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1、独塔斜拉桥铰接钢塔安装施工工法天津*市政公路工程有限公司1 前言独塔斜拉桥铰接钢塔安装施工工法是以天津市团泊新城团泊新桥工程为载体，针对本工程中铰接钢塔安装方面的技术难点和控制要求，分析、论证铰接钢塔施工的控制技术和方法，并进行总结，形成一套有针对性、指导性的铰接钢塔安装的施工控制方法。天津*市政公路工程有限公司在天津市团泊新城团泊新桥工程的施工过程中，就采用了独塔斜拉桥铰接钢塔安装施工工法，并取得了较好的效果。团泊新桥彩针型主塔及主墩施工技术研究课题经过设计评审、施工应用、性能分析、成果评审等一系列专家评议，被鉴定为国际先进的天津市科学技术成果。2 工法特点2.1施工速度快由于钢塔都是加工厂
2、内预制好的，不受施工现场的进度影响，可与施工现场同时施工，有效地加快了施工速度。2.2适用范围广钢塔安装工法适用范围较广，它主要适用于各种大、中、小型桥梁钢塔的安装，并且钢塔断面结构形式也可为多种形式断面。3 适用范围本工法内容主要适用于各种大、中、小型桥梁钢塔的安装，并且钢塔断面结构形式也可为多种形式断面。4 工艺原理4.1钢塔在工厂内加工制造时，须经过预拼合格后方可运往现场，并做好钢塔块现场安装用限位装置和临时固定措施，即采用螺栓现场临时连接固定工艺。4.2钢塔在工厂内加工制造时，需要将安装用横纵轴线标记在钢管外壁上，现场安装时根据标记进行精确定位对准基准。4.3由于钢塔为空间钢管彩针型结
3、构，安装时保证各段钢塔安装到位和安装后线性顺畅，必须精确控制每一段的安装位置，每根钢管取一个点作为三维控制坐标，每一个坐标值都来源于空间三维模型，为理论坐标值达到精度要求提供保障。钢塔的安装精度控制主要通过放置于横管上的限位板来完成的，限位板的外形做成与所安装段钢塔位置的形状一致，安装时，先将限位板准确的焊接在横撑上（通过全站仪测量，在横撑上准确定位），限位板在平面上可以作为一个调整平台，在上部放置千斤顶，待钢塔段就位后，对钢塔进行微调，以此来确保钢塔的安装精度。每一段钢塔安装就位后，通过测量预先在钢塔段上定好的点的三维坐标值与理论上的值进行对照，并据此进行钢塔段的调节，调节准确后方可进行钢塔
4、段的焊接作业。5 施工工艺流程及操作要点5.1 简单工艺流程：安装下钢铰支座安装上钢铰支座布置搭设钢塔安装支架安装下塔柱安装中塔柱安装上塔柱5.2操作要点：5.2.1安装下钢铰支座下铰支座安装采取固定支架的施工方法。由于下铰支座预埋螺栓一半位于墩身里，在施工墩身混凝土时在下铰支座下侧螺栓位置预留2.5m0.8m0.5m混凝土后浇带。下铰支座支架采用12根I120745mm工字钢焊接而成，在浇筑墩身时将工字钢埋入混凝土内130cm，工字钢下底脚焊接一块25025020mm钢板，并用钢筋与墩身主筋连接牢固，同时工字钢支架做好斜撑防止在振捣混凝土时工字钢移位。工字钢摆放尽量避开钢筋所在位置，如需切断
5、钢筋，则切断的钢筋与工字钢焊接牢靠。工字钢位置详见下图。图5.2.1-1下铰支座工字钢位置及基座图在安装下铰支座前按铰基座基础上顶面角度在工字钢上用 200737mm槽钢焊接一个370cm265cm的基座，基座中心线与下铰支座对齐。将下铰支座固定好后将铰支座与基座周边焊接牢固。同时为确保铰基座与铰支座密贴，施工人员钻入铰支座下方将基座槽钢与铰支座进行焊接，焊接完成后将切断钢筋按规范要求补强好，再进行后浇带墩身和铰基座混凝土的浇筑。为保证铰基座混凝土浇筑质量，该部分混凝土采用微膨自密实混凝土。图5.2.1-2下铰支座安装立面图 图5.2.1-3下铰支座安装侧面图图5.2.1-4下铰支座安装现场照
