景德镇白鹭大桥钢塔竖向转体施工技术

1、景德镇白鹭大桥钢塔竖向转体施工技术高兴泽 范大意 杨仁康摘 要 目的：介绍景德镇白鹭大桥主桥钢塔竖向转体施工和计算机控制液压同步整体提升技术在竖转过程中的运用及其控制措施，为今后类似桥梁施工提供借鉴。方法：采用扳起法竖向转体施工即在被扳起的钢塔上安装人字扒杆，扒杆和钢塔本身形成一个稳定的三角结构，然后利用桥梁本身斜拉索锚箱作为锚点，采用钢绞线作为临时拉索，油缸集群，计算机控制同步提升将钢塔竖向转体到位。结果：历时9小时18分，钢塔成功竖转58°到位，合拢精度满足设计要求，偏差仅为2mm，临时索力同计算相符。结论：对于长达88米的钢塔，整体采用扳起法竖向转体施工为国内首创，竖向转体全过

2、程采用计算机控制，这也是目前国内最新颖最先进的大型构件提升安装技术。 关键词 钢箱塔 竖向转体 同步提升 技术创新1 工程概况白鹭大桥位于景德镇市昌江大桥下游约1km，是景德镇市外环线的重要工程，按双向四车道城市主干道标准设计，全长795m，其中桥梁范围为487m，桥面总宽度为29m，如图1所示。 图1 景德镇白鹭大桥主桥布置图（单位：mm）白鹭大桥主桥结构形式为三跨连续单索面独塔无背索竖琴式斜拉桥，主跨跨径为120m，两边跨跨径为45.29m，总长210.58m。江中距两岸40m左右各设一主墩和副墩。主梁为连续结构，在塔梁处与塔、墩固结。钢梁采用封闭型扁平钢箱梁加大挑臂结构形式，横隔梁及大挑

3、臂横向间距3.75m，梁高2.7m，箱梁顶宽29m。其中封闭钢箱宽20m，挑臂为2×4.5m。索塔的主体结构为矩形钢箱三室结构，桥面上垂直高度74.628m，塔身倾斜58度。索塔顺桥向截面尺寸由塔顶端5.6m渐变到根部的8m，横桥向宽3.5m。索塔钢箱内填充C30微膨胀砼，采用焊钉来加强钢箱与砼的连接。顺桥向翼缘板钢板厚度为12-25mm，横桥向腹板厚10-20mm，纵向加劲采用I型扁钢，横向设环向加劲和横隔板。钢梁钢塔均为全焊接结构，钢材为Q345q-D, 主桥结构设计用钢量共计3200吨，其中钢塔重量为600吨。斜拉索采用竖琴式平行钢索，主梁上索距为7.5m，全桥共12根。斜拉索

4、水平夹角约25度，规格为SNS/S-7×187。2 钢塔竖转施工方案必选21方案一 概述 使用一个约4050m的塔架进行安装。先将钢塔拖拉到位、穿销。然后搭设安装塔架：用顶升方法将塔架逐节（每个标准节为5m）安装到位，拉紧缆风。随后将钢绞线连接在油缸和地锚之间，通过铰销将其分别与钢塔和塔架横梁的耳板相联，最后通过油缸拉钢绞线使钢塔竖转，到与水平面成58°角度时停止，如图2所示。图2 方案一模型 特点优点：整个系统受力较小，尤其是钢塔本身。缺点：整个塔架需要顶升安装，需高空作业。另外塔架横梁与立柱间的联系受力较大，不易设计，塔架的投资也较大。同时，塔架需要设置后拉杆，如果采用

5、缆风绳代替后拉杆则钢丝绳尺寸较大。2.2 方案二 概述扳起法安装，即在钢塔上安装一个临时起吊支架（由拉杆、压杆、横梁和天锚组成）。先将钢塔拖拉到位，用起重机将压杆吊起，穿销安装到钢塔压杆支座上，将压杆用适当支架支撑好，然后安装压杆横梁和拉杆，将拉杆、天锚和横梁的耳板穿销连接，油缸底座与钢梁上拉点的耳板连接。接着安装油缸，然后将钢绞线穿入油缸和天锚之中，启动液压泵站将钢绞线张紧，逐渐提升拉压杆到位，将拉杆穿销安装到钢塔拉杆支座上，使整个体系稳定。此时就可以进行钢塔整体竖转，到钢塔与水平面成580角时停止，如图3所示。图3 方案二模型 特点优点：没有高空作业，整个竖转系统安装和拆卸迅速方便，使用辅

