斜拉橋異型鋼塔線形控制技術研究

郭飛 李沛洪 朱育才

(廣州市第二市政工程有限公司 510060)

引言

斜拉橋主塔是承受荷載的主要結構， 主塔形狀復雜， 建造難度高。 斜拉橋塔一般由鋼結構、鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構組成， 可依據索面排布、 橋面長寬、 梁長跨度等因素來確定其構造樣式[1-5]。 眾多學者對斜拉橋主塔進行了研究。 劉小敏等對大弧度曲線型獨塔斜拉橋鋼塔制作拼裝進行研究[6]， 謝學強等對大跨徑單索面組合梁斜拉橋鋼塔施工工程進行研究[7]， 王石磊等對大型空間異形鋼塔斜拉橋施工過程進行監控[8]。 基于已有研究成果[9-14]， 本文針對斜拉橋異型鋼塔線形控制進行研究， 指導斜拉橋施工過程的鋼塔形狀控制， 保證橋梁施工質量。

1 工程概況

鴨嘴巖大橋主橋為獨塔雙索面斜拉橋， 跨度布置為(200 +74 +45) ＝319m， 橋面寬36m， 主塔采用鋼-砼組合橋塔， 縱、 橫橋向塔軸線均呈曲線， 主塔從承臺頂到塔頂高度為100m， 其中鋼塔高度82m。 主塔橋面以上部分采用鋼塔， 鋼塔底節段通過剪力釘、 PBL 傳剪器及預應力束以承壓方式與混凝土塔柱結合， 鋼塔柱采用單箱七室結構的矩形截面， 大橋全貌如圖1 所示。

圖1 鴨嘴巖大橋Fig.1 Yazuiyan Bridge

2 鋼主塔線形控制技術

本工程鋼主塔呈空間曲線形狀， 控制鋼主塔形狀是難點。 針對鋼主塔曲線特性， 從兩個方面進行鋼主塔曲線的控制， 其一是對斜拉橋鋼塔細化分段， 便于節段制作時保證異型鋼塔曲線狀態； 其二是提出運用實體化建模方法指導鋼塔塔身節段制作并對鋼塔節段進行預拼裝， 保證斜拉橋施工質量。

2.1 異型鋼塔細化分段

大橋原來設計方案是鋼塔分為T1—T11 的11個鋼塔節段， 其中下部T1—T3 節段制作和安裝精度決定了上部鋼塔的安裝精度， 若T1—T3 出現安裝誤差將造成塔頂偏位增大， 并且由于T1—T3 鋼塔節段尺寸和重量均較大， 造成鋼塔制作、 安裝、運輸困難， 為保證T1—T3 鋼塔制作精度以及安裝的簡便， 有必要對鋼塔節段進行細化。

根據鋼塔尺寸對鋼塔進行細分， T1、 T2、 T3細化為三個分段， T4—T10 細化為二個分段，T11 為一個分段， 對鋼塔進行細化分段有利于保證鋼塔線形， 鋼塔分段如表1 所示。

表1 主塔鋼梁現場分段Tab.1 Segmentation of steel girder of main pylon

2.2 鋼塔節段制作過程

為保證鋼塔節段制作精度， 基于實體化建模技術提出將鋼塔節段進行建模拼接， 在建模過程中掌握各部件的制作順序、 部件尺寸等數據， 依據實體化建模的流程指導鋼塔節段的生產， 從而控制鋼塔線形的精準度。

根據鋼塔結構特點， 考慮到鋼塔結構復雜，焊縫密集， 熔透焊縫較多， 所產生的焊接變形和殘余應力較大， 為控制結構焊接變形， 保證節段整體質量， 加快制造進度， 鋼塔制造采用“零件→單元→整體→預拼裝”方式生產， 即將鋼塔節段分為內、 外壁板單元、 側壁板單元、 平板、 隔板單元等。 接著按節段的尺寸制作成整塊， 兩端面采用小車精切余量并制好工地焊接坡口， 然后進行預拼裝， 安裝臨時匹配件。 根據圖2 進行鋼塔節段實體化建模制作， 鋼塔制作在工廠車間完成下料、 單元件組裝、 焊接， 在總拼胎架上完成鋼塔節段的整體組裝、 焊接、 修整、 劃線和精切。 在拼裝胎架上對鋼塔進行分輪次預拼裝， 控制整體線形。 待涂裝作業完成后采用汽車運輸至安裝現場存梁場進行存放， 主塔安裝施工時， 通過汽車經施工便橋運輸至安裝位置進行安裝。

