雙索面無背索斜拉橋拱形鋼結構索塔施工技術探討

【摘要】以青蘭溝斜拉橋索塔安裝為例， 對無背索斜拉橋的鋼結構索塔從索塔節段劃分、臨時支撐方案選定、吊裝機械選型、吊裝施工作業等施工準備及關鍵施工工序進行概述及分析。

【關鍵詞】斜拉橋； 鋼結構； 拱形索塔； 施工技術

【中圖分類號】U448.27【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-02-07

［作者簡介］田煥祥（1985—），男，本科，高級工程師，一級建造師，一級注冊造價工程師、監理工程師，主要從事公路、市政工程施工管理工作。

0 引言

怡心湖CD市政道路項目青蘭溝斜拉橋索塔采用雙索面無背索拱形鋼結構，在滿足基本使用功能的同時造型獨特、新穎，與周圍環境協調。因索塔為雙索面無背索拱形鋼結構，其施工方法有別于常規施工方法，具有一定的代表性和指導性。文章以青蘭溝斜拉橋索塔安裝為例，對無背索斜拉橋的鋼結構索塔從索塔節段劃分、臨時支撐方案選定、吊裝機械選型、吊裝施工作業等施工準備及關鍵施工工序進行概述及分析。

1 工程概況

怡心湖CD市政道路項目K3+937.117青蘭溝大橋為跨越規劃青蘭溝而設，為雙索面無背索斜拉橋（拱形索塔），橋梁全長108.16 m，全寬38.5 m。橋梁主梁采用全鋼、全焊接、正交異性橋面板的縱橫梁格體系，全橋設置三根縱梁，縱梁間距12.875 m，順橋向每隔4 m 設置一道中橫梁（縱梁之間）與外挑懸臂橫梁（縱梁之外）。索塔附近因塔梁固結需要將縱梁下翼緣聯成整體，形成閉合箱梁，提高其整體抗彎、抗扭能力。拱形索塔采用鋼箱結構形式，由長軸為52.498 5 m、短軸為12.875 m的橢圓順時針繞橋梁徑向旋轉31°形成，垂直高度54.5 m，其中主梁頂板以上部分為45 m，頂板以下部分為9.5 m；索塔順橋向寬度3～12 m，橫橋向主梁頂板以上部分2.25 m，頂板以下部分2.25～4.5 m；索塔鋼板厚度10～30 mm。索塔鋼箱內填充C30 微膨脹混凝土配重，同時通過焊釘與鋼結構結合成一體，部分參與結構整體受力。斜拉索采用雙索面豎琴形布置，全橋共計6對拉索，水平夾角25°。斜拉索采用整束預制、現場安裝的7 mm 平行鍍鋅高強鋼絲（1860 MPa）。斜拉索設計使用年限為30年（圖1、圖2）。

2 索塔施工方案

綜合考慮橋梁現場施工條件、項目所在地周邊鋼結構專業分包單位綜合能力及運輸條件、施工工期、施工綜合成本等因素，確定索塔采用分節段在鋼結構加工廠制造、運至現場焊接成型、重型履帶吊吊裝就位的方案。

2.1 節段劃分

索塔呈拱形結構，與鋼箱梁橋面斜交59°，單側4個節段，共8個節段，分別為左側1#～4#節段和右側1#～4#節段，其中1#節段在鋼箱梁橋面的以下，2#～4#節段在鋼箱梁橋面以上。作為鋼箱梁和索塔的主要承載構件，在主梁安裝前就預先安裝在1#承臺并與索塔預埋件進行焊接定位。2#節段接口在1#節段穿過鋼梁的橋面延長線上，2#～4#節段共設置6對拉索與鋼箱梁進行拉接。索塔節段劃分如圖3、圖4所示，各節段參數見表1。

2.2 現場安裝

索塔1#節段（橋面以下）：索塔1#節段梁段長8.979 m，組合重量約43 t，整體布置在鋼橋面以下，與承臺頂埋件連接。由廠內加工完成運至現場，利用單臺履帶吊吊裝就位。

