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 王紫超1，2，牛  照1,2，陳  鳴1,2

（1．中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北  武漢430040；2．交通部長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北  武漢430040）

[摘要]研究了一種橋梁鋼塔浮吊提升轉(zhuǎn)體工藝，即由工廠拼裝成整體，船運至施工現(xiàn)場，然后通過大型浮吊轉(zhuǎn)體吊裝，最后利用導(dǎo)向及精調(diào)位裝置進行匹配。分析了轉(zhuǎn)體吊裝過程中可能遇到的各種問題，并對應(yīng)提出了具體的、行之有效的解決措施。對轉(zhuǎn)體吊耳、轉(zhuǎn)動鉸、滑移系統(tǒng)以及導(dǎo)向調(diào)位裝置進行了深入研究，并進行了詳細(xì)設(shè)計，各結(jié)構(gòu)新穎，可拆裝性好，對鋼塔損傷較小，承載能力強。最后對轉(zhuǎn)體吊裝及精確調(diào)位過程中鋼塔的穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)分析，證明了整個過程安全可行。

[關(guān)鍵詞]橋梁工程；索塔；轉(zhuǎn)體；浮吊；穩(wěn)定性；設(shè)計

[中圖分類號] U445. 465  [文章編號]1002-8498(2016)11-0024-04

1工程概況

 江海直達(dá)航道橋是在建的港珠澳大橋重點工程，跨徑為129m +2×250m +129m，其索塔采用“海豚”型鋼結(jié)構(gòu)，由豎直的主塔柱、彎曲的副塔柱和造型部分組成。全橋共3個主塔，中塔塔高109. 756m。主塔柱設(shè)置三腳撐支承主梁，在索錨區(qū)沿拉索方向在主塔柱和副塔柱之間設(shè)置連桿。索塔分為Z0底座和上部兩段，其中上段高105m，重約2 500t，索塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。在前期方案比選中，考慮到轉(zhuǎn)體施工，對場地要求不嚴(yán)，并且結(jié)合中對大型全回轉(zhuǎn)起重船的重點介紹，經(jīng)過多方調(diào)研，確定索塔上段用浮吊提升轉(zhuǎn)體安裝是首選方案。

2  工藝步驟

 鋼塔提升轉(zhuǎn)體、安裝調(diào)位步驟如下。

 1)步驟1  承臺上導(dǎo)向、調(diào)位匹配構(gòu)件安裝調(diào)試完畢，鋼塔上吊耳、鉸、滑道等也安裝到位，隨船運輸，各船舶就位。

 2)步驟2  索具安裝完成，拆除鋼塔兩側(cè)運輸支架，逐級起升吊鉤，檢查結(jié)構(gòu)和機構(gòu)是否正常，準(zhǔn)備鋼塔轉(zhuǎn)體。

 3)步驟3  吊鉤起升一段高度，縱向千斤頂頂推滑座，使鋼塔沿滑道前移一段距離。

 4)步驟4  吊鉤繼續(xù)起升，鋼塔轉(zhuǎn)體至740，鋼塔底部第二級轉(zhuǎn)動鉸接觸滑座第二級鉸座。

 5)步驟5繼續(xù)起升，鋼塔第一級轉(zhuǎn)動鉸空載，繼續(xù)起升至鋼塔豎直，此時塔底高出設(shè)計標(biāo)高約800mm，拆除鋼塔底部轉(zhuǎn)動鉸，安裝導(dǎo)向匹配件。

 6)步驟6起重船回轉(zhuǎn)900，鋼塔正對橋軸線，起重船絞錨，沿橋軸線向安裝位置移動。

 7)步驟7通過纜風(fēng)繩和導(dǎo)向裝置輔助，使塔盡量在Z0正上方。

 8)步驟8  最后通過精確調(diào)位裝置匹配好上、下塔柱，接縫處栓接，拆除臨時構(gòu)件，完成鋼塔安裝。

 鋼塔大節(jié)段提升轉(zhuǎn)體、安裝調(diào)位步驟如圖2所示。

3設(shè)備選型

 鋼塔在廠內(nèi)匹配加工，由駁船運輸至現(xiàn)場。吊裝鋼塔起重船若采用固定臂起重船，鋼塔必須順橋軸線起吊，然后橫移安裝。P140，P139墩跨度為258m，滿足固定臂起重船順橋軸線提升鋼塔，轉(zhuǎn)體后橫移就位安裝，但P138墩鋼塔因邊跨跨度只有129m，無法滿足要求，如圖3所示。因此．必須采用全回轉(zhuǎn)起重船才能滿足鋼塔安裝就位要求。

 而起重船是關(guān)鍵設(shè)備，此處吊重較大，關(guān)鍵是吊高高，一般的起重船難以滿足需要。經(jīng)過多方比選，最終選擇了某全回轉(zhuǎn)起重船進行改造，根據(jù)鋼塔安裝要求，改造后的起重船吊裝性能參數(shù)如下：全回轉(zhuǎn)吊重2 ~600t，甲板以上吊高120m，吊幅47m。