6、助设备少，整个工程作业量小，12h以内可完成竖转，适合现场施工条件的要求，在整体提升方案中也是较为先进的施工方式。缺点：整个体系受力较大，需布置较多油缸，钢塔本身亦需要适当加强，拉点部位的基础受力较大，所以该点最好借用桥梁本身结构，本桥也具备这个条件，可以利用钢梁上斜拉索锚箱作为拉点。2.3 方案确定经过比选，决定采用第二方案。系统的具体布置如图4所示。 图4 景德镇白鹭大桥竖向转体施工方案总图3 主要施工技术要点3.1 钢塔制作及顶推由于受施工场地和运输条件限制，钢塔采用工厂制作板单元，现场拼装焊接成节段，然后实施顶推的方案。塔座同塔1在平台上匹配安装，同时匹配安装转铰窝和铰轴，然后将塔座拖

7、至理论位置按设计要求进行安装如图5所示，误差为0。钢塔顶推差3m到位时进行纠偏，使钢塔轴线和理论轴线吻合，然后以塔座为基准在上下游各安装4m长的导向，使钢塔沿导向顺利就位。实测钢塔前端偏位为0，尾端偏位为20mm。图5 钢塔顶推示意图3.2 拉压杆安装利用钢塔竖转临时索起升安装拉压杆，因其原始状态躺在钢塔上，这种情况下起升基本上处于自锁状态，是拉不动的，必须用千斤顶将拉压杆铰点顶高至6m。拉压杆安装步骤如图6所示。图6 拉压杆安装步骤图（单位：mm）3.3 转铰窝和转轴的设计和安装精度转铰窝和转轴均采用35锻钢制造，竖转过程中，钢绞线拉力的大小是否同计算相符、转动是否顺利取决于转铰窝和转轴的安

8、装精度及润滑情况。在转铰窝安装过程中，由于焊接变形影响使得转铰窝不同心度超过了5mm，采取的处理办法为：按照转轴的半径和长度制造了一个同心轴，将同心轴按设计要求安放在转铰窝上，在同心轴和转铰窝的间隙内填充巴氏合金，然后在转铰窝周边焊上6mm厚钢板将其封闭以提高其抗压强度。经过以上处理后的转铰窝安装精度结果如下：上下游转铰轴中心里程误差1mm；顶面标高误差下游为1mm，上游为2.5mm，上下游间最大误差2.5mm，铰轴外侧中心标高误差1.5mm；用长钢尺测量上下游塔座顶板到转铰轴距离为7040mm，上下游塔1#顶板到铰轴距离也为7040mm（如图7所示），证明竖转到位后和塔座能够完全吻合，铰轴标

9、高误差为其本身安装不完全同心引起。铰轴处的转动摩擦系数理论上不能给出较准确的数值，根据以往转动或滚动摩擦的经验，如果接触面不能完全耦合，转动过程中会发生爬坡现象或发出铿铿的声音。实际操作时保证转角窝和轴等机加工件的精度，同时保证其耦合面充分润滑，消除了由于接触及润滑不良引起的振动和异响，起塔过程十分平稳。 图7 铰轴铰窝安装示意图（单位：mm）3.4 横向抗风环套设计为保证钢塔在竖转过程中的横向稳定，除在塔顶横向两侧布置了缆风绳外，在转铰轴处还设置了横向抗风环套，环套内径比转铰轴外径仅大2mm，使其只能在指定平面内转动，有效地加强了钢塔扳起过程中的横向稳定，实际竖转过程中两侧缆风绳基本上没有带

10、劲。其结构布置如图8所示。 图8 横向抗风环套安装示意图3.5 临时索后锚碇设计本次竖向转体施工中，采用主梁斜拉索锚箱作为地锚承重是非常成功、非常合理，也是非常经济的。它利用钢梁节段自重来平衡临时拉索产生的竖向力，依靠钢梁本身的轴向承载能力抵抗其水平力，并将水平力传到主墩。然后根据临时索力和设计上一期恒载对单根永久斜拉索要求的索力选择锚点数量。3.6 计算机控制液压同步提升计算机控制液压同步提升技术是一项新颖的构件提升安装施工技术，它采用柔性钢绞线承重、提升油缸集群、计算机控制、液压同步提升新原理，结合现代化施工工艺，将成千上万吨的构件在地面拼装后，整体提升到预定位置安装就位，实现大吨位、大跨