6、片5.2.2安装上钢铰支座为保证下塔柱吊装就位后能够与钢铰上构件准确顺利的进行连接，在安装前应该在平地上，搭设合适的胎具，对上铰支座和下塔柱进行试拼装，对与铰支座和下塔柱配合不合适的地方，应进行修磨处理，直至两件能够很好的配合后方可进行安装作业。待铰基座混凝土基础浇筑完成达到设计强度后进行上铰支座的安装，上铰支座由于重量较轻，利用50t汽车吊将上铰支座安装就位。上铰支座安装完成并调整好角度后，上下铰支座之间空隙用钢板填充使上铰支座不发生转动，同时将填充钢板在四周焊接牢固，达到临时固结的作用。5.2.3布置搭设钢塔安装支架钢塔安装采用60010mm的钢管搭设支架，逐段拼装的方式进行，钢塔各部件的
7、安装采用500t履带吊吊装完成。钢塔安装支架为43根60010mm钢管桩组成，钢管桩有的落在承台上，有的直接打入河中，有的穿过钢箱梁再打入河中（具体位置参见下图钢管布置平面图），横纵方向除下塔柱范围外其余均采用30010mm的钢管进行连接，斜撑采用20槽钢进行搭设。支架平面尺寸为41m12.3m，钢塔结构最宽处尺寸为5432.9mm，支架高度为90米，支架采用阶梯形式，根据钢塔的安装高度搭设相应高度的支架。竖向主管之间横纵采用3008mm的钢管或者工字钢进行连接，间距7m一道。图5.2.3 钢塔支架平面布置图安装钢塔支架的搭设采用塔吊来完成，根据塔吊的起重能力，塔吊在70m的高度，30米的作业
8、半径范围内起重能力为8t，完全达到起重要求。综合考虑钢塔重量和风载等因素，对支架进行有限元分析计算后，确定支架的强度、刚度和稳定性都是安全的。5.2.4安装下塔柱下塔柱安装前先搭设支架，支架搭设通过塔吊完成。支架搭设范围为主墩承台上、主墩身上及承台外3排4列钢管桩，支架高出主墩墩身顶面23m。支撑下塔柱塔身处钢塔横连采用60010的钢管，对于其它部位的横纵连钢管采用30010规格的钢管。斜撑采用20槽钢。下塔柱重约170t，下塔柱通过辅助栈桥运输至吊装平台，采用1台500t履带吊吊装到位。吊车中线距主塔中线26m，吊车尾部位于下塔柱下部投影线位置，履带吊就位位置见图5.2.4-1：图5.2.4
9、-1 履带吊就位位置图钢塔就位后，根据钢塔的外形和位置加工20mm的限位板焊接于支架上60010的钢管上面，用于控制下塔柱精确调整，限位板形式如图5.2.4-2所示。图5.2.4-2 限位板形状示意图下塔柱和上铰支座连接成为一体后，用30016钢管与支架将下塔柱固结，保证下塔柱的稳定。图5.2.4-3 下塔柱固定示意图5.2.5安装中塔柱在安装主塔塔身前先搭设钢管支架，由于60010钢管桩单根长度为12m，所以每搭设一步钢管桩支架后安装两节塔身，然后再搭设支架、安装塔身。支架立管采用60010钢管桩，每隔7m设一道横连，横连采用3008钢管，斜撑采用20槽钢。图5.2.5-1 钢塔支架立面图采
10、用500t履带吊吊装中塔柱，每节塔通过辅助栈桥运输至吊装平台，吊车中线距主塔中线26m，吊车尾部位于每节塔身下部投影线位置。随着塔节的逐步升高，吊车逐步前移。履带吊就位位置见图5.2.5-2：图5.2.5-2 履带吊就位位置图钢塔安装采用限位板和法兰板进行固定，限位板为75025030mm四块钢板，两块加工成与钢塔线型一致，另外两块为直线型，边250mm范围内倒角，以便就位。钢塔单元段的固定同下塔柱一样，通过钢管支架进行固定，钢塔段在工厂内加工制造时，需要将安装用钢塔纵向中心线标记在钢塔梁外壁上，现场安装时根据标记进行精确定位调整基准，再利用控制点坐标来校核钢塔安装精度。 图5.2.5-3 安
11、装中塔柱第一节 图5.2.5-2 安装中塔柱最后一节钢塔安装采用500吨吊车进行安装，安装顺序是由下往上一次安装钢塔第一到十一节，第一、二节钢塔无拉索，完全靠支架支撑。从第三节钢塔开始，每节钢塔都有3根索连接，一根前索和两根背索，待第三节钢塔安装完成后，挂索张拉背索，将铰支座、下塔柱及第一、二节固定根打开，再施加预应力。然后依次安装，挂索，张拉直至十一节钢塔安装完成。钢塔安装施工顺序：5.2.6安装上塔柱主塔安装完成后，在支架的上部布置脚手架，用于安装上塔装饰部分。钢塔塔顶分为2部分st1 和st2，st1重13.1t、st2重1.69t，安装时st1通过在平台上搭设脚手架来完成安装，st1分
