景德鎮(zhèn)白鷺大橋鋼塔豎向轉體施工技術

1、景德鎮(zhèn)白鷺大橋鋼塔豎向轉體施工技術高興澤 范大意 楊仁康摘 要 目的：介紹景德鎮(zhèn)白鷺大橋主橋鋼塔豎向轉體施工和計算機控制液壓同步整體提升技術在豎轉過程中的運用及其控制措施，為今后類似橋梁施工提供借鑒。方法：采用扳起法豎向轉體施工即在被扳起的鋼塔上安裝人字扒桿，扒桿和鋼塔本身形成一個穩(wěn)定的三角結構，然后利用橋梁本身斜拉索錨箱作為錨點，采用鋼絞線作為臨時拉索，油缸集群，計算機控制同步提升將鋼塔豎向轉體到位。結果：歷時9小時18分，鋼塔成功豎轉58°到位，合攏精度滿足設計要求，偏差僅為2mm，臨時索力同計算相符。結論：對于長達88米的鋼塔，整體采用扳起法豎向轉體施工為國內首創(chuàng)，豎向轉體全過

2、程采用計算機控制，這也是目前國內最新穎最先進的大型構件提升安裝技術。 關鍵詞 鋼箱塔 豎向轉體 同步提升 技術創(chuàng)新1 工程概況白鷺大橋位于景德鎮(zhèn)市昌江大橋下游約1km，是景德鎮(zhèn)市外環(huán)線的重要工程，按雙向四車道城市主干道標準設計，全長795m，其中橋梁范圍為487m，橋面總寬度為29m，如圖1所示。 圖1 景德鎮(zhèn)白鷺大橋主橋布置圖（單位：mm）白鷺大橋主橋結構形式為三跨連續(xù)單索面獨塔無背索豎琴式斜拉橋，主跨跨徑為120m，兩邊跨跨徑為45.29m，總長210.58m。江中距兩岸40m左右各設一主墩和副墩。主梁為連續(xù)結構，在塔梁處與塔、墩固結。鋼梁采用封閉型扁平鋼箱梁加大挑臂結構形式，橫隔梁及大挑

3、臂橫向間距3.75m，梁高2.7m，箱梁頂寬29m。其中封閉鋼箱寬20m，挑臂為2×4.5m。索塔的主體結構為矩形鋼箱三室結構，橋面上垂直高度74.628m，塔身傾斜58度。索塔順橋向截面尺寸由塔頂端5.6m漸變到根部的8m，橫橋向寬3.5m。索塔鋼箱內填充C30微膨脹砼，采用焊釘來加強鋼箱與砼的連接。順橋向翼緣板鋼板厚度為12-25mm，橫橋向腹板厚10-20mm，縱向加勁采用I型扁鋼，橫向設環(huán)向加勁和橫隔板。鋼梁鋼塔均為全焊接結構，鋼材為Q345q-D, 主橋結構設計用鋼量共計3200噸，其中鋼塔重量為600噸。斜拉索采用豎琴式平行鋼索，主梁上索距為7.5m，全橋共12根。斜拉索

4、水平夾角約25度，規(guī)格為SNS/S-7×187。2 鋼塔豎轉施工方案必選21方案一 概述 使用一個約4050m的塔架進行安裝。先將鋼塔拖拉到位、穿銷。然后搭設安裝塔架：用頂升方法將塔架逐節(jié)（每個標準節(jié)為5m）安裝到位，拉緊纜風。隨后將鋼絞線連接在油缸和地錨之間，通過鉸銷將其分別與鋼塔和塔架橫梁的耳板相聯(lián)，最后通過油缸拉鋼絞線使鋼塔豎轉，到與水平面成58°角度時停止，如圖2所示。圖2 方案一模型 特點優(yōu)點：整個系統(tǒng)受力較小，尤其是鋼塔本身。缺點：整個塔架需要頂升安裝，需高空作業(yè)。另外塔架橫梁與立柱間的聯(lián)系受力較大，不易設計，塔架的投資也較大。同時，塔架需要設置后拉桿，如果采用