11、度、大面积的超大型构件超高空整体同步提升。3.7 测量控制钢塔到位测量控制采用双控方式，一方面在塔座上设置58°限位装置，另一方面在塔上布置到位观测标记，并且自始至终均在顺桥向中心线上监测钢塔轴线偏位情况。3.8 合拢缝焊接钢塔到位后进行轴线偏位测量，启用横向缆风进行纠偏，并尽快进行临时锁定和合拢缝焊接。 先制作上、下游腹板合拢缝，两板对接坡口为55º±5º，钝边为0，单面v形坡口，两板纵向对接留6-8mm缝隙，背面贴陶瓷衬垫。坡口内磨锈去氧化层及缺陷，并将坡口两边磨光宽20mm，报检合格后进行焊接。不等厚板对接应按规定过渡。 每块腹板从下水平隔板处由东

12、向西焊接，两块腹板同时进行焊接，采用多层多道焊接，确定合理焊接顺序以减小焊接应力，打底焊焊高应大于5mm。焊接时采用码板固定，控制焊接变形。 制作顶板及上、下水平隔板，焊缝探伤合格后，及时安装嵌补筋板。 以上三道工序施工时，钢塔自重和临时索力均集中在转铰窝处，所有焊接均在无应力状态下施焊，为保证钢塔全截面受力，需经过计算调整临时拉索索力，使铰点受力转移为全截面受力，然后拆除转角窝部件，用汽油清洗干净，现场配装切除部分。切除塔座部分临时加强板，留出操作空间，制作底板合拢缝。底板与钢塔底板两板对接合并坡口为55º±5º，钝边为0，单面v形坡口，两板纵向对接留6-8mm

13、缝隙，背面贴陶瓷衬垫。底板与钢梁顶面T接面不开坡口，利用自倾角形成坡口，焊接时，先焊内部，再在外侧清根，坡口打磨后进行焊接。焊缝探伤合格后，及时安装嵌补筋板。 焊接钢塔横隔板。 焊接时如有变形应及时校正，焊后应对钢塔的顶板、底板、腹板的对接焊缝进行打磨。合拢焊缝按规范要求进行无损探伤，合格率为100。3.9临时索拆除和斜拉索挂设合拢缝焊接完成后挂设12斜拉索并张拉到150吨力，整体拆除钢塔竖转临时三角扒杆，然后一次性挂设剩余的11根索（图9），并按计算进行部分张拉，使钢塔基本处于轴向受压状态，弯曲应力很小（最大为2MPa）,截面应力达到最优（应力图见图10）。 图9 桥梁博士计算模型图 图10

14、 截面上下缘应力图（单位：MPa）4 竖向转体施工方案计算4.1 主塔计算主塔可以看成是一个箱型长梁，翼缘板和腹板设计厚度较小，因此在主塔的纵向加了两道纵隔板，钢塔内壁及纵隔板上加焊了若干道纵筋；主塔横向加了若干横隔板和横向加劲板。实际制造中，横隔板有三个孔，为加强其强度，在板上焊有加强筋，人孔四周又包了一块板。考虑到其对整个主塔的受力影响不大，所以为了建模方便，计算模型不挖人孔，其周围的板也不加。隔板的构造如图11所示。 图11 横隔板构造图 使用ANSYS9.0有限元分析软件建立主塔的模型，计算立柱铰销和吊耳处的最大应力。主要使用了四种单元，其中，塔的四周、两道纵隔板、横隔板和横向加劲板使

15、用板单元shell63，纵筋及前拉杆、前压杆使用梁单元beam188，后拉杆使用杆单元link8，每组吊耳板之间的销使用梁单元beam4。主塔的有限元模型如图12，整个模型使用了103576个节点，113448个单元。考虑到主塔在安装过程中可能会出现大风，因此在建模和计算中考虑了两种工况：无风和有风（5级风，风速为10m/s）。无风时结构的载荷即为其自重，有风时还要加上侧向风载荷。约束加在两个地方：立柱铰销处沿轴向和径向的位移及地锚处的所有自由度。 图12 钢塔竖转计算模型图钢塔竖向转体施工在有风工况下各节点计算反力如下表：节点 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计算结果：无风工况下最大应力为372Mpa，有风工况下（5级风）最

