王紫超1，2，牛 照1,2，陈 鸣1,2
（1．中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉430040；2．交通部长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉430040）
[摘要]研究了一种桥梁钢塔浮吊提升转体工艺，即由工厂拼装成整体，船运至施工现场，然后通过大型浮吊转体吊装，最后利用导向及精调位装置进行匹配。分析了转体吊装过程中可能遇到的各种问题，并对应提出了具体的、行之有效的解决措施。对转体吊耳、转动铰、滑移系统以及导向调位装置进行了深入研究，并进行了详细设计，各结构新颖，可拆装性好，对钢塔损伤较小，承载能力强。最后对转体吊装及精确调位过程中钢塔的稳定性进行了系统分析，证明了整个过程安全可行。
[关键词]桥梁工程；索塔；转体；浮吊；稳定性；设计
[中图分类号] U445. 465 [文章编号]1002-8498(2016)11-0024-04
1工程概况
江海直达航道桥是在建的港珠澳大桥重点工程，跨径为129m +2×250m +129m，其索塔采用“海豚”型钢结构，由竖直的主塔柱、弯曲的副塔柱和造型部分组成。全桥共3个主塔，中塔塔高109. 756m。主塔柱设置三脚撑支承主梁，在索锚区沿拉索方向在主塔柱和副塔柱之间设置连杆。索塔分为Z0底座和上部两段，其中上段高105m，重约2 500t，索塔结构如图1所示。在前期方案比选中，考虑到转体施工，对场地要求不严，并且结合中对大型全回转起重船的重点介绍，经过多方调研，确定索塔上段用浮吊提升转体安装是首选方案。
2 工艺步骤
钢塔提升转体、安装调位步骤如下。
1)步骤1 承台上导向、调位匹配构件安装调试完毕，钢塔上吊耳、铰、滑道等也安装到位，随船运输，各船舶就位。
2)步骤2 索具安装完成，拆除钢塔两侧运输支架，逐级起升吊钩，检查结构和机构是否正常，准备钢塔转体。
3)步骤3 吊钩起升一段高度，纵向千斤顶顶推滑座，使钢塔沿滑道前移一段距离。
4)步骤4 吊钩继续起升，钢塔转体至740，钢塔底部第二级转动铰接触滑座第二级铰座。
5)步骤5继续起升，钢塔第一级转动铰空载，继续起升至钢塔竖直，此时塔底高出设计标高约800mm，拆除钢塔底部转动铰，安装导向匹配件。
6)步骤6起重船回转900，钢塔正对桥轴线，起重船绞锚，沿桥轴线向安装位置移动。
7)步骤7通过缆风绳和导向装置辅助，使塔尽量在Z0正上方。
8)步骤8 最后通过精确调位装置匹配好上、下塔柱，接缝处栓接，拆除临时构件，完成钢塔安装。
钢塔大节段提升转体、安装调位步骤如图2所示。
3设备选型
钢塔在厂内匹配加工，由驳船运输至现场。吊装钢塔起重船若采用固定臂起重船，钢塔必须顺桥轴线起吊，然后横移安装。P140，P139墩跨度为258m，满足固定臂起重船顺桥轴线提升钢塔，转体后横移就位安装，但P138墩钢塔因边跨跨度只有129m，无法满足要求，如图3所示。因此．必须采用全回转起重船才能满足钢塔安装就位要求。
而起重船是关键设备，此处吊重较大，关键是吊高高，一般的起重船难以满足需要。经过多方比选，最终选择了某全回转起重船进行改造，根据钢塔安装要求，改造后的起重船吊装性能参数如下：全回转吊重2 ~600t，甲板以上吊高120m，吊幅47m。
4关键结构
4.1 吊点、吊具设计
设计特点为：①吊点采用栓接结构，尽量减少对主体结构的影响；②两个吊点宽度与浮吊主吊钩距离一致，无须另外设置扁担，对起重船吊高影响小；③吊具采用可沿吊点转动的钢板吊带结构，减少了吊点吊臂距离，并保证了转动可靠性。吊点、吊具结构设计如图4所示。
吊点受力分析：考虑到塔柱安装过程中受力情况，取2种工况，采用有限元建模计算：①工况1塔柱水平时，起重船将塔柱上端刚提起的状态；②工况2塔柱吊起翻转成竖直状态。经分析，吊点结构局部应力最大为214MPa，变形最大为2.3mm，满足要求。
4.2滑移系统设计
滑移系统由转动铰、铰座、平衡梁和顶推滑移装置4部分组成，如图5所示。
4.2.1 转动铰、铰座结构
转动点的误差影响了转体过程中的偏位，所以转动铰及转动轴的制作及安装精度关系到是否顺利转体的关键技术。所以钢铰的转动面应保证3.2以上的光洁度，材料应进行超声波探伤检测，结构在工厂内制作后应采取消除应力处理。
并且钢塔从卧运转体至直立状态，重心将转过临时铰座正上方，铰座要具备防突转的功能，所以在钢塔底部设置阶梯形两级栓接铰座，第一级作为钢塔转体过重心前的临时铰，第二级作为钢塔过重心后的临时铰，可防止钢塔突转。其结构采用钢板加工成半圆形结构，圆弧面机加工，保证转动灵活，与钢塔栓接。
