順德大橋索塔智能控制液壓爬升提升機安裝鋼塔與塔吊安裝鋼塔比選分析

黃開開 HUANG Kai-kai

（中交路橋華南工程有限公司，中山 528400）

1 概述

隨著我國交通建設的飛速發(fā)展，跨越江、河的大跨徑纜索支承橋梁——斜拉橋和懸索橋建設需求旺盛，建設規(guī)模與日俱增。斜拉橋由于其結(jié)構(gòu)剛度大、跨越能力強、橋跨布置靈活、造型美觀等特征得到了廣泛應用。我國是目前世界上擁有斜拉橋、懸索橋數(shù)量最多的國家。主跨超過400 米的斜拉橋超過一半在中國，已經(jīng)建成通車的世界主跨跨徑最大的10 座斜拉橋有7 座在中國，主跨跨徑最大的10 座斜拉橋中國占了5 座。國家政策鼓勵和要求推廣適合工業(yè)化生產(chǎn)的預制裝配式混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等建筑體系，加快發(fā)展建設工程的預制和裝配技術(shù)，提高建筑工業(yè)技術(shù)集成水。大跨徑斜拉和懸索橋的索塔越來越多的采用鋼索塔或鋼混組合索塔。

順德大橋主橋全長992.5m，主跨626m。主塔呈H 型，矮塔（D2）塔高151m，分21 個節(jié)段，中下塔柱為鋼-混組合結(jié)構(gòu)（10 個節(jié)段），上塔柱10 個節(jié)段為鋼結(jié)構(gòu)，T11 節(jié)段為鋼混結(jié)合過渡段。高塔（D3）塔高204m，分30 個節(jié)段，中下塔柱為鋼-混組合結(jié)構(gòu)（共14 個節(jié)段），上塔柱15 個節(jié)段為鋼結(jié)構(gòu)，T15 節(jié)段為鋼混組合過渡段。高低塔均設置三道橫梁，如圖1 所示。

圖1 順德大橋橋型布置圖

矮塔下橫梁為鋼-混組合結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)重約678t，距離塔座10.6m。中/上橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，中橫梁重約537t，中橫梁距下橫梁71m，上橫梁重約408T，距中橫梁46m。

高塔下橫梁為鋼-混組合結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)重約723t，距離塔座10.1m。中/上橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，中橫梁重約679t，中橫梁距下橫梁約103m，上橫梁重約495T，距中橫梁約67m。

2 現(xiàn)有鋼索塔施工方案

通過對國內(nèi)外24 座斜拉橋、懸索橋10 座，共計34 座橋梁的索塔施工方案調(diào)查統(tǒng)計。其鋼索塔、鋼混組合索塔施工方法共有5 種，分別為：塔吊、浮吊、轉(zhuǎn)體、履帶吊、懸臂吊機。其占比分別為：74%、52%、4%、13%、4%。

通過調(diào)查統(tǒng)計，海上或者主塔位于河流深水區(qū)域的，采用浮吊的居多；位于陸地的高塔，使用塔吊或懸臂吊機的居多；位于陸地上的低塔，使用履帶吊的居多；拱形鋼塔采用橋面臥拼、整體轉(zhuǎn)體的居多；上述工藝除拱形塔豎轉(zhuǎn)工藝較經(jīng)濟、簡潔外，其他工藝均存在如下不足：

①大型浮吊存在租金高，進退場費用高，浮吊檔期有制約，有吃水深度要求，受鋼塔焊接等因素制約，使用時間長、費用高；

②大型塔吊購置費高，加工周期長，存放場地大，附墻件改制費用高、轉(zhuǎn)場費用高、安拆時間長；以南京三橋MD3600 為例，其購置費需要5000 萬人民幣，存放場地需要8000 平米（以150m 標準節(jié)計算，下同）；浦儀大橋的中聯(lián)3930 塔吊購置費3000 萬人民幣，存放場地需要7000平米；購置新設備需要占用大量資金，財務成本較高；因為各單位鋼塔工程較少、施工不連續(xù)等因素造成設備使用率低，存放成本高昂。

③大型塔吊可租賃設備偏少，租金普遍偏高，進退場時間也需要計算租金。以中晟3600 為例（20 米吊重180噸），進退場費用需要70 萬元，租金每月為65 萬元；中聯(lián)3930 塔吊（20m 吊重200 噸）租金每月100 萬元；由于檔期原因，設備進場時間可能會比預期晚2、3 個月。