12、成3段用塔吊安装，st2于重量较轻，采用塔吊直接进行吊装作业，在两段接口处搭设工作平台，工人在上面进行焊接作业。5.2.7现场焊接现场焊接由于作业条件相当困难，焊接时必须按照焊接工艺评定要求进行。施焊前应对所有焊件进行检查，焊件是否平整、拼接是否密合、缝隙、坡口是否符合图纸及工艺要求，并检查各种焊接设备是否良好，焊接材料是否符合工艺，焊剂与焊条在使用前须烘干，焊剂中的污物要清除干净，焊丝亦清理干净。焊接工艺参数以焊接工艺评定试验通过的参数为准，对于施工时经历雨季，应按照国家规范中关于空气湿度等相关规定的要求实施。施焊时必须加引、熄弧板，严禁在梁体上引吸弧，完成后气割掉两侧引弧板（不可伤及主材）
13、，再修磨顺直。厚壁钢管和板件焊前需对焊缝两侧及坡口内的锈蚀进行充分清理，焊剂及焊剂垫使用前应进行450烘干2.5小时以上，并进行200保温待用，首先将衬垫装配到焊缝钝边下侧，衬垫应与钢板表面贴紧，适度挤压。首先进行母材预热，预热应采用电热毯或加热棒预热，预热温度控制在焊接侧表面温度为150200为宜，焊前预热范围应沿焊缝中心向两侧至少各100mm以上，并按最大板厚三倍以上范围实施，加热过程力求均匀，当预热范围均匀达到预定值后，恒温2030分钟，然后进行焊接作业。焊接检验：按设计文件要求、公路桥涵施工技术规范（JTG/T F502011）和钢结构质量验收规范（GB50205-2001）规定对焊缝
14、进行检验。5.2.8钢塔安装测量控制钢塔现场安装过程中需要严格控制安装精度。根据监控计算主塔安装时，需向河岸侧预留预偏量，以保证在调索与体系转换过程中，由于主塔两侧索力不对称引起的主塔变位，在成桥状态时正好处在塔中心线设计位置，主塔预偏角度向河岸侧偏移0.248。钢塔安装控制是通过控制所有拼接点三维坐标来控制钢塔线型的。根据设计给定的钢塔形状、线型和角度，建立空间三维模型，计算出每一个拼接点处的理论三维坐标值，将理论坐标值转换成测量用的大地坐标值，用三维坐标来控制钢塔的安装尺寸和精度。安装过程中进行了两次测量，一次是钢塔拼接定位完成后进行一次测量，等钢塔焊接完成并挂索完成后再进行一次测量，分别
15、跟理论三维坐标值进行比较，控制安装误差在规范要求范围内。测量设备采用全站仪进行测量，仪器精度为1+1ppm。为保证测量精度，选在温度较稳定的时间段进行测量。表5.2.8-1 钢塔安装控制精度要求项目规定值或允许偏差(mm)轴线偏差钢塔中线10两孔相邻横梁中线相对偏差5梁底标高墩台处梁底10两孔相邻横梁相对高差5支座偏位支座纵、横线扭转1固定支座顺桥向偏差连续梁或60m以上简支梁2060m以下简支梁10活动支座按设计气温定位前偏差3支座底板四角相对高差2表5.2.8-2 测量使用的主要仪器设备仪器名称型号数量状态全站仪1良好经纬仪1良好水准仪1良好6 材料与设备6.1材料6.1.1 钢材：钢塔采
16、用的钢材材质为Q345qD高强度桥梁专用钢。6.1.2 焊接材料：埋弧焊接采用H08Mn2E型号焊丝；气体保护焊采用TWE-711型号焊丝；手工电弧焊采用E5016型号焊条。6.2 设备表6.2 主要机具设备表设备或机械名称规格型号单位数量用途埋弧自动焊机台5钢塔焊接CO2气体保护焊机台5钢塔焊接手工电弧焊机台10钢塔焊接烘干机台4烘干焊材汽车吊车160t台2安装汽车吊车50t台2安装汽车吊车500t台1安装超声波探伤仪PXUT-211B台1焊缝检测磁粉探伤仪MT-3台1焊缝检测经纬仪TDJ2E台1测量定位水准仪AT-G2台1测量定位全站仪GTS-711台1测量定位涂层测厚仪MIK-IV台1测
