑物大多為鋼結構，使用壽命有限。若能在結構材料耐候性能上有所突破，那在造價和功能上將更上一層樓。