索塔2#～4#節段（橋面以上）：在橋面及2#橋臺區域搭設索塔組裝胎架或支架，索塔節段依順序運輸至現場后逐節段進行組裝焊接，在胎（支）架上合攏為半橢圓拱；2#～4#節段整體拼裝為半橢圓拱垂直高度45 m，組合后總重約297.6" t，四臺吊車分布在兩側施工道路上對索塔進行整體吊裝；索塔就位安裝塔背支撐斜桿，待斜拉索安裝就位后并進行初張拉后拆除塔背支撐及梁下支撐。

2.3 機械選型

綜合考慮現場吊裝條件、索塔拼裝成型后總重量、最大吊裝高度、吊裝半徑、吊裝機械額定起重量及輔助設備重量，吊裝機械選型如下。

索塔1#節段：選用1臺XGC300t-Ⅰ進行吊裝作業。XGC300t-Ⅰ工作半徑16 m，臂長37 m，額定起重量96 t。

索塔2#～4#節段：整體吊裝選用兩臺XGC400t-Ⅰ履帶吊和兩臺汽車吊QY130t進行吊裝作業。XGC400t-Ⅰ履帶吊工作回轉半徑9 m，臂長48 m，額定起重量240.4 t；QY130t輔助吊車工作回轉半徑8 m，臂長25.42 m，額定起重量56.5 t。XGC400t-Ⅰ履帶吊為主吊車，承擔構件的絕大部分載荷；QY130 t汽車吊為輔助吊車起水平喂梁和調整索塔姿態作用。鋼絲繩選擇GB/T20067 - 2017《粗直徑鋼絲繩》規定的6×61類112 mm的鋼絲繩， 卸扣選用額定起重量為120 t的D形卸扣GBT25854-2010《一般起重用D形和弓形鍛造卸扣》作鋼絲繩與吊重之間的連接。

3 吊裝前準備

3.1 梁下臨時支撐

索塔2#～4#節段吊裝就位后需在塔背設置一對臨時斜撐，為避免鋼箱梁集中受荷對鋼箱梁產生不利影響以及為鋼箱梁吊裝、焊接提供拼裝平臺，需在鋼箱梁下部設置臨時支撐。梁下臨時支撐采用“鋼筋混凝土樁+鋼柱+橫梁+短柱”結構。由于橋梁現場河道尚未形成、場地地質條件較好，鋼箱梁臨時支撐結構采用在河道斷面開挖后設置臨時支架和拼裝平臺架設的方案。臨時支撐平臺在索塔安裝就位、拉索安裝并一次張拉完成、塔內C30微膨脹混凝土灌注完成后拆除。

鋼箱梁主跨70 m，邊跨26 m，縱向分為4個節段（A、B、C、D節段）、橫向分為7塊，在梁段的前部、中部、尾部分別設置1200 mm鋼筋混凝土+ D609×16 mm鋼管樁作為支撐，樁基標號C30。因索塔正下方支架設置鋼管樁需加密，全橋共設置9榀支架（54根樁塊）。其中70 m跨設置6榀樁，每榀6根；邊跨設置3榀，每排6根樁；樁采用旋挖鉆孔施工，樁長12 m。鋼管樁通過在混凝土裝訂預埋鋼筋的方式連接。預埋鋼筋為22 mm圓鋼，預埋鋼筋長度0.6 m，每處8根；預埋板厚度25 mm，直徑70 cm；鋼管柱材質Q235B，規格為D609×16 mm，柱頂用2 cm厚鋼板封頭；鋼管柱頂控制高程465.590 m；每排鋼管柱上設置雙拼工40B橫梁，橫梁與柱頂封頭板焊接固定（柱頂橫梁上下翼板、腹板間焊接加勁肋改善橫梁支點受力）。雙拼工字鋼上拼接不同長度的短柱以滿足主梁縱坡變化需要；寬度較大的相鄰兩排鋼管柱間設16B槽鋼斜撐。樁布置及支撐示意如圖5～圖7所示。

