內薄壁鋼圓筒索塔塔身施工關鍵技術

黃啟欽，李莘哲，秦振輝

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

懸索橋由于具有跨越能力大、抗震性能好、經濟美觀、能充分發揮高強度鋼材承載能力等優點而日益成為特大跨度橋梁的首選橋型。索塔是懸索橋最主要的受力結構，具有施工難度大、周期長、精度要求高等施工特點[1]。索塔塔柱建設常用爬模與內模板、支撐架與拉桿安拆的施工工藝[2-4]，該工藝施工過程繁雜，對施工安全與結構外觀線形有不利影響[5]。本文以龍門大橋為工程背景，分析內薄壁鋼圓筒的施工特點與效益，為今后同類設計提供有益參考。

1 工程概況

廣西濱海公路龍門大橋是目前廣西在建的最大跨徑橋梁，位于廣西壯族自治區南部的欽州市境內，包括三座大橋及一座立交，按雙向六車道一級公路標準建設。其中龍門大橋主橋為單跨吊懸索橋，一跨過海，采用門式混凝土索塔，塔高為174 m，主跨為1 098 m，鋼箱梁橋面寬38.6 m。龍門大橋BIM模型如圖1所示。

圖1 龍門大橋BIM模型圖

本文主要以龍門大橋主橋東索塔為例。東索塔采用門式造型，塔柱高程范圍為+4 m～+172.4 m，截面尺寸由8 m×10 m(橫橋向×順橋向)過渡到8 m×8 m；內腔為直徑6 m的圓形，橫橋向壁厚由塔底到塔頂均為1.0 m，順橋向壁厚由塔底1.911 m過渡至塔頂1.112 m。塔柱采用液壓爬模工藝[6]，按6 m一個標準節，共分30個節段施工，東索塔節段劃分如表1、圖2所示。

表1 主塔節段劃分表

圖2 主塔節段劃分圖(mm)

2 內薄壁鋼圓筒施工關鍵技術控制

2.1 內薄壁鋼圓筒及內支撐架構造

以內徑為6 m、壁厚為16 mm的鋼圓筒代替索塔內模，并用剪力釘與混凝土索塔相連，鋼圓筒的構造如圖3所示。其中，剪力釘不但使鋼圓筒能更好地與混凝土結合，而且減少了鋼圓筒的變形。此外，鋼圓筒筒壁采用Q235A鋼材[7]，其材料的抗拉強度、屈服強度、冷彎試驗、伸長率等技術指標均符合國家現行標準與規范。剪力釘的各項技術指標均滿足《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》(GB10433-2022)[8]的要求。

由于鋼圓筒內徑大、壁厚小，屬于大型薄壁結構，在運輸、吊裝與混凝土澆筑等過程中易發生較大的彈性變形，造成結構失穩。因此需要設計內支撐架對鋼圓筒內側進行支撐。內支撐架主要由豎向支撐骨架、橫向圓弧支撐骨架、可調撐桿與中心支撐圓筒等部件組成，其構造如圖4所示。其中，橫向圓弧支撐骨架為豎向支撐骨架提供支撐反力點，調節可調撐桿令支撐架更貼合圓筒。故內支撐架可為鋼圓筒提供強力支撐，可有效降低圓筒在吊裝、定位與混凝土澆筑等過程中產生的變形量，增強圓筒結構穩定性。此外，將標準段為6 m的鋼圓筒與內支撐架一分為二，每段為3 m，且單段鋼圓筒按周長三等分加工為弧形板單元，不但有利于降低材料在運輸中發生變形，也更便于鋼圓筒單元現場拼裝，節省施工時間。

圖3 鋼圓筒構造圖(mm)

圖4 內支撐架構造圖(cm)

2.2 內薄壁鋼圓筒工藝流程

2.2.1 工廠預制

鋼圓筒片與內支撐架在加工廠預制完成后開始預拼裝與打磨，并對鋼圓筒內側進行油漆防腐，先后使用環氧富鋅底漆與環氧樹脂漆進行噴涂，使其形成防腐涂層。

2.2.2 塔下拼裝

將鋼圓筒與內支撐架通過平板貨車運送至現場，將兩段內支撐架拼裝完成后，第一段鋼圓筒片拼裝至內支撐架上并用法蘭螺栓進行連接，在快速拼裝完成后進行圓筒片之間錯臺與拼縫的校正微調，在滿足設計要求后對圓筒片進行焊接。3片鋼圓筒片會形成3條豎縫，在塔下拼裝時，只需把其中兩條豎縫焊接完畢，預留一條豎縫，到塔上安裝鋼圓筒時經過調節再進行焊接。根據上述方法拼裝第二段鋼圓筒片，即可組成高6 m、直徑為6 m的塔身施工標準節段鋼圓筒。