④大型履帶吊存在租金高、進退場道路運輸條件要求高、市場可租賃設備少、租賃檔期不匹配等缺點。

⑤塔身鋼橫梁因為重量較大，均需要搭設支架、分塊安裝，增加了支架材料投入和支架安、拆費用，高空作業(yè)增多，安全風險增加。

⑥為降低浮吊、塔吊租金，加快進度，因此塔身節(jié)段焊接操作平臺在每道接縫均需設置，增加了平臺材料投入和安拆成本，增加了鋼塔現(xiàn)場涂裝修補工作量和懸空作業(yè)，增加了平臺安、拆的懸空作業(yè)，安全風險增大；受天氣制約，后期平臺安拆、現(xiàn)場涂裝的工期較慢。

⑦為降低塔吊設備使用數(shù)量，在滿足吊重、吊距的情況下，塔吊一般均布置在橋梁中軸線上，該位置影響橋梁的鋼梁吊裝，必須在拆除鋼塔安裝塔吊、另行配合拉索安裝的小塔吊以后才能進行鋼梁安裝作業(yè)，造成工期增加，成本增加。

3 智能控制液壓爬升提升機安裝鋼塔施工方案

針對順德大橋索塔施工，擬研究一種自爬升鋼塔提升機（以下簡稱塔機），本塔機可以實現(xiàn)順德大橋主塔節(jié)段、鋼塔橫梁吊裝，經(jīng)簡單改造后可用于橋面鋼箱梁的吊裝，能夠滿足主塔及鋼箱梁的拼裝。主體功能如下：

3.1 作為自爬升起重機，用于鋼塔節(jié)段吊裝

塔節(jié)段施工：單塔柱各設置一臺附壁式（順橋向布置）的軌道自爬升懸臂起重機，完成各自的塔節(jié)安裝，如圖2所示。

3.2 索塔橫梁吊裝施工

①將塔機天車坐落于已安裝完成塔節(jié)段頂部，并進行錨固，該階段天車受力將由軌道錨固轉(zhuǎn)移至索塔頂部；②采用雙塔柱塔頂兩臺自爬升起重機的天車同步提升系統(tǒng)，垂直提升橫梁，該階段橫梁為整體提升，如圖2 所示。

圖2 塔機吊裝鋼塔/鋼橫梁/鋼箱梁

3.3 鋼箱梁施工

①在鋼塔施工完成后，將自爬升起重機拆除；

②利用自爬升起重機主體結(jié)構(gòu)及天車同步提升系統(tǒng)重新改造組裝，用于吊裝橋面鋼箱梁，除爬升桁架外，其余構(gòu)件均可共用，如圖2 所示。

鋼塔提升機是一種全新的鋼塔安裝設備和工藝，目前國內(nèi)外還未有先例，具備如下優(yōu)點：

①優(yōu)良的環(huán)境包容度，可以降低浮吊、塔吊、履帶吊等方法對現(xiàn)場條件的要求，工藝適用范圍更廣。

②低廉的成本，經(jīng)過對浮吊、塔吊、履帶吊的自購、租賃等模式成本比較分析，鋼塔提升機具有較大的成本優(yōu)勢。

③為現(xiàn)場條件苛刻的大橋鋼塔安裝提供了一種全新的施工工藝。

④安全風險低，鋼塔節(jié)段焊接平臺與提升機協(xié)同設計，隨提升機移動，不在塔身上焊接作業(yè)平臺，能最快速度提供焊接作業(yè)平臺的同時，還可以減少焊接平臺投入，平臺搭設、拆除懸空作業(yè)減少，現(xiàn)場涂裝修復工作減少，安全風險顯著降低。

⑤提升機構(gòu)件為裝配式設計，安裝拆除容易，設備轉(zhuǎn)場運輸方便、費用低；使用完畢后容易拆除，可作為一般型鋼構(gòu)件用作其他用途，不涉及裝備閑置問題。