3.2 吊耳設置

利用三維建模確定構件的重心，確定吊耳具體位置（圖8、圖9）。共設置2組4個吊耳。第一組吊耳設在距塔底8.95 m處，第二組吊耳設在距塔頂21.82 m處，同組吊耳居中對稱布置。吊耳與索塔蓋板熔透焊接，內部焊接筋板加強處理，在廠內相應節段索塔加工時同步焊接成型。

3.3 胎（支）架搭設

按照索塔分段方案及吊裝方案布置索塔胎架及支架。胎架布置在橋面區域，高出橋面50 cm，便于索塔下方焊接作業。橋面共設置12道HW300×300×10×15型鋼橫梁，單根橫梁長4 m，橫梁上用短接工40B型鋼補償橋面橫坡1.5%影響。支架設置在2#橋臺搭板位置。因2#橋臺區域高差較大，需根據地面高程預先制作鋼筋混凝土基礎（C30混凝土，尺寸4 m×3 m×0.5 m），在基礎上立兩組支架，支架上方設置HW300×300×10×15型鋼橫梁，橫梁上方短接工40B型鋼，長度70～100 cm，具體長度依據測量數據確定。胎架及支架安裝頂面標高調整綜合考慮橋面縱坡、橫坡及塔背尺寸變化等數據，確保索塔拼接時索塔底部（即安裝就位后的背部）水平，經測定無誤后按順序利用汽車吊輔助將各節段索塔焊接拼裝成型。索塔胎（支）架布置圖及結構圖如圖10～圖12所示。

3.4 拱腳限位裝置

考慮到索塔吊裝就位后，拱腳的精確對中需要，在鋼橋面上焊接“U”形限位裝置對拱腳進行限位。限位成功后用液壓千斤頂精確調整拱腳的位置。一側布置一組限位裝置，限位塊分別布置與拱腳小里程側和拱腳外側，共制作兩組。限位裝置布置如圖13所示。

3.5 塔背撐桿設置

索塔用吊車安裝就位后，經檢測達到索塔預偏角要求后，在拱兩側設置一對撐桿對索塔進行臨時支撐。撐管直徑630×16 mm，材質Q235b，長度約20.43 m，自重約50 t，預先焊接吊裝耳板。撐管上部通過耳座著力于索塔隔板與腹板的交點，耳座與撐管采用鉸接連接；撐管下部著力于設置在鋼梁橫隔板上的分配橫梁。分配橫梁由四根H300×300×10×15型鋼并排拼裝而成，型鋼下翼板與橋面板焊接固定，上翼板分段焊接形成整體，一側布置一組分配橫梁，分配梁上設置與撐桿相連的底座。撐桿布置如圖14所示。

4 索塔吊裝

4.1 1#節段安裝

索塔1#節段梁段長8.979 m，正面由4.5 m漸變到2.682 m，側面由12 m漸變為7.951 m，組合后重量約43 t，整體布置在鋼橋面以下，與承臺頂埋件連接。吊裝選用1臺XGC300 t-Ⅰ進行吊裝。XGC300 t-Ⅰ工作半徑16 m，臂長37 m，額定起重量96 t，吊裝作業前在橋梁上下游修筑臨時便道，吊車站位位置作加強處理并進行承載力測試。節段吊裝就位后進行平面位置、標高和垂直度精細校核，滿足要求后將底口與承臺預埋錨件焊接牢固，經檢查合格后在節段內填充混凝土施工。1#節段吊裝如圖15所示。

4.2 2～4#節段整體安裝

4.2.1 吊裝方法

吊裝前先在橋面設置拱腳限位塊。吊裝作業時，兩臺XGC400 t-Ⅰ履帶吊主吊車位置不動，進行垂直起升。隨著索塔重心不斷升高，索塔相對水平面夾角不斷增大，直至將索塔重心緩慢提升至距橋面21 m時，夾角約為59°。同時，塔腳在兩臺QY130 t輔助吊車的配合下緩慢作水平運動，移動過程中塔腳與橋面保持20～50 cm的間隙。水平位置到位后，緩慢落鉤使塔腳在橋面精準對位，繼而精確調整索塔傾角，然后安裝臨時撐桿、焊接塔腳根部焊縫、拆除吊鉤。

