段志勇
(中铁大桥局集团有限公司 武汉 430050)
摘 要港珠澳大桥九洲航道桥上塔柱采用整体竖转技术进行安装，解决了施工期航空限高问题，其施工过程安全高效，实现了索塔高精度安装。文中介绍了其竖转过程中应用到的关键工装设备、施工控制重点，以及塔柱对接工艺。
关键词 竖转技术 海上斜拉桥 钢索塔安装
1工程概况
港珠澳大桥主体工程九洲航道桥为双塔中央索面钢一混组合梁斜拉桥，全长693 m，桥跨布置为85 m+127.5 m+268 m+127.5 m+85 m，采用塔、梁、墩固结的结构体系，其主梁为分离式开口钢箱十混凝土桥面板的组合截面，索塔为钢一混结构、“风帆”造型，斜拉索采取竖琴形布置。索塔塔高114.7 m，由竖直的主塔塔柱和弯曲的曲臂组成，自塔底至塔顶依次为：13.7 m混凝土塔柱、3m钢一混结合段和98.0 m钢塔柱。其中主塔钢塔柱共分为10个节段，即TO（钢混结合段）、T1，T2，T3（塔梁固结段）、T4～T9节段；曲臂共分为8个节段，即Ql（曲臂钢混结合段）、Q2，Q3，Q4～Q8节段。索塔分段见图1。
2方案概述
九洲航道桥总的施工顺序为先梁后塔，由于桥址区域位于澳门机场起降航线上，其航空限高为122 m，桥梁索塔塔顶设计高程为120 m，采取常规的设置墩旁塔吊辅助进行索塔竖向分节段吊装施工的方法难以满足施工期航空限高的要求，因此下塔柱钢塔（T0～T3节段及Q1～Q3节段）采用节段拼装的方法施工，而钢塔上塔柱(T4～T9节段及Q4～Q8节段，总重959.9 t)则采用整体安装的方法施工。
在上塔柱整体安装过程中成功应用了竖转技术（布置见图2），其施工的主要步骤为：①布置梁面水平滑道；②上塔柱加工成整体后船运至墩位附近，利用大型浮吊吊装上桥面相应位置，其前支点位于下塔柱顶口，后支点位于滑道梁上；③安装桥面竖转提升支架，布置4-560 t连续千斤顶；④安装钢塔上提升吊具，启动连续千斤顶，整体提升上塔柱逐步竖转至竖直状态；⑤调整上塔柱姿态，下放与下塔柱进行对位焊接，完成塔柱安装。
3 关键工装设备的应用
上塔柱在竖转过程中的水平滑移总长度为34. 364 m，竖向提升总高度为29. 62 m，其施工工装主要包括水平滑移系统和竖向提升系统。
3.1水平滑移系统
(1)滑道梁。滑道梁是钢塔竖转时的后支点滑道，总长42 m，分2组对称于桥轴线布置在组合梁桥面上，2组滑道间距为5. 225 m。滑道梁顶涂抹黄油作为滑道，安放2个滑座用于支承钢塔滑移铰，单个滑座承受竖向荷载为150 t。
(2)滑移铰。滑移铰以直径1 000 mm、壁厚20 mm钢管作为转动轴，钢管内部灌注C30自密实混凝土，上塔柱出厂前采用12.9级M30高强螺栓将滑移铰连接座与钢主塔底口进行紧固连接。上塔柱吊装上桥面时使滑移铰整体落入滑座内，滑移铰钢管两端内切于滑座顶面圆弧面，两者间垫10 mm厚聚四氟乙烯板，以减小竖转过程中的转动摩阻力。
(3)水平牵引系统。对竖转过程中出现的水平摩阻力，采取设置水平牵引系统进行主动控制予以克服。水平牵引设备为2台TX100J型连续提升油缸，通过滑道梁端头反力座进行支承，牵引钢绞线前端锚固于滑座上。沿滑道水平安装带有刻度的钢尺，滑移铰处安装指示杆，钢塔提升竖转过程中实时观测水平位移并对比相应的提升高度，确保两者速度匹配。
3.2竖向提升系统
(1)提升支架。提升支架为竖转过程中竖向荷载的主要受力结构，总高约46.5 m，由对称分布于滑道梁2侧的2组格构式受压钢管立柱组成(支架平面见图3，钢管直径1 000 mm、壁厚20mm)，靠内侧4根立柱承受全部竖向荷载。
(2)提升千斤顶。上塔柱整体竖转提升根据“计算机控制液压同步提升技术”选择连续千斤顶同步控制系统，系统设备主要由穿心式油缸、液压泵站和控制柜组成。每组钢管立柱顶各布置2台TX- 560J吨穿心式提升油缸（外形尺寸Q800mm×2 375 mm)，其间距为5.1 m，通过1台TX-40P2液压泵站（双比例系统，可对每台油缸进行单独控制）驱动2台油缸。提升控制系统采取一台控制柜控制2台液压泵站及4个提升油缸的集中控制模式。
(3)提升吊具。钢塔柱与提升油缸之间的提升连接由下至上依次为：钢塔柱、扁担梁、三角连接板、锚箱、钢绞线、穿心提升油缸。钢绞线规格为7-Qs15. 24高强度低松弛钢绞线(pk =1 860MPa)，其一端与穿心顶油缸的上下锚具相连，另一端与锚箱穿心锚固，锚箱与三角连接板、三角连接板与扁担梁、扁担梁与钢塔柱之间均采用销轴连接。
