甬江特大橋索塔施工塔吊選型及布置

PAGEPAGE14甬江特大橋索塔施工塔吊選型及布置廈門工程有限公司寧波甬江大橋項(xiàng)目

葉派平歐陽潮摘要：隨著橋梁的發(fā)展，超過百米高的橋墩和數(shù)百米高的索塔已不再少見，此類工程施工對垂直運(yùn)輸?shù)囊笤絹碓礁?。在現(xiàn)代橋梁高墩施工中，塔吊已基本上成為一種必不可少的垂直運(yùn)輸起吊設(shè)備，其選型和布置不但是施工技術(shù)措施中不可或缺的重要組成部分，而且對施工工期有著重要影響。關(guān)鍵詞：索塔塔吊選型布置引言隨著橋梁中橋墩、索塔高度的不斷增加，其施工難度也在增大，施工中機(jī)具、設(shè)備的投入越顯重要，尤其是運(yùn)輸、起吊設(shè)備的投入。為確保工程能夠優(yōu)質(zhì)高效、安全環(huán)保地完成施工，并且做到提高勞動效率、節(jié)省機(jī)具投入、節(jié)省施工成本，就必須對所投入的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行合理選擇和搭配。塔吊（又稱塔式起重機(jī)）以其鮮明的特點(diǎn)——工作高度大、幅度大、全回轉(zhuǎn)、服務(wù)范圍廣、視野開闊、適用性強(qiáng)等，已成為橋梁高墩、高塔施工中一種必不可少的垂直運(yùn)輸起吊設(shè)備。橋梁施工中受施工環(huán)境、場地位置以及墩柱、索塔外形結(jié)構(gòu)等限制，施工組織設(shè)計(jì)中對于塔吊的選型、布置以及附著設(shè)置必須結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行綜合系統(tǒng)的考慮，方可取得較完善的方案。1工程概況甬江特大橋是寧波市繞城高速公路東段的控制性和標(biāo)志性工程，采用四索面邊箱形鋼——混凝土疊合梁斜拉橋，跨徑組成為54＋166＋468＋166＋54m，全橋設(shè)雙塔，塔型采用雙菱形聯(lián)體索塔，塔高141.5m（含塔座），塔柱設(shè)上下兩道橫梁，上下橫梁均施加預(yù)應(yīng)力，橋塔錨固方式采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固。下橫梁以上部分塔柱內(nèi)外側(cè)面橫橋向斜率1/9.600，下橫梁以下部分塔柱外側(cè)面橫橋向斜率1/3.833，內(nèi)側(cè)面橫橋向斜率1/2.963，左右幅成對稱布置。塔柱采用變截面，從頂部至下橫梁處塔柱截面為4.0m×7.0m～4.0m×9.44m空心截面，下橫梁至塔柱底為4.0m×9.44m～6.0m×10.0m空心截面。全橋索塔混凝土量31346立方米，鋼筋總重8196噸。大橋工程屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬、夏盛行風(fēng)向隨季節(jié)而變化，夏季受熱帶海洋性氣團(tuán)控制，盛行偏南風(fēng)，冬季受大陸冷氣團(tuán)控制，盛行偏北風(fēng)。累年平均大風(fēng)（風(fēng)速≥17.2m/s，8級風(fēng)）日數(shù)為30.9天，工程影響區(qū)一年四季均可出現(xiàn)大風(fēng)天氣，出現(xiàn)頻率季節(jié)變化不太明顯，7～8月大風(fēng)日數(shù)略大于其它月份，主要也是因?yàn)闊釒庑绊?。影響大橋工程區(qū)的主要災(zāi)害性天氣有熱帶氣旋、暴雨、龍卷、冰雹、雪、霧、颮等。