⑥總工期更加節(jié)約、可控；突破對大型浮吊、塔吊、履帶吊常規(guī)設備的依賴和租賃檔期的制約，成本自主控制能力更強。

⑦鋼塔提升機研究成果實施后，設備構(gòu)件可重復利用率高，上部主桁架可用于大部分橋梁的橋面吊機，也可以用于掛籃主桁。

⑧該設備可拓展用于幾乎所有懸索橋鋼索塔的提升安裝，上桁架可以作為懸索橋塔頂門架留置使用，減少門架投入。

4 施工方案對比分析

為保證本項目鋼塔施工方案合理及推動鋼索塔發(fā)展，對上述提出的塔吊方案和塔機方案進行比選論證。

4.1 塔吊方案

4.1.1 概述

擬投入設備：高塔STT-3930 裝機高度為222m，臂長50m，STT-3330 裝機高度210m，臂長50m。塔吊主框架中心距離索塔頂端中心14m。共設置6 道附墻。矮塔STT-3330 裝機高度為168m，臂長50m，T-2850 裝機高度156m，臂長50m。塔吊主框架中心距離索塔頂端中心16m。共設置4 道附墻，如圖3 所示。

圖3 塔吊布置示意圖

高塔下橫梁：重量723t，高塔分為9 個節(jié)段；矮塔下橫梁：重量678t，分為7 個節(jié)段。均采用落地鋼管支架進行拼裝，然后與索塔進行連接。中、上橫梁：高塔中橫梁分為7個節(jié)段，上橫梁分為5 個節(jié)段；高塔中橫梁分為6 個節(jié)段，上橫梁4 個節(jié)段。采用牛腿托架進行拼裝，然后與索塔進行連接，如圖4 所示。

圖4 鋼橫梁拼裝支架示意圖

4.1.2 塔吊施工流程

第一步：施工樁基、承臺，預埋定位框架；安裝塔吊，利用塔吊分別安裝T1/T2/T3 節(jié)段。

第二步：安裝T4/T5 節(jié)段；搭設下橫梁支架，拼裝下橫梁，并與索塔連接。

第三步：施工至T18 節(jié)段；在中橫梁安裝位置施工托架，分節(jié)段安裝中橫梁；過程中按塔吊設計要求安裝塔吊橫撐。

第四步：施工至T30；在T30 節(jié)段上施工托架，分節(jié)段安裝上橫梁；利用塔吊安裝塔冠、裝飾塊等，完成索塔施工。

總體流程圖如圖5 所示。

圖5 塔吊施工流程

4.2 塔機方案

4.2.1 概述

順德大橋智能控制液壓爬升提升機由爬架、主梁結(jié)構(gòu)、軌道系統(tǒng)、自爬升系統(tǒng)、天車系統(tǒng)、液壓連續(xù)提升系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)（含電氣控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全保護及監(jiān)控系統(tǒng)、應力監(jiān)測系統(tǒng)、照明系統(tǒng)）等組成。金屬結(jié)構(gòu)的主材采用Q345B。其軌道和通過焊接在鋼塔外壁板上的錨固座連接。

鋼橫梁施工時，先在地面進行拼裝后，然后采用塔機雙機抬吊。

4.2.2 施工流程（以高塔為例）

第一步：北岸采用150t 龍門吊安裝T1-T3；南岸采用汽車吊安裝T1-T3。

第二步：利用履帶吊、汽車吊安裝塔機。

第三步：施工至T18節(jié)段；在中橫梁安裝位置施工托架，分節(jié)段安裝中橫梁；過程中按塔吊設計要求安裝塔吊橫撐。利用塔機安裝T4；下橫梁進場、拼裝利用塔機安裝T5。

第四步：利用塔機整體提升下橫梁安裝。

第五步：利用塔機安裝T6-T22，分貝在T7/T11/T14/T22 節(jié)段設置臨時橫撐，橫撐采用塔吊安裝。

第六步：搭設中上橫梁拼裝支架，拼裝中上橫梁；塔機下移，錨固于T22 節(jié)段頂面；整體吊裝上橫梁，臨時安裝在T19 節(jié)段處；整體吊裝中橫梁，安裝在T17 節(jié)段上。