圖2 鋼塔節段實體化建模制作Fig.2 Section solid modeling of steel pylon

2.3 鋼塔節段預拼裝

將基于實體化建模的鋼塔節段進行預拼裝。預拼裝按以鋼塔下端為基準往上拼裝的順序進行， 鋼塔節段預拼裝流程如下: (1)將底部鋼塔節段置于預拼裝專用胎架上， 用水平儀測量并調整頂面標高， 使用經緯儀監測立面中心線， 各部位尺寸調整后將鋼錨箱固定在胎架上； (2)將與之相連的鋼塔吊裝在前一節段上， 此時應特別注意鋼塔的方向。 用水平儀測量并調整頂面標高，用經緯儀監測立面中心線， 檢查接口匹配狀況，對連接面重新進行加工， 各部尺寸調整合格后用卡具將兩節段鋼塔固定； (3)重復以上過程， 依次將其他待拼裝節段的鋼塔吊裝到位， 檢查整體尺寸及偏差趨勢， 做好記錄， 作為下一輪次預拼裝的依據； (4)留下最上面一個節段的鋼錨箱作為下一輪次預拼裝的母梁。 鋼塔節段預拼裝如圖3 所示。

圖3 鋼塔預拼裝Fig.3 Pre-assembly of steel pylon

3 橋墩及鋼塔偏位監測

3.1 鋼塔成型

基于上述鋼塔細化分段并進行鋼塔節段制作及預拼裝的方法， 鋼塔雙側共48 個節段需要整體吊裝， T1-1～T4-2 采用履帶吊安裝， T5-1～T11 采用塔吊安裝。 鋼塔吊裝至設計位置后， 用碼板將節段間定位固定并進行焊接。 節段安裝及焊接設置安全防護平臺及防風板， 確保施工安全及焊接質量。 鋼塔完工成型后狀態如圖4 所示。同時， 為保證鋼塔施工質量以及驗證鋼塔是否滿足線形要求， 進行橋墩及鋼塔偏位監測。

圖4 鋼塔完工成型后狀態Fig.4 State of steel pylon after forming

3.2 橋墩及鋼塔測點布置

每個主墩、 邊墩承臺各設4 個沉降觀測點，鋼塔對稱設置6 個水平變位觀測點， 如圖5 所示。 由于壁板厚度較薄給棱鏡的架設帶來難度，采用在節段焊縫與橫隔梁頂和塔壁板外側中線的虛交點上的中線處貼反射板作為觀測點。

3.3 現場監控數據

從拉索張拉完成和全橋完工后兩個階段進行鋼塔偏位值分析。 從主塔安裝完成、 張拉完成以及全橋完工后三個階段進行橋墩偏位值分析。 經監測， 鋼塔各測點位置偏位值及承臺各測點位置下沉值結果見表2 和表3。

從表2 鋼塔各測點位置偏位值可知， 鋼塔偏位值均較小， 滿足小于橋塔高度1/2000的偏位范圍， 橋塔的偏位是向跨度200m 的主跨方向偏移， 隨著鋼塔的升高， 偏位值上升。 從表3 承臺各測點位置下沉值可知， 橋梁施工完工后， 承臺下沉較小， 表明承臺位移較小， 能保證整個主塔的穩定。

圖5 橋墩及鋼塔測點布置Fig.5 Layout of bridge piers and steel pylon

表2 鋼塔各測點位置偏位值(單位：mm)Tab.2 Offset values of measurement points of steel pylon at various locations(unit:mm)

表3 承臺各測點位置下沉值(單位：mm)Tab.3 Settlement values of measured points of pile caps at various locations(unit:mm)

4 結語

采用鋼塔細化分段特別是對鋼塔下部進行分段， 對保證后續鋼塔上部節段線形具有基礎性意義。 通過運用實體化建模技術建立鋼塔節段從零件到單元再到整體的拼接流程， 指導鋼塔節段的生產， 并對鋼塔節段進行預拼裝， 可有效地保證鋼塔線形。 監測結果表明， 鋼塔各個測點位置偏位值較小， 承臺各個測點位置下沉值較少， 鋼塔線形保持良好。