索塔塔柱施工采用全自動液壓爬模法施工，上下橫梁采用鋼管支架法施工。圖1-1索塔一般構(gòu)造圖2塔吊選型塔吊的種類有軌道式、附著式、爬升式等。甬江特大橋雙菱形聯(lián)體索塔總高141.5m（含塔座），為確保索塔施工安全，優(yōu)先選擇附著自升式塔吊。塔吊型號選擇時(shí)，需根據(jù)橋梁工程不同的地理環(huán)境位置、工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工技術(shù)方案等確定塔吊主要參數(shù)，從而選擇合適的塔吊型號。塔吊的主要參數(shù)有：工作幅度、起重量、起重力矩和起升高度。塔吊工作幅度又稱回轉(zhuǎn)半徑或工作半徑，是塔吊選型時(shí)首先需要考慮的參數(shù)，塔吊最大工作幅度必須滿足施工平面需要，塔吊工作幅度與塔吊布置位置有關(guān)，需結(jié)合施工技術(shù)方案進(jìn)行考慮。塔吊起重量包括最大起重量和最大工作幅度時(shí)的起重量兩個(gè)參數(shù)，起重量應(yīng)包括起吊物、吊具、吊索等作用于塔吊起重鉤上的全部重量。塔吊起重力矩是工作幅度和與之相對應(yīng)的起重量的乘積，起重力矩是反映塔吊起重能力的一項(xiàng)首要指標(biāo)，在進(jìn)行塔吊選型時(shí)，初步確定起重量和工作幅度參數(shù)后，還必須根據(jù)塔吊技術(shù)說明書中給出的數(shù)據(jù)，核查是否超過額定的起重力矩。塔吊起重力矩一般控制在其額定起重力矩的75%之下以保證作業(yè)安全并延長其使用壽命。塔吊起升高度為基礎(chǔ)頂面至吊鉤中心的垂直距離，起升高度應(yīng)不小于橋墩、索塔等建筑物的總高度加上起吊物、吊具、吊索和安全操作高度，同時(shí)應(yīng)滿足塔吊超出建筑物頂面障礙物，如斜拉橋索塔施工爬架、索塔頂避雷塔等。當(dāng)塔吊主要參數(shù)指標(biāo)滿足施工需求時(shí)，還應(yīng)考慮每個(gè)橋梁工程的特殊要求，并擇優(yōu)選擇性能好、工效高和費(fèi)用低的塔吊。甬江特大橋索塔在下橫梁處橫橋向最大寬度達(dá)62.62m，施工起吊物主要為鋼筋、索導(dǎo)管、模板、液壓爬模、上下橫梁支架鋼管、主動橫撐鋼管、施工所需機(jī)具設(shè)備以及后期主梁施工期間托架鋼管、橋面吊機(jī)、鋼梁起吊龍門、斜拉索等。其中起吊頻率最大的是鋼筋，其它起吊物頻率較低。起吊物中大部分可進(jìn)行適當(dāng)拆除分解，而斜拉索為不可分解單元，斜拉索中最長索單根重達(dá)21t，但因斜拉索起吊頻次有限并綜合塔吊投入費(fèi)用，不考慮塔吊作為全橋全部斜拉索的起吊設(shè)備，對于斜拉索起吊單獨(dú)設(shè)置起吊桁架。根據(jù)索塔施工技術(shù)方案，施工期間最大起吊物為索塔施工液壓爬模系統(tǒng)，起重量5t，此時(shí)工作幅度約30m。在甬江特大橋塔吊選型時(shí)除考慮塔吊主要參數(shù)外，還綜合考慮了以下幾方面：甬江特大橋距入?？趦H10km，每年夏季均受臺風(fēng)影響，臺風(fēng)襲擊時(shí)最大風(fēng)力可達(dá)12級，所以塔吊自身的抗風(fēng)性能對施工安全起著重要作用；索塔總高達(dá)141.5m，當(dāng)塔吊起吊高度較大時(shí)鋼絲繩極容易攪到一起，則要求塔吊必須要通過構(gòu)造措施很好地解決鋼絲繩打攪的問題；甬江特大橋索塔采用雙菱形聯(lián)體索塔，每座索塔設(shè)有四個(gè)塔柱，施工過程中起吊物為普通橋梁索塔的兩倍，塔吊利用率高，對塔吊的安全性和可靠性有更高的要求，并要求塔吊采用變頻技術(shù)，確保塔吊工作平穩(wěn)可靠；聯(lián)體索塔設(shè)計(jì)決定了施工任務(wù)的繁重，故而在塔吊選型時(shí)要求塔吊附著數(shù)量盡量減少，減少附著數(shù)量，也能減小塔吊對索塔的應(yīng)力集中影響；甬江特大橋施工區(qū)域?yàn)槔讚舳喟l(fā)區(qū)域，要求塔吊要有完善的防雷措施。