17、漆膜厚度7 质量控制根据ISO9001-2000质量管理体系标准要求建立项目质量体系，落实本各岗位的职责，建立质量责任制制度。通过全面、综合的质量管理以控制整个施工过程的质量要求和工艺标准，施工质量主要从以下几方面进行控制：7.1本工程所有钢板经过严格检测，检测结果均满足低合金高强结构钢（GB/T1591-94）的相关规定。7.2 钢塔焊接完成后，对其结构进行检验，均符合钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）和图纸的相关规定。7.3 钢结构件现场安装时严格控制工程质量，主要是测量精度和现场焊接质量。8 安全措施本工程中的安全措施应按以下标准执行：8.1 焊接和板材的切割的安全操
18、作应严格按照焊接与切割安全（GB 9448）执行。8.2 起重机械安全操作应严格按照起重机安全规程（GB6067）执行。8.3 脚手架、钢管桩、临建设施等设施的拆除应严格按照建筑拆除工程安全技术规范（JGJ147）执行。8.4 应按照安全标志使用导则（GB16179）设置安全警示标志，保证人员安全。8.5现场施工安全用电按照施工现场临时用电安全技术规范（JGJ46-2005）有关规定执行。8.6 其他项目的安全要求按建筑施工安全检查标准(JGJ59)的相关规定执行。9 环保措施9.1 降低和防止扬尘。施工现场的主要道路全部建成沥青道路。场区内其他道路，全部采用混凝土硬化。建立洒水清扫制度，专人
19、负责对现场道路进行日常养护、保洁、洒水降尘工作，保证路况良好。9.2 防治施工噪声污染。施工现场的电锯、电刨、大型空气压缩机等强噪声设备搭设封闭式机棚，并设置在远离居民区的一侧，以减少噪声污染。9.3 能源利用和管理。水资源使用：现场沿环路埋设环型雨水管，兼做雨水排放及蓄水使用，对自然降水进行收集。在工地出口位置设置雨水收集池，收集雨水和基坑降水。车辆清洗使用循环水洗车池，使用高压节水喷射系统进行车身冲洗，并将冲洗用水沉淀回收再利用。9.4 电资源使用。施工现场和办公区域使用节能灯具，开关选用节能型开关。工作人员休息或下班后及时关闭照明灯、计算机、空调等用电设备。10 效益分析10.1 施工进
20、度成果应用独塔斜拉桥铰接钢塔安装施工工法技术，实现了钢塔的快速安装，缩短了施工工期。10.2 工程质量成果独塔斜拉桥铰接钢塔安装施工工法的编制、实施等方面均有其独特的思路，使得比较难控制的倾斜“彩针型”钢塔安装质量得到有力的保证，并满足本工程创优的技术要求。安装钢铰支座下构件时采用了支架固定，安放预埋钢板的方法，保证了支座的安装精度，整个塔柱的安装采用了少支架拼装方法，安装控制采用了三维空间坐标来控制塔柱的线型和安装精度，成桥后线型顺畅，误差在规范要求范围内。10.3 施工安全成果为钢塔安装施工的安全、稳定、可靠的进行，本施工工法提供了强有力的技术保障。满足了各个工种顺利、无干扰施工的要求，整
21、个施工过程中无一次重大伤亡事故发生，为将来此类施工的安全管理积累了宝贵经验。11 应用实例本工法已经应用在天津市团泊新城团泊新桥工程。团泊新桥采用了世界上独一无二的“彩针型”独塔斜拉桥形式，桥塔设计高耸、俊美，具有凛然之气，钢结构骨架具有坚实的构造感，给人以结构美直观感受，现代气息十足的玻璃幕墙将建筑语言用于桥梁之上是时代赋予的创新精神，具有门户标志性的建筑特征。倾斜的彩针型塔无论鸟瞰或侧视均神似正欲冲天腾飞的仙鹤的头和长颈，而空中旋转的背跨索面又酷象仙鹤奋力振翅的两翼。一南一北，两座完全对称的彩针型独塔斜拉桥象征着天津市区和“团泊新城”正蓄势待发、将冲天腾飞。而对跨越桥梁和通过河道南北堤岸的人们看来，两个相对倾斜的独塔和背跨索面又象征着天津和“团泊新城”人民张开双臂热切地欢迎着八方来客。通过天津市团泊新城团泊新桥工程总结出的独塔斜拉桥铰接钢塔安装施工工法，大力提升了我国钢结构桥梁的安装技术水平和创新能力，尤其是大型钢塔桥梁的安装，本工法提供了有益的借鉴。13