2.2.3 塔上安裝

鋼圓筒與內支撐架在適當的支撐加固下起吊至塔身整體安裝并對其進行標高控制，使鋼圓筒頂面平面與塔身之間相互垂直，這有利于后續的標準節段施工。由于要求圓筒底水平偏位≤10 mm，鋼圓筒的傾斜度誤差不大于塔高的1/3 000且≤30 mm，同時鋼圓筒軸線偏差≤±10 mm，當現場復核驗收無誤后方可與上一節段鋼圓筒進行焊接。焊接完成后，通過調節可調撐桿使得內支撐架頂緊貼合鋼圓筒內側，提供強力支撐。

2.2.4 澆筑與拆模

塔身混凝土澆筑時，要求逐層進行均勻澆筑，使圓筒受力均勻。脫模時，先將可調撐桿向中心收縮350 mm，然后將整個內支撐架下放50 mm再將其向上提升出來。

2.2.5 循環施工

重復鋼圓筒的預制、拼裝、焊接與施工等步驟，直至S3～S25節段施工完成。

2.3 索塔塔柱施工控制

目前，懸索橋塔柱由于高度大，往往采用空心塔柱的設計形式，常用爬模+臨時支架的施工工藝。由于塔柱的施工過程中往往伴隨著高空作業，且塔柱標準節段數量多，施工人員在空心塔柱內重復地對傳統的臨時支架進行安裝與拆卸，施工工藝過程繁復，安全風險大，施工工期長。而且，傳統內模板在重復使用的過程中，難以保證其支撐與拉桿安裝位置均勻一致，會導致空心塔柱內的混凝土外觀質量變差。因此，為了降低塔柱內腔混凝土的線性變形與減少安全隱患，龍門大橋東索塔采用內薄壁鋼圓筒施工工藝以確保塔柱的施工質量。其中，內薄壁鋼圓筒施工工藝具備以下特點。

2.3.1 機械化程度高，降低工人勞動強度，縮短工期

鋼圓筒與內支撐架在加工廠預制，在現場焊接完成即可整體吊裝至施工節段，并與上一段外露的鋼圓筒進行焊接，減少模板的拆解與安裝工序，大大節省施工時間。

2.3.2 改善作業環境

鋼圓筒焊接完成后，鋼圓筒內的內支撐架不但可為鋼圓筒提供強力支撐，減少鋼圓筒在施工過程的變形，還可以作為施工作業平臺，降低高空作業的安全風險。

2.3.3 有利于保證施工質量

相較于傳統模板，鋼圓筒在施工完成后可留存于塔柱內部，保證了塔柱內混凝土外觀質量。

2.3.4 適宜推行

施工工序較少，技術難度不大，適應性強，可進行廣泛應用。

3 效益分析

3.1 技術效益

龍門大橋東索塔首次將內薄壁鋼圓筒應用于塔柱施工，不但有效控制了塔柱內部混凝土的外觀質量，而且減少了施工工序，縮短了工期。一段6 m的塔柱標準節段的施工時間不足9 d，可見施工效率之高。同時，內薄壁鋼圓筒索塔塔身施工技術的應用，解決了索塔高空施工中存在的安全風險高、難度大、速度慢等突出問題，保證了索塔施工建設的安全、效率與進度。并且，內支撐架不僅能為鋼圓筒提供強力支撐，還可以作為施工人員的工作平臺，進一步降低高空作業的安全風險。此外，相較于傳統模板施工，鋼圓筒施工技術結合無拉桿液壓爬模系統，可更好地解決塔身施工精度要求高的難題。經測量可知，塔身的整體軸線偏位可控制在7～12 mm，顯著低于設計要求的15 mm。而鋼圓筒的水平偏位<8 mm，明顯低于設計要求的10 mm。由此可見，隨著內薄壁鋼圓筒施工技術的應用、總結與推廣，有助于提高索塔施工的技術標準與建設單位的施工技術水平，并為建設行業提供全新的技術手段。

3.2 經濟效益

由于內薄壁鋼圓筒施工技術可明顯減少工序，縮短施工時間，在提升質量與效率的同時降低了經濟成本。在龍門大橋施工過程中，因技術改進而節省的費用支出達到了276萬元，給建設單位帶來了良好的經濟效益。

4 結語

本文以龍門大橋主橋東索塔為工程研究背景，分析了內薄壁鋼圓筒的施工特點與效益。該技術的應用可明顯降低高空作業安全風險，提升施工效率，降低經濟成本，有效控制塔柱施工精度，保證塔柱的外觀質量，具有良好的技術效益與經濟效益，可為同類橋梁工程索塔提供有益的施工技術參考。