綜合甬江特大橋索塔高度、外形尺寸、施工場地布置、起吊物組成、總體施工技術(shù)方案以及投入費(fèi)用，本著保證塔吊安全性、實(shí)用性、高效性、可靠性的原則，最終選用波坦MC170A型塔吊。表2-1MC170A塔吊的性能指標(biāo)3塔吊布置塔吊平面位置的選擇，對高效、安全地使用塔吊起著決定性的作用。塔吊布置位置不當(dāng)，將可能降低塔吊利用率，如施工場地范圍內(nèi)存在盲點(diǎn)，有時(shí)甚至危及塔吊安全，如塔吊碰及周邊高壓線或其它建筑物、構(gòu)筑物。塔吊平面定位布置應(yīng)盡量滿足以下各方面要求，當(dāng)個(gè)別要求無法同時(shí)滿足時(shí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合衡量，確定最合理的布置方案，滿足塔吊工作幅度的充分利用，使塔吊工作幅度覆蓋全部施工作業(yè)面，避免存在施工盲點(diǎn)，可通過作與塔吊作用半徑一定比例的圓，而后在同比例施工平面圖中進(jìn)行布置定位。滿足塔吊起重能力的合理利用，塔吊起重量隨著工作幅度的增大而減小，需結(jié)合一定范圍內(nèi)的起吊物重量確定塔吊位置。滿足周邊環(huán)境條件對塔吊的要求，塔吊布置時(shí)需避開周邊的建筑，如高壓線、民宅、道路等，需最大限度地減少起吊時(shí)起吊物從民宅、道路上空走過。滿足施工過程中設(shè)備、設(shè)施的空間要求，如多臺塔吊交叉作業(yè)時(shí)需滿足相鄰塔吊的作業(yè)要求。滿足塔吊附著位置及尺寸要求，橋梁索塔結(jié)構(gòu)形式千變?nèi)f化，菱形、A字形、倒Y形索塔上部向內(nèi)收縮，塔吊布置時(shí)必須考慮附著的可行性和安全性。滿足塔吊基礎(chǔ)受力要求，塔吊基礎(chǔ)必須牢固可靠，盡量避免塔吊基礎(chǔ)設(shè)置于軟土地基上。滿足塔吊安裝、拆除要求，塔吊起重臂、平衡臂長度較長，且安裝、拆除時(shí)其朝向固定，在拆除時(shí)不能碰及已施工建筑，尤其是斜拉橋斜拉索及懸索橋主纜。滿足施工工期要求，塔吊布置時(shí)盡量做到一次安裝即可完成全部起吊作業(yè)，避免施工過程中的塔吊轉(zhuǎn)換。滿足費(fèi)用要求，應(yīng)考慮以最小的投入完成施工中的全部起吊作業(yè)。根據(jù)甬江特大橋施工現(xiàn)場實(shí)際，在施工區(qū)域內(nèi)無影響塔吊布置的高聳建筑物，塔吊可布置于施工區(qū)域任意位置。雙菱形聯(lián)體索塔下橫梁處橫橋向達(dá)最大寬度，塔身上部向內(nèi)縮小尺寸較大，在塔吊布置時(shí)需同時(shí)考慮此兩種工況下起吊物的重量及所需的塔吊工作幅度。根據(jù)各方面要求，甬江特大橋塔吊布置有多種方案可供選擇：①兩臺塔吊（一臺長臂，一臺短臂），分別布置于上、下游側(cè)，其中短臂塔吊至索塔施工完成后拆除，另一臺長臂塔吊直至全橋施工完成；②兩臺塔吊（均為短臂），分別布置于上、下游側(cè)，直至全橋施工完成；③兩臺塔吊（一臺長臂，一臺短臂），長臂塔吊布置于左右幅中間直至全橋施工完成，短臂塔吊布置于上游側(cè)或下游側(cè)至索塔施工完成后拆除；④一臺塔吊（長臂），布置于左右幅中間直至全橋施工完成。