5、纜風繩代替后拉桿則鋼絲繩尺寸較大。2.2 方案二 概述扳起法安裝，即在鋼塔上安裝一個臨時起吊支架（由拉桿、壓桿、橫梁和天錨組成）。先將鋼塔拖拉到位，用起重機將壓桿吊起，穿銷安裝到鋼塔壓桿支座上，將壓桿用適當支架支撐好，然后安裝壓桿橫梁和拉桿，將拉桿、天錨和橫梁的耳板穿銷連接，油缸底座與鋼梁上拉點的耳板連接。接著安裝油缸，然后將鋼絞線穿入油缸和天錨之中，啟動液壓泵站將鋼絞線張緊，逐漸提升拉壓桿到位，將拉桿穿銷安裝到鋼塔拉桿支座上，使整個體系穩(wěn)定。此時就可以進行鋼塔整體豎轉，到鋼塔與水平面成580角時停止，如圖3所示。圖3 方案二模型 特點優(yōu)點：沒有高空作業(yè)，整個豎轉系統(tǒng)安裝和拆卸迅速方便，使用輔

6、助設備少，整個工程作業(yè)量小，12h以內可完成豎轉，適合現(xiàn)場施工條件的要求，在整體提升方案中也是較為先進的施工方式。缺點：整個體系受力較大，需布置較多油缸，鋼塔本身亦需要適當加強，拉點部位的基礎受力較大，所以該點最好借用橋梁本身結構，本橋也具備這個條件，可以利用鋼梁上斜拉索錨箱作為拉點。2.3 方案確定經(jīng)過比選，決定采用第二方案。系統(tǒng)的具體布置如圖4所示。 圖4 景德鎮(zhèn)白鷺大橋豎向轉體施工方案總圖3 主要施工技術要點3.1 鋼塔制作及頂推由于受施工場地和運輸條件限制，鋼塔采用工廠制作板單元，現(xiàn)場拼裝焊接成節(jié)段，然后實施頂推的方案。塔座同塔1在平臺上匹配安裝，同時匹配安裝轉鉸窩和鉸軸，然后將塔座拖

7、至理論位置按設計要求進行安裝如圖5所示，誤差為0。鋼塔頂推差3m到位時進行糾偏，使鋼塔軸線和理論軸線吻合，然后以塔座為基準在上下游各安裝4m長的導向，使鋼塔沿導向順利就位。實測鋼塔前端偏位為0，尾端偏位為20mm。圖5 鋼塔頂推示意圖3.2 拉壓桿安裝利用鋼塔豎轉臨時索起升安裝拉壓桿，因其原始狀態(tài)躺在鋼塔上，這種情況下起升基本上處于自鎖狀態(tài)，是拉不動的，必須用千斤頂將拉壓桿鉸點頂高至6m。拉壓桿安裝步驟如圖6所示。圖6 拉壓桿安裝步驟圖（單位：mm）3.3 轉鉸窩和轉軸的設計和安裝精度轉鉸窩和轉軸均采用35鍛鋼制造，豎轉過程中，鋼絞線拉力的大小是否同計算相符、轉動是否順利取決于轉鉸窩和轉軸的安

8、裝精度及潤滑情況。在轉鉸窩安裝過程中，由于焊接變形影響使得轉鉸窩不同心度超過了5mm，采取的處理辦法為：按照轉軸的半徑和長度制造了一個同心軸，將同心軸按設計要求安放在轉鉸窩上，在同心軸和轉鉸窩的間隙內填充巴氏合金，然后在轉鉸窩周邊焊上6mm厚鋼板將其封閉以提高其抗壓強度。經(jīng)過以上處理后的轉鉸窩安裝精度結果如下：上下游轉鉸軸中心里程誤差1mm；頂面標高誤差下游為1mm，上游為2.5mm，上下游間最大誤差2.5mm，鉸軸外側中心標高誤差1.5mm；用長鋼尺測量上下游塔座頂板到轉鉸軸距離為7040mm，上下游塔1#頂板到鉸軸距離也為7040mm（如圖7所示），證明豎轉到位后和塔座能夠完全吻合，鉸軸標

9、高誤差為其本身安裝不完全同心引起。鉸軸處的轉動摩擦系數(shù)理論上不能給出較準確的數(shù)值，根據(jù)以往轉動或滾動摩擦的經(jīng)驗，如果接觸面不能完全耦合，轉動過程中會發(fā)生爬坡現(xiàn)象或發(fā)出鏗鏗的聲音。實際操作時保證轉角窩和軸等機加工件的精度，同時保證其耦合面充分潤滑，消除了由于接觸及潤滑不良引起的振動和異響，起塔過程十分平穩(wěn)。 圖7 鉸軸鉸窩安裝示意圖（單位：mm）3.4 橫向抗風環(huán)套設計為保證鋼塔在豎轉過程中的橫向穩(wěn)定，除在塔頂橫向兩側布置了纜風繩外，在轉鉸軸處還設置了橫向抗風環(huán)套，環(huán)套內徑比轉鉸軸外徑僅大2mm，使其只能在指定平面內轉動，有效地加強了鋼塔扳起過程中的橫向穩(wěn)定，實際豎轉過程中兩側纜風繩基本上沒有帶

