豎轉技術在海上斜拉橋鋼索塔安裝中的應用
段志勇
(中鐵大橋局集團有限公司 武漢 430050)
摘 要港珠澳大橋九洲航道橋上塔柱采用整體豎轉技術進行安裝，解決了施工期航空限高問題，其施工過程安全高效，實現(xiàn)了索塔高精度安裝。文中介紹了其豎轉過程中應用到的關鍵工裝設備、施工控制重點，以及塔柱對接工藝。
關鍵詞 豎轉技術 海上斜拉橋 鋼索塔安裝
1工程概況
港珠澳大橋主體工程九洲航道橋為雙塔中央索面鋼一混組合梁斜拉橋，全長693 m，橋跨布置為85 m+127.5 m+268 m+127.5 m+85 m，采用塔、梁、墩固結的結構體系，其主梁為分離式開口鋼箱十混凝土橋面板的組合截面，索塔為鋼一混結構、“風帆”造型，斜拉索采取豎琴形布置。索塔塔高114.7 m，由豎直的主塔塔柱和彎曲的曲臂組成，自塔底至塔頂依次為：13.7 m混凝土塔柱、3m鋼一混結合段和98.0 m鋼塔柱。其中主塔鋼塔柱共分為10個節(jié)段，即TO（鋼混結合段）、T1，T2，T3（塔梁固結段）、T4～T9節(jié)段；曲臂共分為8個節(jié)段，即Ql（曲臂鋼混結合段）、Q2，Q3，Q4～Q8節(jié)段。索塔分段見圖1。
2方案概述
九洲航道橋總的施工順序為先梁后塔，由于橋址區(qū)域位于澳門機場起降航線上，其航空限高為122 m，橋梁索塔塔頂設計高程為120 m，采取常規(guī)的設置墩旁塔吊輔助進行索塔豎向分節(jié)段吊裝施工的方法難以滿足施工期航空限高的要求，因此下塔柱鋼塔（T0～T3節(jié)段及Q1～Q3節(jié)段）采用節(jié)段拼裝的方法施工，而鋼塔上塔柱(T4～T9節(jié)段及Q4～Q8節(jié)段，總重959.9 t)則采用整體安裝的方法施工。
在上塔柱整體安裝過程中成功應用了豎轉技術（布置見圖2），其施工的主要步驟為：①布置梁面水平滑道；②上塔柱加工成整體后船運至墩位附近，利用大型浮吊吊裝上橋面相應位置，其前支點位于下塔柱頂口，后支點位于滑道梁上；③安裝橋面豎轉提升支架，布置4-560 t連續(xù)千斤頂；④安裝鋼塔上提升吊具，啟動連續(xù)千斤頂，整體提升上塔柱逐步豎轉至豎直狀態(tài)；⑤調整上塔柱姿態(tài)，下放與下塔柱進行對位焊接，完成塔柱安裝。
3 關鍵工裝設備的應用
上塔柱在豎轉過程中的水平滑移總長度為34. 364 m，豎向提升總高度為29. 62 m，其施工工裝主要包括水平滑移系統(tǒng)和豎向提升系統(tǒng)。
3.1水平滑移系統(tǒng)
(1)滑道梁�；懒菏卿撍Q轉時的后支點滑道，總長42 m，分2組對稱于橋軸線布置在組合梁橋面上，2組滑道間距為5. 225 m�；懒喉斖磕S油作為滑道，安放2個滑座用于支承鋼塔滑移鉸，單個滑座承受豎向荷載為150 t。
(2)滑移鉸。滑移鉸以直徑1 000 mm、壁厚20 mm鋼管作為轉動軸，鋼管內(nèi)部灌注C30自密實混凝土，上塔柱出廠前采用12.9級M30高強螺栓將滑移鉸連接座與鋼主塔底口進行緊固連接。上塔柱吊裝上橋面時使滑移鉸整體落入滑座內(nèi)，滑移鉸鋼管兩端內(nèi)切于滑座頂面圓弧面，兩者間墊10 mm厚聚四氟乙烯板，以減小豎轉過程中的轉動摩阻力。