4.2.2 平衡梁及顶推滑移装置
平衡梁用于船舶在摇摆情况下保持铰座始终处于水平状态。
钢塔提升转体时，起重船需保持竖直起吊，以保证起吊安全，这就要求钢塔底部铰座能实时推进，并克服自重产生的水平分力，所以在钢塔底部设置2条带销孔的滑道，滑道内布置顶推千斤顶，既可顶推钢塔沿滑道纵移，也可克服钢塔纵向水平力。
另外，在铰座与平衡梁之间设置竖向和横向阻尼橡胶垫板，可以适应船舶的横向摇摆变形，防止铰在转体过程中受损，保证转体安全（见图6）。
4.2.3转动铰局部受力分析
取2种工况，采用有限元建模计算钢塔转体过程中转动铰局部受力情况。经分析，转动铰结构局部应力最大为230MPa，变形最大为2.26mm，满足要求。
4.3钢塔上段安装导向及限位措施
钢塔上段转体后，由于在安装就位过程中受风浪影响，钢塔会产生平面摆动和竖向振动，影响吊装安全和平稳就位，所以在承台上布置导向支架与导向框，设置交叉缆风绳缓解钢塔平面摆动，并在钢塔上设置抱箍，安装导向梁，防止碰擦损坏钢塔表面，同时在Z0节段4个角点布置缓冲橡胶板，通过临时搁置其上吸收钢塔竖向振动。导向框、交叉缆风绳布置如图7所示。
在钢塔吊到Z0正上方准备就位时，可能遇到的问题及解决措施如下。
1)钢塔重心与理论计算可能存在偏差，导致钢塔提升转体后产生整体倾斜，以及接缝断面产生高差，影响钢塔就位，所以在支架上设置调整油缸，以其为支点，通过起重船吊臂变幅调整钢塔因重心偏差产生的倾斜，并将平面位置控制在5cm以内。
2)钢塔底部为变截面，下落就位过程中，截面尺寸逐渐变小，导向限位困难，所以在钢塔底部变截面通过抱箍设置竖向导向轮，将斜面变为竖直面，方便导向和限位，并保护钢塔表面（见图8）。
3)钢塔搁置在橡胶垫板后需精调，此时起重船吊臂可能因吊钩荷载部分转移而起升平移，通过调整油缸约束钢塔侧向位移。
4.4钢塔上段安装精确调位措施
对钢结构匹配精确调位系统的重要性进行了分析，此处钢塔安装精度要求更高，其中接缝错边量<2mm，而钢塔自重大，起重船随波浪摇摆，普通的导向匹配件难以自动导向钢塔，不能保证接缝质量，而且一旦落位过程中产生偏差，依靠起重船吊钩重新提升钢塔调位风险较大，所以需要在承台上布置三向调位装置。具体布置结构如图9所示。在承台上布置千斤顶调位支座，在钢塔侧面布置调位牛腿，当钢塔落位搁置在橡胶垫块上后，起重船吊钩仍保持50%以上荷载，然后利用千斤顶起顶钢塔，通过沿接缝处设置的匹配件精确就位，这样可以精确调整钢塔的平面位置，同时避免了起重船反复起落钩，保证吊装安全。
考虑塔柱自重全部由4个调位牛腿承担，采用有限元建模计算，其中最大应力为204MPa，最大变形值为4mm。
5数值模拟
5.1 船上转体稳定性分析
强调了船体随波浪起伏时稳定性的重要性，并且驳船对钢塔转体的稳定性存在影响，所以需进行分析。
1)计算条件 水深8m;水流速度2m/s；风：NPD风谱，表面摩擦力系数取0.02；风速12m/s，基准高度0. 025m，风剖面指数0.125；波浪3参数Jonswap谱，分别指定谱峰参数1.5，有义波高0. 8m，以及谱峰周期4s。
2)计算模型 采用水动力分析软件计算程序对运输驳船湿表面进行水动力特性分析。
3)频域分析结果桥位处波高主要集中在[0，0. 8m)，波浪周期在[0，4s）范围内，驳船的响应幅值很小。
4)时域分析结果考虑钢塔起吊转体周期，取3h时历分析，得到横摇最大角度为0.650，换算至半船宽范围横摇幅度约为25cm，换算至钢塔底部宽度范围横摇幅度约为10cm。通过驳船随波浪摆动的动力分析可知船体的横向摇摆幅值较小，稳定性好。
5.2钢塔上段安装动力分析
钢塔上段转体后，在安装就位过程中，受风浪影响，钢塔会产生平面摆动和竖向振动，影响吊装安全和平稳就位，所以需要分析钢塔吊装过程的动力响应，并采取必要的缓解措施。采用专业软件进行非线性时程动力分析，主梁采用梁单元建模。
将吊装过程激励分析得到的位移时程求导得到的加速度时程作用于吊索具与钢塔组成的结构系统，计算时长取300s，可以得到钢塔位移非线性时程曲线，如图10所示。
通过分析可知，考虑波浪动力作用，钢塔吊装过程中，塔底水平向位移稍大，但采取的缆风绳和导向措施可以减少这种位移；塔底竖向位移响应很小，产生的强烈冲击的可能性很小，通过橡胶垫块可抵抗这种冲击；吊索索力响应幅值为600kN，变化幅度不到钢丝绳破断拉力的1%，对吊装安全影响较小。
6 结语
本文详细介绍了钢塔浮吊吊装转体及安装匹配工序，并对细部结构进行了设计和分析，最后研究了吊装过程的整体稳定性，为钢塔吊装提供了一个切实可行的整体解决方案，可作为类似吊装工程的参考。
下一篇:返回列表