第七步：安裝鋼塔節(jié)段T23-T30；塔機下移，拆除塔機起重桁架；整體吊裝上橫梁，臨時安裝至T29 節(jié)段；拆除塔機，安裝塔冠，完成索塔施工。

總體施工流程如圖6 所示。

圖6 塔機施工流程圖

4.2.3 塔機方案可行分析

4.2.3.1 對索塔的影響分析

塔機安裝鋼塔時，附著于已安裝完成的鋼塔上，所以針對塔機對鋼塔的影響進行驗算。工況分析：

①5 個鋼塔節(jié)段最不利吊裝工況；

②4 個橫梁吊裝工況；

③風荷載作用下橋塔節(jié)段吊裝及橫梁吊裝。

計算結(jié)果：采用橋塔預偏+5 道橫撐方式進行橋塔施工時，橋塔順橋向變形可忽略不計；橫向絕對偏差最大值為2.4mm，滿足規(guī)范要求，如圖7 所示。

4.2.3.2 塔機本身驗算

分為5 個工況進行驗算，其結(jié)果如表1 所示。

表1 塔機計算工況及結(jié)果

4.3 對比分析

4.3.1 安全性分析

就設備本身來說，塔吊技術(shù)成熟、安全性較高；塔機在做好保證措施的前提下安全性也較高。

吊裝過程中：塔吊速度較快，30 分鐘以內(nèi)可完成吊裝，吊裝過程受外界影響較小，安全性較高；塔機速度慢（30m/h），吊裝時間長，受外界天氣影響可能性較大。

鋼橫梁吊裝時：塔吊高空拼裝，安全、質(zhì)量風險較高；塔機低空或地面拼裝，安全、質(zhì)量風險相對較低。

4.3.2 質(zhì)量分析

鋼塔安裝時：塔吊附墻對鋼塔線型有一定影響；塔機本身對鋼塔線型有一定影響。

鋼橫梁安裝時：塔吊高空拼裝，安全、質(zhì)量風險較高，質(zhì)量不易控制；塔機低空或地面拼裝，安全、質(zhì)量風險相對較低，質(zhì)量易控制。

可得出結(jié)論：塔吊質(zhì)量風險相對較高；塔機質(zhì)量風險相對較低。

4.3.3 適用性分析及對比

4.3.3.1 塔吊適用性分析

①吊裝范圍：在吊裝半徑范圍內(nèi)均能夠起吊，其能夠?qū)崿F(xiàn)縱、橫移動。針對南北岸的鋼塔二次轉(zhuǎn)運其要求相對較低，僅需要轉(zhuǎn)運至吊裝半斤范圍內(nèi)，就能夠進行安裝。在臂長范圍內(nèi)，只要滿足吊重要求，吊裝范圍較大，靈活性比塔機更強。

②吊裝功能：安裝就位后，能夠吊裝其他構(gòu)件，如索塔臨時橫撐、裝飾塊、塔冠、索塔永久電梯安裝、斜拉索安裝等作用，相比塔機其功能較多。

4.3.3.2 塔機適用性分析

①吊裝范圍：塔機吊裝只能是定點起吊，在順橋向方向，吊裝鋼塔節(jié)段時，吊點距離索塔中心距離為14.2m；在橫橋向方向，吊裝橫梁時，吊點也是固定的。

②吊裝功能：僅提供鋼塔節(jié)段和鋼橫梁吊裝，雖設有10T 小吊具進行其他結(jié)構(gòu)吊裝，但因定點吊裝問題，其靈活性及功能性均比塔吊差。若施工現(xiàn)場需要吊裝其他物品，如塔機本身軌道轉(zhuǎn)換、臨時橫撐安裝、裝飾塊安裝、塔冠安裝、電梯安裝等都需要其他吊裝設備，其適用范圍較小。

4.3.4 工期分析

①塔吊：索塔節(jié)段拆分需要增多，至少增加6 個節(jié)段，最多增加34 個節(jié)段，將影響總工期。總工期359.5 天。與提塔機對比主要是中上橫梁支架搭設時間、中上橫梁拼裝時間的差異；

②塔機：考慮機械加工時間和施工時間：總工期343天。相對塔吊方案節(jié)約16 天。與塔吊對比主要是每一節(jié)段塔機爬升、軌道轉(zhuǎn)換、吊裝時間過長的差異。

4.3.5 造價分析

①塔吊：主要為塔吊的租賃費用、中上橫梁支架費用、橋面吊機租賃費用，見表2。

②提塔機：主要塔機加工費用、小塔吊租賃費用，見表2。

表2 造價分析

5 結(jié)論

針對順德大橋索塔施工，結(jié)合橋址環(huán)境、外界因素等，從質(zhì)量、安全、工期、成本、可行性等方面進行分析，最終選擇了塔機施工方案。該方案對優(yōu)化鋼塔施工工藝、提高行業(yè)建設水平具有重要意義。同時可以有力提高公司的成本優(yōu)勢、工期優(yōu)勢，進而提高市場競爭力。支撐中交教團在“交通強國”戰(zhàn)略、“一帶一路”建設上發(fā)揮更大的作用。