10、勁。其結構布置如圖8所示。 圖8 橫向抗風環(huán)套安裝示意圖3.5 臨時索后錨碇設計本次豎向轉體施工中，采用主梁斜拉索錨箱作為地錨承重是非常成功、非常合理，也是非常經(jīng)濟的。它利用鋼梁節(jié)段自重來平衡臨時拉索產(chǎn)生的豎向力，依靠鋼梁本身的軸向承載能力抵抗其水平力，并將水平力傳到主墩。然后根據(jù)臨時索力和設計上一期恒載對單根永久斜拉索要求的索力選擇錨點數(shù)量。3.6 計算機控制液壓同步提升計算機控制液壓同步提升技術是一項新穎的構件提升安裝施工技術，它采用柔性鋼絞線承重、提升油缸集群、計算機控制、液壓同步提升新原理，結合現(xiàn)代化施工工藝，將成千上萬噸的構件在地面拼裝后，整體提升到預定位置安裝就位，實現(xiàn)大噸位、大跨

11、度、大面積的超大型構件超高空整體同步提升。3.7 測量控制鋼塔到位測量控制采用雙控方式，一方面在塔座上設置58°限位裝置，另一方面在塔上布置到位觀測標記，并且自始至終均在順橋向中心線上監(jiān)測鋼塔軸線偏位情況。3.8 合攏縫焊接鋼塔到位后進行軸線偏位測量，啟用橫向纜風進行糾偏，并盡快進行臨時鎖定和合攏縫焊接。 先制作上、下游腹板合攏縫，兩板對接坡口為55º±5º，鈍邊為0，單面v形坡口，兩板縱向對接留6-8mm縫隙，背面貼陶瓷襯墊。坡口內磨銹去氧化層及缺陷，并將坡口兩邊磨光寬20mm，報檢合格后進行焊接。不等厚板對接應按規(guī)定過渡。 每塊腹板從下水平隔板處由東

12、向西焊接，兩塊腹板同時進行焊接，采用多層多道焊接，確定合理焊接順序以減小焊接應力，打底焊焊高應大于5mm。焊接時采用碼板固定，控制焊接變形。 制作頂板及上、下水平隔板，焊縫探傷合格后，及時安裝嵌補筋板。 以上三道工序施工時，鋼塔自重和臨時索力均集中在轉鉸窩處，所有焊接均在無應力狀態(tài)下施焊，為保證鋼塔全截面受力，需經(jīng)過計算調整臨時拉索索力，使鉸點受力轉移為全截面受力，然后拆除轉角窩部件，用汽油清洗干凈，現(xiàn)場配裝切除部分。切除塔座部分臨時加強板，留出操作空間，制作底板合攏縫。底板與鋼塔底板兩板對接合并坡口為55º±5º，鈍邊為0，單面v形坡口，兩板縱向對接留6-8mm

13、縫隙，背面貼陶瓷襯墊。底板與鋼梁頂面T接面不開坡口，利用自傾角形成坡口，焊接時，先焊內部，再在外側清根，坡口打磨后進行焊接。焊縫探傷合格后，及時安裝嵌補筋板。 焊接鋼塔橫隔板。 焊接時如有變形應及時校正，焊后應對鋼塔的頂板、底板、腹板的對接焊縫進行打磨。合攏焊縫按規(guī)范要求進行無損探傷，合格率為100。3.9臨時索拆除和斜拉索掛設合攏縫焊接完成后掛設12斜拉索并張拉到150噸力，整體拆除鋼塔豎轉臨時三角扒桿，然后一次性掛設剩余的11根索（圖9），并按計算進行部分張拉，使鋼塔基本處于軸向受壓狀態(tài)，彎曲應力很?。ㄗ畲鬄?MPa）,截面應力達到最優(yōu)（應力圖見圖10）。 圖9 橋梁博士計算模型圖 圖10