(3)水平牽引系統(tǒng)。對豎轉過程中出現(xiàn)的水平摩阻力，采取設置水平牽引系統(tǒng)進行主動控制予以克服。水平牽引設備為2臺TX100J型連續(xù)提升油缸，通過滑道梁端頭反力座進行支承，牽引鋼絞線前端錨固于滑座上。沿滑道水平安裝帶有刻度的鋼尺，滑移鉸處安裝指示桿，鋼塔提升豎轉過程中實時觀測水平位移并對比相應的提升高度，確保兩者速度匹配。
3.2豎向提升系統(tǒng)
(1)提升支架。提升支架為豎轉過程中豎向荷載的主要受力結構，總高約46.5 m，由對稱分布于滑道梁2側的2組格構式受壓鋼管立柱組成(支架平面見圖3，鋼管直徑1 000 mm、壁厚20mm)，靠內(nèi)側4根立柱承受全部豎向荷載。
(2)提升千斤頂。上塔柱整體豎轉提升根據(jù)“計算機控制液壓同步提升技術”選擇連續(xù)千斤頂同步控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設備主要由穿心式油缸、液壓泵站和控制柜組成。每組鋼管立柱頂各布置2臺TX- 560J噸穿心式提升油缸（外形尺寸Q800mm×2 375 mm)，其間距為5.1 m，通過1臺TX-40P2液壓泵站（雙比例系統(tǒng)，可對每臺油缸進行單獨控制）驅動2臺油缸。提升控制系統(tǒng)采取一臺控制柜控制2臺液壓泵站及4個提升油缸的集中控制模式。
(3)提升吊具。鋼塔柱與提升油缸之間的提升連接由下至上依次為：鋼塔柱、扁擔梁、三角連接板、錨箱、鋼絞線、穿心提升油缸。鋼絞線規(guī)格為7-Qs15. 24高強度低松弛鋼絞線(pk =1 860MPa)，其一端與穿心頂油缸的上下錨具相連，另一端與錨箱穿心錨固，錨箱與三角連接板、三角連接板與扁擔梁、扁擔梁與鋼塔柱之間均采用銷軸連接。
扁擔梁設置在上塔柱重心位置以上4. 216 m（T6，T7節(jié)段分界線以上1.125 m）處，為確保提升豎轉過程中鋼塔結構的穩(wěn)定，將扁擔梁設計成U形抱箍鋼箱結構，并通過4根直徑280 mm銷軸將扁擔梁與鋼塔連為整體。
三角連接板作為豎轉提升過程中的主要傳力構件，采用厚度為60 mm、材質為Q690D鋼板焊接而成的半封閉式結構，與扁擔梁通過直徑320mm銷軸進行連接。為部分適應鋼塔面外傾角（豎轉過程中最大傾角不允許超過2。），在銷軸結構上增加球鉸（外球材質35號鍛鋼、內(nèi)球鉸材質9Cr2鍛鋼）連接方式，見圖4。
4鋼塔豎轉施工控制
豎轉實施過程中堅持“低速平穩(wěn)、嚴格匹配”原則，對整個提升系統(tǒng)進行全程監(jiān)控以確保安全，其控制策略為：位置同步，載荷跟蹤。
4.1 控制提升荷載均衡
在4臺提升油缸處各設置1臺壓力傳感器，其精度1%。在提升過程中通過壓力傳感器實時監(jiān)測油缸提升載荷，通過油缸壓力調節(jié)，保證4個提升吊點載荷差值控制在5%以內(nèi)。
4.2控制提升位移同步
在鋼塔兩側提升吊點處各設置1臺繩式位移傳感器，精度±2 mm。在提升過程中通過位移傳感器實時監(jiān)測兩側吊點提升行程，確保兩者最大差值不超過1 cm。
4.3控制水平位移與豎向位移同步
豎轉過程中，鋼塔運動軌跡見圖5：將鋼塔簡化為一個剛體，其中：A點為滑移鉸中心點始終沿水平方向運動；B點為提升鉸點中心始終沿豎直方向運動；AB長度始終保持不變。假設A點水平前移距離為X，B點豎直提升高度為y，則有：(34 364_X)2+(5 124+Y)2 =34 7442.