4關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

4.1  吊點、吊具設(shè)計

 設(shè)計特點為：①吊點采用栓接結(jié)構(gòu)，盡量減少對主體結(jié)構(gòu)的影響；②兩個吊點寬度與浮吊主吊鉤距離一致，無須另外設(shè)置扁擔(dān)，對起重船吊高影響小；③吊具采用可沿吊點轉(zhuǎn)動的鋼板吊帶結(jié)構(gòu)，減少了吊點吊臂距離，并保證了轉(zhuǎn)動可靠性。吊點、吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

 吊點受力分析：考慮到塔柱安裝過程中受力情況，取2種工況，采用有限元建模計算：①工況1塔柱水平時，起重船將塔柱上端剛提起的狀態(tài)；②工況2塔柱吊起翻轉(zhuǎn)成豎直狀態(tài)。經(jīng)分析，吊點結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力最大為214MPa，變形最大為2.3mm，滿足要求。

4.2滑移系統(tǒng)設(shè)計

 滑移系統(tǒng)由轉(zhuǎn)動鉸、鉸座、平衡梁和頂推滑移裝置4部分組成，如圖5所示。

4.2.1  轉(zhuǎn)動鉸、鉸座結(jié)構(gòu)

 轉(zhuǎn)動點的誤差影響了轉(zhuǎn)體過程中的偏位，所以轉(zhuǎn)動鉸及轉(zhuǎn)動軸的制作及安裝精度關(guān)系到是否順利轉(zhuǎn)體的關(guān)鍵技術(shù)。所以鋼鉸的轉(zhuǎn)動面應(yīng)保證3.2以上的光潔度，材料應(yīng)進行超聲波探傷檢測，結(jié)構(gòu)在工廠內(nèi)制作后應(yīng)采取消除應(yīng)力處理。

 并且鋼塔從臥運轉(zhuǎn)體至直立狀態(tài)，重心將轉(zhuǎn)過臨時鉸座正上方，鉸座要具備防突轉(zhuǎn)的功能，所以在鋼塔底部設(shè)置階梯形兩級栓接鉸座，第一級作為鋼塔轉(zhuǎn)體過重心前的臨時鉸，第二級作為鋼塔過重心后的臨時鉸，可防止鋼塔突轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)采用鋼板加工成半圓形結(jié)構(gòu)，圓弧面機加工，保證轉(zhuǎn)動靈活，與鋼塔栓接。

4.2.2  平衡梁及頂推滑移裝置

 平衡梁用于船舶在搖擺情況下保持鉸座始終處于水平狀態(tài)。

 鋼塔提升轉(zhuǎn)體時，起重船需保持豎直起吊，以保證起吊安全，這就要求鋼塔底部鉸座能實時推進，并克服自重產(chǎn)生的水平分力，所以在鋼塔底部設(shè)置2條帶銷孔的滑道，滑道內(nèi)布置頂推千斤頂，既可頂推鋼塔沿滑道縱移，也可克服鋼塔縱向水平力。

 另外，在鉸座與平衡梁之間設(shè)置豎向和橫向阻尼橡膠墊板，可以適應(yīng)船舶的橫向搖擺變形，防止鉸在轉(zhuǎn)體過程中受損，保證轉(zhuǎn)體安全（見圖6）。

4.2.3轉(zhuǎn)動鉸局部受力分析

 取2種工況，采用有限元建模計算鋼塔轉(zhuǎn)體過程中轉(zhuǎn)動鉸局部受力情況。經(jīng)分析，轉(zhuǎn)動鉸結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力最大為230MPa，變形最大為2.26mm，滿足要求。

4.3鋼塔上段安裝導(dǎo)向及限位措施

 鋼塔上段轉(zhuǎn)體后，由于在安裝就位過程中受風(fēng)浪影響，鋼塔會產(chǎn)生平面擺動和豎向振動，影響吊裝安全和平穩(wěn)就位，所以在承臺上布置導(dǎo)向支架與導(dǎo)向框，設(shè)置交叉纜風(fēng)繩緩解鋼塔平面擺動，并在鋼塔上設(shè)置抱箍，安裝導(dǎo)向梁，防止碰擦損壞鋼塔表面，同時在Z0節(jié)段4個角點布置緩沖橡膠板，通過臨時擱置其上吸收鋼塔豎向振動。導(dǎo)向框、交叉纜風(fēng)繩布置如圖7所示。

 在鋼塔吊到Z0正上方準(zhǔn)備就位時，可能遇到的問題及解決措施如下。

 1)鋼塔重心與理論計算可能存在偏差，導(dǎo)致鋼塔提升轉(zhuǎn)體后產(chǎn)生整體傾斜，以及接縫斷面產(chǎn)生高差，影響鋼塔就位，所以在支架上設(shè)置調(diào)整油缸，以其為支點，通過起重船吊臂變幅調(diào)整鋼塔因重心偏差產(chǎn)生的傾斜，并將平面位置控制在5cm以內(nèi)。