14、 截面上下緣應力圖（單位：MPa）4 豎向轉體施工方案計算4.1 主塔計算主塔可以看成是一個箱型長梁，翼緣板和腹板設計厚度較小，因此在主塔的縱向加了兩道縱隔板，鋼塔內壁及縱隔板上加焊了若干道縱筋；主塔橫向加了若干橫隔板和橫向加勁板。實際制造中，橫隔板有三個孔，為加強其強度，在板上焊有加強筋，人孔四周又包了一塊板。考慮到其對整個主塔的受力影響不大，所以為了建模方便，計算模型不挖人孔，其周圍的板也不加。隔板的構造如圖11所示。 圖11 橫隔板構造圖 使用ANSYS9.0有限元分析軟件建立主塔的模型，計算立柱鉸銷和吊耳處的最大應力。主要使用了四種單元，其中，塔的四周、兩道縱隔板、橫隔板和橫向加勁板使

15、用板單元shell63，縱筋及前拉桿、前壓桿使用梁單元beam188，后拉桿使用桿單元link8，每組吊耳板之間的銷使用梁單元beam4。主塔的有限元模型如圖12，整個模型使用了103576個節(jié)點，113448個單元。考慮到主塔在安裝過程中可能會出現(xiàn)大風，因此在建模和計算中考慮了兩種工況：無風和有風（5級風，風速為10m/s）。無風時結構的載荷即為其自重，有風時還要加上側向風載荷。約束加在兩個地方：立柱鉸銷處沿軸向和徑向的位移及地錨處的所有自由度。 圖12 鋼塔豎轉計算模型圖鋼塔豎向轉體施工在有風工況下各節(jié)點計算反力如下表：節(jié)點 FX/NFY/NFZ/NMX/(Nm)MY(Nm)MZ(Nm)9

16、402-0.10697E+060.0000-0.82884E+060.00000.00000.0000950341571.0.0000-0.41664E+060.00000.00000.00009559-0.11464E+060.0000-0.24814E+060.00000.00000.000096420.14374E+060.23382E+07-0.88013E-110.00000.00000.00009648-80976.0.10204E+070.49582E-110.00000.00000.00009691-57641.17037.-63583.0.00000.00000.000096

17、92-29781.43024.-74521.0.00000.00000.00009693-17321.43624.-43624.0.00000.00000.00009694-12598.0.11435E+06-66022.0.00000.00000.00009695-27246.-0.34686E+0692941.0.00000.00000.00009696-41509.23441.-87481.0.00000.00000.00009697-12440.0.13156E+06-0.22788E+060.00000.00000.000096982546.70.13956E+06-0.13956E

18、+060.00000.00000.0000969919144.0.29073E+06-0.16785E+060.00000.00000.0000970056861.-0.49289E+060.13207E+060.00000.00000.000097160.17715E+060.77991E+06-0.10847E-100.00000.00000.0000972026424.-11404.42559.0.00000.00000.0000972119634.47577.-82405.0.00000.00000.0000972220018.45532.-45532.0.00000.00000.00

19、00972328693.0.10436E+06-60252.0.00000.00000.0000972468778.-0.19967E+0653501.0.00000.00000.000097830.15303E+060.0000-0.11799E+070.00000.00000.00009789-85354.0.0000-0.26505E+070.00000.00000.0000981781363.0.21036E+07-0.49819E-110.00000.00000.00009818-41924.-0.10595E+060.39542E+060.00000.00000.00009819-

20、21930.0.23375E+06-0.40487E+060.00000.00000.00009820-10972.0.21299E+06-0.21299E+060.00000.00000.00009821619.510.38091E+06-0.21992E+060.00000.00000.0000982225328.-0.18998E+0650905.0.00000.00000.000098230.17904E+060.88779E+06-0.10963E-100.00000.00000.0000982759867.-80770.0.30144E+060.00000.00000.000098

21、2826862.93798.-0.16246E+060.00000.00000.0000982924318.72105.-72105.0.00000.00000.0000983035116.0.14691E+06-84818.0.00000.00000.0000983176634.-0.15065E+0640366.0.00000.00000.00009907-0.18139E+060.0000-0.88117E+060.00000.00000.00009935-91280.0.80468E+060.55891E-110.00000.00000.00009936 -77468-470140.1

22、7546E+060.00000.00000.00009937-3836176861-0.13313E+060009938-2902364090-640900009939-299160.12886E+06-743960009940-46996-0.15348E+064112500092258-0.24554E-08-0.12797E+07 0.36899E+0700092259 0.0000-0.12752E+070.36771E+070000.11101E+060.60120E+070.16762E-01000 ANSYS9.0計算結果：無風工況下最大應力為372Mpa，有風工況下（5級風）最