23、大应力为486Mpa，均发生在转轴、钢塔底腹板和边腹板的焊接相交点处的微单元上。理论计算虽存在超应力情况，判断不会压溃。 钢塔计算重量为601.2吨，作用在距转轴中心35.13米处，在钢塔平卧初始工况刚启动时为最不利，由此引起的钢绞线拉力和各部位反力最大。根据该结果钢绞线最大拉力为：FY128t FZ369t所以F2×781.14t，则钢绞线应力为：1860Mpa此时压杆压力为642.94t，拉杆拉力为458.7t，转铰支座处反力为1131t。实际提升时油缸反应的最大荷载为786t，同理论计算的781.14t比较，误差仅为0.6，证明转铰窝、转轴和抗风环套安装非常精确，它们之间的转动

24、摩擦面刨光涂满黄油后转动摩擦系数很小，为以后同类型工程施工提供了可以借鉴的依据。4.2 拉压杆铰点高度H的选定合适的H值会使拉压杆的制造、安装方便并使临时拉索的拉力控制在较小范围内。H过大索力较小但拉压杆制造、安装困难，且结构用钢量较多，成本大；H过小则索力较大，引起钢塔本身受力大，加固要求高。经过反复模拟计算、研究比较,本次竖转H值采用25.05m，实践证明是合理的。5 计算机控制液压同步提升技术 本次钢塔竖转提升设备是上海同新机电控制技术有限公司提供和操作的，其技术特点、系统组成和控制原理如下。5.1 计算机控制液压同步提升技术的特点（1）通过提升设备扩展组合，提升重量、跨度、面积不受限制

25、；（2）采用柔性索具承重，只要有合理的承重吊点，提升高度与提升幅度不受限制；（3）提升油缸锚具具有逆向运动自锁性，使提升过程十分安全，并且构件可在提升过程中的任意位置长期可靠锁定；（4）提升系统具有毫米级的微调功能，能实现空中垂直精确定位；（5）设备体积小，自重轻，承载能力大，特别适宜于在狭小空间或室内进行大吨位构件提升；（6）设备自动化程度高，操作方便灵活，安全性好，可靠性高，适应面广，通用性强。5.2 系统组成计算机控制液压同步提升系统由钢绞线及提升油缸集群（承重部件）、液压泵站（驱动部件）、传感检测及计算机控制（控制部件）和远程监视系统等几个部分组成。钢绞线及提升油缸是系统的承重部件，用

26、来承受提升构件的重量。可以根据提升重量（提升载荷）的大小来配置提升油缸的数量，每个提升吊点中油缸可以并联使用。本工程采用350t提升油缸，为穿芯式结构。钢绞线采用高强度低松弛预应力钢绞线，公称直径为15.24mm，抗拉强度为1860N/mm，破断拉力为260.7KN，伸长率在1时的最小载荷221.5KN，每米重量为1.1Kg。钢绞线符合国际标准ASTM A41687a，其抗拉强度、几何尺寸和表面质量都得到严格保证；根据方案要求，需要钢绞线18t左右，其中左旋9t，右旋9t。液压泵站是提升系统的动力驱动部分，它的性能及可靠性对整个提升系统稳定可靠工作影响最大。在液压系统中，采用比例同步技术，可以

27、有效地提高整个系统的同步调节性能。传感检测主要用来获得提升油缸的位置信息、载荷信息和整个被提升构件空中姿态信息，并将这些信息通过现场实时网络传输给主控计算机。主控计算机可以根据当前网络传来的油缸位置信息决定提升油缸的下一步动作，同时，主控计算机也可以根据网络传来的提升载荷信息和构件姿态信息决定整个系统的同步调节量。5.3 同步提升控制原理及动作过程 同步提升控制原理主控计算机除了控制所有提升油缸的统一动作之外，还必须保证各个提升吊点的位置同步。在提升体系中，设定主令提升吊点，其它提升吊点均以主令吊点的位置作为参考来进行调节。主令提升吊点决定整个提升系统的提升速度，操作人员可以根据泵站的流量分配和其它因素来设定提升速度。主令提升速度的设定是通过液压系统中的比例阀来实现的。在