扁担梁设置在上塔柱重心位置以上4. 216 m（T6，T7节段分界线以上1.125 m）处，为确保提升竖转过程中钢塔结构的稳定，将扁担梁设计成U形抱箍钢箱结构，并通过4根直径280 mm销轴将扁担梁与钢塔连为整体。
三角连接板作为竖转提升过程中的主要传力构件，采用厚度为60 mm、材质为Q690D钢板焊接而成的半封闭式结构，与扁担梁通过直径320mm销轴进行连接。为部分适应钢塔面外倾角（竖转过程中最大倾角不允许超过2。），在销轴结构上增加球铰（外球材质35号锻钢、内球铰材质9Cr2锻钢）连接方式，见图4。
4钢塔竖转施工控制
竖转实施过程中坚持“低速平稳、严格匹配”原则，对整个提升系统进行全程监控以确保安全，其控制策略为：位置同步，载荷跟踪。
4.1 控制提升荷载均衡
在4台提升油缸处各设置1台压力传感器，其精度1%。在提升过程中通过压力传感器实时监测油缸提升载荷，通过油缸压力调节，保证4个提升吊点载荷差值控制在5%以内。
4.2控制提升位移同步
在钢塔两侧提升吊点处各设置1台绳式位移传感器，精度±2 mm。在提升过程中通过位移传感器实时监测两侧吊点提升行程，确保两者最大差值不超过1 cm。
4.3控制水平位移与竖向位移同步
竖转过程中，钢塔运动轨迹见图5：将钢塔简化为一个刚体，其中：A点为滑移铰中心点始终沿水平方向运动；B点为提升铰点中心始终沿竖直方向运动；AB长度始终保持不变。假设A点水平前移距离为X，B点竖直提升高度为y，则有：(34 364_X)2+(5 124+Y)2 =34 7442.
通过对钢塔运动轨迹数据进行离散分析，将竖转实施过程划分为初始提升阶段(提升高度为0～17 m)、中间阶段（提升高度为17～23 m）、就位阶段（提升高度为23～29. 62 m）3个阶段，以滑移铰水平滑移距离每250 mm -个步长为控制依据，监测相对应的竖直提升位移。
(1)初始提升阶段。竖向提升位移大于水平滑移位移，以前者控制为主，由于此时提升钢绞线自由长度较大，水平位移的偏差对竖向提升角度影响很小，其值可控制在10 cm内。
(2)中间阶段。竖向提升位移与水平滑移位移差距不大，同时控制两者的位移量，确保提升速度与水平牵引速度相当。
(3)就位阶段。竖向提升位移小于水平滑移位移，控制方式以水平牵引为主，每水平行走一个位移，调整相对应的竖向提升高度，确保钢绞线始终处于竖直受力状态。
4.4施工安全控制
(1)选择合适的施工气象窗口，海面6级风以上不进行竖转提升作业。
(2)正式竖转提升前采取分级加载的方式进行试提升，持荷2～3 h以观察整个提升支架结构的受力情况以及提升系统的运行情况，确认各项指标达标后再进行正式提升。
(3)提升竖转过程中，确保提升钢绞线始终保持竖直状态，控制钢塔侧面外倾斜不超过0. 08。，采取人工量测和倾斜仪读数监测双控方式，钢塔面外倾角过大时及时停止作业。
(4)提升竖转就位阶段末期，严格控制提升速度，利用水平千斤顶反向带力预防钢塔由于重心不平衡而出现晃动。
(5)施工过程中，持续开展对提升支架变形情况的监测，确保结构始终处于安全状态。
5索塔对位焊接
上塔柱对位安装的垂直度及平面精度控制以主塔为主，同时兼顾曲臂，其步骤如下：①钢塔竖转至竖直状态后拆除滑移铰，继续提升钢塔使其下端底口位于下塔柱T3顶口正上方3.3 m，停止提升并锁定提升千斤顶，测量上、下对接口平面相对位置；②4台千斤顶同步缓慢下放上塔柱，使钢塔底口顺利滑入T3顶口的初步导向，沿导向下放至距离T3顶口约2 cm时停止下放作业并锁定千斤顶，精确调整上塔柱姿态：通过小幅提升或回落个别提升千斤顶进行垂直度微调，同时在T3顶口内侧设置倒链进行平面及扭转精调；③上塔柱完成精调且上、下接口错台不大于2 mm后，在T3顶口内侧四边设置限位码板对接口进行临时限位，继续下放钢塔使主塔接口上、下端口壁板完全接触，并完成塔内接口处匹配件临时螺栓连接；④千斤顶继续回油卸载至最大提升荷载的60%后持荷锁定，进行主塔接口焊接，完成全部壁板和竖肋焊接后千斤顶完全卸载，拆除提升工装及相关设施。
6结语
通过整体竖转技术在九洲航道桥主塔上塔柱安装施工中的成功应用，将索塔节段间大量的对接焊缝由现场施作转化为工厂施作，不仅降低了高空施工作业难度和安全风险，提高了施工工效，而且保证了结构焊接质量和安装线形，实现了海上斜拉桥钢索塔高精度安装，达到了塔顶高程偏差≤20 mm、轴线偏差±12.2 mm、塔偏±23.8mm的效果。
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