 2)鋼塔底部為變截面，下落就位過程中，截面尺寸逐漸變小，導(dǎo)向限位困難，所以在鋼塔底部變截面通過抱箍設(shè)置豎向?qū)�向輪，將斜面變�(yōu)樨Q直面，方便導(dǎo)向和限位，并保護鋼塔表面（見圖8）。

 3)鋼塔擱置在橡膠墊板后需精調(diào)，此時起重船吊臂可能因吊鉤荷載部分轉(zhuǎn)移而起升平移，通過調(diào)整油缸約束鋼塔側(cè)向位移。

4.4鋼塔上段安裝精確調(diào)位措施

 對鋼結(jié)構(gòu)匹配精確調(diào)位系統(tǒng)的重要性進行了分析，此處鋼塔安裝精度要求更高，其中接縫錯邊量<2mm，而鋼塔自重大，起重船隨波浪搖擺，普通的導(dǎo)向匹配件難以自動導(dǎo)向鋼塔，不能保證接縫質(zhì)量，而且一旦落位過程中產(chǎn)生偏差，依靠起重船吊鉤重新提升鋼塔調(diào)位風(fēng)險較大，所以需要在承臺上布置三向調(diào)位裝置。具體布置結(jié)構(gòu)如圖9所示。在承臺上布置千斤頂調(diào)位支座，在鋼塔側(cè)面布置調(diào)位牛腿，當(dāng)鋼塔落位擱置在橡膠墊塊上后，起重船吊鉤仍保持50%以上荷載，然后利用千斤頂起頂鋼塔，通過沿接縫處設(shè)置的匹配件精確就位，這樣可以精確調(diào)整鋼塔的平面位置，同時避免了起重船反復(fù)起落鉤，保證吊裝安全。

 考慮塔柱自重全部由4個調(diào)位牛腿承擔(dān)，采用有限元建模計算，其中最大應(yīng)力為204MPa，最大變形值為4mm。

5數(shù)值模擬

5.1  船上轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性分析

 強調(diào)了船體隨波浪起伏時穩(wěn)定性的重要性，并且駁船對鋼塔轉(zhuǎn)體的穩(wěn)定性存在影響，所以需進行分析。

 1)計算條件  水深8m;水流速度2m/s；風(fēng)：NPD風(fēng)譜，表面摩擦力系數(shù)取0.02；風(fēng)速12m/s，基準(zhǔn)高度0. 025m，風(fēng)剖面指數(shù)0.125；波浪3參數(shù)Jonswap譜，分別指定譜峰參數(shù)1.5，有義波高0. 8m，以及譜峰周期4s。

 2)計算模型  采用水動力分析軟件計算程序?qū)�運輸駁船濕表面進行水動力特性分析。

 3)頻域分析結(jié)果橋位處波高主要集中在[0，0. 8m)，波浪周期在[0，4s）范圍內(nèi)，駁船的響應(yīng)幅值很小。

 4)時域分析結(jié)果考慮鋼塔起吊轉(zhuǎn)體周期，取3h時歷分析，得到橫搖最大角度為0.650，換算至半船寬范圍橫搖幅度約為25cm，換算至鋼塔底部寬度范圍橫搖幅度約為10cm。通過駁船隨波浪擺動的動力分析可知船體的橫向搖擺幅值較小，穩(wěn)定性好。

5.2鋼塔上段安裝動力分析

 鋼塔上段轉(zhuǎn)體后，在安裝就位過程中，受風(fēng)浪影響，鋼塔會產(chǎn)生平面擺動和豎向振動，影響吊裝安全和平穩(wěn)就位，所以需要分析鋼塔吊裝過程的動力響應(yīng)，并采取必要的緩解措施。采用專業(yè)軟件進行非線性時程動力分析，主梁采用梁單元建模。

 將吊裝過程激勵分析得到的位移時程求導(dǎo)得到的加速度時程作用于吊索具與鋼塔組成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，計算時長取300s，可以得到鋼塔位移非線性時程曲線，如圖10所示。

 通過分析可知，考慮波浪動力作用，鋼塔吊裝過程中，塔底水平向位移稍大，但采取的纜風(fēng)繩和導(dǎo)向措施可以減少這種位移；塔底豎向位移響應(yīng)很小，產(chǎn)生的強烈沖擊的可能性很小，通過橡膠墊塊可抵抗這種沖擊；吊索索力響應(yīng)幅值為600kN，變化幅度不到鋼絲繩破斷拉力的1%，對吊裝安全影響較小。

6  結(jié)語

 本文詳細(xì)介紹了鋼塔浮吊吊裝轉(zhuǎn)體及安裝匹配工序，并對細(xì)部結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和分析，最后研究了吊裝過程的整體穩(wěn)定性，為鋼塔吊裝提供了一個切實可行的整體解決方案，可作為類似吊裝工程的參考。