4.2.2 吊車站位

兩臺主吊車XGC400 t-Ⅰ對稱布置在2#橋臺前兩側，工作回轉半徑9 m；兩臺QY130 t輔助吊車對稱布置在1#墩兩側，工作回轉半徑8 m。吊車站位如圖16所示。

4.2.3 整體吊裝

吊裝前再次檢查吊車站位處地基、吊車工況、配重有無異常，核查吊裝鋼絲繩與索塔扣掛是否牢固，確保無問題后進行整體吊裝作業（圖17～圖19）。

第一節段： 4臺吊車先同步將索塔水平緩慢抬離胎（支）架后暫停作業，再次檢查地基、吊車工況、配重、鋼絲繩與索塔扣掛及索塔有無異常，確保無問題后繼續進行吊裝作業。

第二節段：4臺吊車同步將索塔抬高，確保塔腳與橋面保持20～50 cm的間隙。兩臺XGC400 t-Ⅰ履帶吊同步緩慢升鉤，使索塔相對水平面的夾角不斷增大，直至將索塔相對水平夾角約為62°時（索塔設計傾角為59°，考慮到索塔后期填芯混凝土施工，有3°的預偏角，吊裝時按62°控制），停止回收鋼絲繩。

第三節段： 4臺吊車同步配合將索塔整體水平移動，待平移至預安裝位置后4臺吊車同步落鉤使塔腳在橋面就位，就位后通過預先安裝的限位裝置及液壓千斤頂精確調整拱腳平面位置，繼而精確調整索塔傾角，然后臨時焊接固定、安裝臨時撐桿、焊接塔腳根部焊縫、吊車卸載。

4.3 塔背撐桿安裝

索塔吊裝就位，并經檢查無誤后安裝塔背撐桿。撐桿規格630×16 mm，長度20.43 m，自重約50 t，預先焊接吊裝耳板。安裝時利用1臺QY100 t汽車吊站位在橋面板上吊裝，撐桿上部與索塔耳板鉸接，下部與分配梁上的底座焊接固結。撐桿吊裝就位后利用登高車托舉鉚工安裝銷軸及保險裝置，采用焊接將撐管固定在底座上。

4.4 吊車卸載

索塔安裝就位后、索背撐桿安裝完成，經檢查1#節段與2#節段連接部位焊接質量滿足要求后分三步間歇式卸載。卸載分75%、50%、0三次進行，相鄰兩次卸載停留10 min，確認無問題后進行下次卸載。卸載完成后卸載過程中同步對索塔傾角的變化情況進行監測，如傾角變化量超過允許值立即停止卸載，上報建設單位作進一步分析處理。

5 臨時支撐拆除

索塔安裝就位達到預定的傾斜角、6對斜拉索安裝就位并進行初張拉后，拆除塔背撐桿，此時索塔重力由斜拉索的側向分力來平衡。鋼箱梁支架在索塔撐桿拆除后進行拆除，拆除時僅拆除鋼管柱、工字鋼等鋼構件，混凝土樁基僅對露出河道部分進行破除。

6 結束語

本文主要針對怡心湖CD市政道路項目青蘭溝雙索面無背索斜拉橋拱形鋼結構索塔從索塔節段劃分、臨時支撐方案選定、吊裝機械選型、吊裝施工作業等施工準備及關鍵施工工序進行概述及分析。隨著城市建設的不斷發展，市政基礎配套設施，尤其時市政橋梁，在滿足基本使用功能的同時造型上朝著新、異的方向發展，橋梁造型的變化能積極地促進橋梁施工方法的改進與革新，進而整體提升建筑行業橋梁施工技術水平。

參考文獻

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