通過對鋼塔運動軌跡數(shù)據(jù)進行離散分析，將豎轉實施過程劃分為初始提升階段(提升高度為0～17 m)、中間階段（提升高度為17～23 m）、就位階段（提升高度為23～29. 62 m）3個階段，以滑移鉸水平滑移距離每250 mm -個步長為控制依據(jù)，監(jiān)測相對應的豎直提升位移。
(1)初始提升階段。豎向提升位移大于水平滑移位移，以前者控制為主，由于此時提升鋼絞線自由長度較大，水平位移的偏差對豎向提升角度影響很小，其值可控制在10 cm內(nèi)。
(2)中間階段。豎向提升位移與水平滑移位移差距不大，同時控制兩者的位移量，確保提升速度與水平牽引速度相當。
(3)就位階段。豎向提升位移小于水平滑移位移，控制方式以水平牽引為主，每水平行走一個位移，調整相對應的豎向提升高度，確保鋼絞線始終處于豎直受力狀態(tài)。
4.4施工安全控制
(1)選擇合適的施工氣象窗口，海面6級風以上不進行豎轉提升作業(yè)。
(2)正式豎轉提升前采取分級加載的方式進行試提升，持荷2～3 h以觀察整個提升支架結構的受力情況以及提升系統(tǒng)的運行情況，確認各項指標達標后再進行正式提升。
(3)提升豎轉過程中，確保提升鋼絞線始終保持豎直狀態(tài)，控制鋼塔側面外傾斜不超過0. 08。，采取人工量測和傾斜儀讀數(shù)監(jiān)測雙控方式，鋼塔面外傾角過大時及時停止作業(yè)。
(4)提升豎轉就位階段末期，嚴格控制提升速度，利用水平千斤頂反向帶力預防鋼塔由于重心不平衡而出現(xiàn)晃動。
(5)施工過程中，持續(xù)開展對提升支架變形情況的監(jiān)測，確保結構始終處于安全狀態(tài)。
5索塔對位焊接
上塔柱對位安裝的垂直度及平面精度控制以主塔為主，同時兼顧曲臂，其步驟如下：①鋼塔豎轉至豎直狀態(tài)后拆除滑移鉸，繼續(xù)提升鋼塔使其下端底口位于下塔柱T3頂口正上方3.3 m，停止提升并鎖定提升千斤頂，測量上、下對接口平面相對位置；②4臺千斤頂同步緩慢下放上塔柱，使鋼塔底口順利滑入T3頂口的初步導向，沿導向下放至距離T3頂口約2 cm時停止下放作業(yè)并鎖定千斤頂，精確調整上塔柱姿態(tài)：通過小幅提升或回落個別提升千斤頂進行垂直度微調，同時在T3頂口內(nèi)側設置倒鏈進行平面及扭轉精調；③上塔柱完成精調且上、下接口錯臺不大于2 mm后，在T3頂口內(nèi)側四邊設置限位碼板對接口進行臨時限位，繼續(xù)下放鋼塔使主塔接口上、下端口壁板完全接觸，并完成塔內(nèi)接口處匹配件臨時螺栓連接；④千斤頂繼續(xù)回油卸載至最大提升荷載的60%后持荷鎖定，進行主塔接口焊接，完成全部壁板和豎肋焊接后千斤頂完全卸載，拆除提升工裝及相關設施。
6結語
通過整體豎轉技術在九洲航道橋主塔上塔柱安裝施工中的成功應用，將索塔節(jié)段間大量的對接焊縫由現(xiàn)場施作轉化為工廠施作，不僅降低了高空施工作業(yè)難度和安全風險，提高了施工工效，而且保證了結構焊接質量和安裝線形，實現(xiàn)了海上斜拉橋鋼索塔高精度安裝，達到了塔頂高程偏差≤20 mm、軸線偏差±12.2 mm、塔偏±23.8mm的效果。