23、大應力為486Mpa，均發(fā)生在轉軸、鋼塔底腹板和邊腹板的焊接相交點處的微單元上。理論計算雖存在超應力情況，判斷不會壓潰。 鋼塔計算重量為601.2噸，作用在距轉軸中心35.13米處，在鋼塔平臥初始工況剛啟動時為最不利，由此引起的鋼絞線拉力和各部位反力最大。根據(jù)該結果鋼絞線最大拉力為：FY128t FZ369t所以F2×781.14t，則鋼絞線應力為：1860Mpa此時壓桿壓力為642.94t，拉桿拉力為458.7t，轉鉸支座處反力為1131t。實際提升時油缸反應的最大荷載為786t，同理論計算的781.14t比較，誤差僅為0.6，證明轉鉸窩、轉軸和抗風環(huán)套安裝非常精確，它們之間的轉動

24、摩擦面刨光涂滿黃油后轉動摩擦系數(shù)很小，為以后同類型工程施工提供了可以借鑒的依據(jù)。4.2 拉壓桿鉸點高度H的選定合適的H值會使拉壓桿的制造、安裝方便并使臨時拉索的拉力控制在較小范圍內。H過大索力較小但拉壓桿制造、安裝困難，且結構用鋼量較多，成本大；H過小則索力較大，引起鋼塔本身受力大，加固要求高。經(jīng)過反復模擬計算、研究比較,本次豎轉H值采用25.05m，實踐證明是合理的。5 計算機控制液壓同步提升技術 本次鋼塔豎轉提升設備是上海同新機電控制技術有限公司提供和操作的，其技術特點、系統(tǒng)組成和控制原理如下。5.1 計算機控制液壓同步提升技術的特點（1）通過提升設備擴展組合，提升重量、跨度、面積不受限制

25、；（2）采用柔性索具承重，只要有合理的承重吊點，提升高度與提升幅度不受限制；（3）提升油缸錨具具有逆向運動自鎖性，使提升過程十分安全，并且構件可在提升過程中的任意位置長期可靠鎖定；（4）提升系統(tǒng)具有毫米級的微調功能，能實現(xiàn)空中垂直精確定位；（5）設備體積小，自重輕，承載能力大，特別適宜于在狹小空間或室內進行大噸位構件提升；（6）設備自動化程度高，操作方便靈活，安全性好，可靠性高，適應面廣，通用性強。5.2 系統(tǒng)組成計算機控制液壓同步提升系統(tǒng)由鋼絞線及提升油缸集群（承重部件）、液壓泵站（驅動部件）、傳感檢測及計算機控制（控制部件）和遠程監(jiān)視系統(tǒng)等幾個部分組成。鋼絞線及提升油缸是系統(tǒng)的承重部件，用

26、來承受提升構件的重量?？梢愿鶕?jù)提升重量（提升載荷）的大小來配置提升油缸的數(shù)量，每個提升吊點中油缸可以并聯(lián)使用。本工程采用350t提升油缸，為穿芯式結構。鋼絞線采用高強度低松弛預應力鋼絞線，公稱直徑為15.24mm，抗拉強度為1860N/mm，破斷拉力為260.7KN，伸長率在1時的最小載荷221.5KN，每米重量為1.1Kg。鋼絞線符合國際標準ASTM A41687a，其抗拉強度、幾何尺寸和表面質量都得到嚴格保證；根據(jù)方案要求，需要鋼絞線18t左右，其中左旋9t，右旋9t。液壓泵站是提升系統(tǒng)的動力驅動部分，它的性能及可靠性對整個提升系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作影響最大。在液壓系統(tǒng)中，采用比例同步技術，可以

27、有效地提高整個系統(tǒng)的同步調節(jié)性能。傳感檢測主要用來獲得提升油缸的位置信息、載荷信息和整個被提升構件空中姿態(tài)信息，并將這些信息通過現(xiàn)場實時網(wǎng)絡傳輸給主控計算機。主控計算機可以根據(jù)當前網(wǎng)絡傳來的油缸位置信息決定提升油缸的下一步動作，同時，主控計算機也可以根據(jù)網(wǎng)絡傳來的提升載荷信息和構件姿態(tài)信息決定整個系統(tǒng)的同步調節(jié)量。5.3 同步提升控制原理及動作過程 同步提升控制原理主控計算機除了控制所有提升油缸的統(tǒng)一動作之外，還必須保證各個提升吊點的位置同步。在提升體系中，設定主令提升吊點，其它提升吊點均以主令吊點的位置作為參考來進行調節(jié)。主令提升吊點決定整個提升系統(tǒng)的提升速度，操作人員可以根據(jù)泵站的流量分配和其它因素來設定提升速度。主令提升速度的設定是通過液壓系統(tǒng)中的比例閥來實現(xiàn)的。在