經(jīng)多面精心比較，最終選用方案③。方案①、②中，施工至上塔柱后因向內(nèi)收縮，則塔吊附著增長，設(shè)置塔吊附著時(shí)需設(shè)置強(qiáng)有力的鋼桁架才能滿足受力要求；另外塔吊布置于上下游側(cè)將影響施工電梯的布置，增加施工電梯布置難度；并且方案②中塔吊投入費(fèi)用較大，兩臺塔吊任何一臺出現(xiàn)故障都將對索塔工期產(chǎn)生影響。方案④中單座索塔僅布置一臺塔吊，單臺塔吊需負(fù)責(zé)全部四個(gè)塔柱施工，則塔吊不能完全滿足施工需要，且該布置方案要求塔吊任何時(shí)候都不能出現(xiàn)故障，否則將直接拖后索塔施工工期。方案③有如下特點(diǎn)：上下游僅一側(cè)布置塔吊，另一側(cè)可很好地布置施工電梯；減少長臂塔吊附著長度，并為對稱受力，受力合理；塔吊可以避讓開橋面的平面位置范圍，不干擾主梁施工；兩臺塔吊均為一次安裝即可完成全部起吊作業(yè)；短臂塔吊至索塔施工完成后即可拆除，節(jié)省了塔吊的投入；長臂塔吊工作幅度覆蓋短臂塔吊，兩者附著設(shè)置時(shí)存在相互影響；受成橋后索塔聯(lián)體段及斜拉索影響，增加了長臂塔吊拆除難度。圖3-1方案③塔吊布置示意圖在甬江特大橋塔吊布置過程中，還考慮了以下幾方面要求：根據(jù)施工現(xiàn)場布置，長臂塔吊工作幅度覆蓋鋼筋加工場地，短臂塔吊覆蓋勁性骨架加工場地，節(jié)省了后場加工場地的起重設(shè)備；兩臺塔吊與塔柱間的距離必須滿足索塔液壓爬模系統(tǒng)的爬升空間要求。4塔吊附著設(shè)計(jì)附著自升式塔吊隨施工進(jìn)程向上頂升接高，接高到塔吊設(shè)計(jì)的自由高度后，必須使用錨固裝置將塔身與橋墩、索塔等建筑物相聯(lián)結(jié)，形成附著。通過附著使塔吊上部傳來的水平力、不平衡力矩以及扭矩傳給建筑結(jié)構(gòu)；同時(shí)減小塔吊塔身的長細(xì)比，改善塔身結(jié)構(gòu)受力情況。附著設(shè)置方式、相互間距和附著距離等，本應(yīng)按出廠說明書中的規(guī)定執(zhí)行，但因橋梁索塔結(jié)構(gòu)與房建結(jié)構(gòu)相比，截面尺寸變化大，塔吊布置時(shí)基本無法滿足說明書中的附著距離要求，必須根據(jù)工程實(shí)際，按說明書中塔吊的自由高度和附著的桿件角度對每道附著進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。甬江特大橋索塔采用全自動液壓爬模法施工，液壓爬模整體高度約14m，施工時(shí)超出節(jié)段交界面2m。索塔施工鋼筋、勁性骨架長度為9m，混凝土節(jié)段斜高4.5m（垂直高度4.48m

），鋼筋頂標(biāo)高與節(jié)段交界面間高差最大時(shí)約3m，吊裝空間余量按3m考慮。則該液壓爬模系統(tǒng)及鋼筋將直接占去塔吊18m的自由高度。施工現(xiàn)場因短臂塔吊設(shè)置附著后自由高度不足30m，只能滿足18m＋9m=27m的施工要求，故塔吊需每隔9m設(shè)置一道附著（臨時(shí)附著或永久附著）。附著設(shè)計(jì)時(shí)密度大，為加快附著安裝進(jìn)度，對附著桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。將附著桿與附著框、索塔塔臂之間均采用鉸接，同時(shí)將附著桿的一端加工成可縮可伸的靈活端，安裝時(shí)可根據(jù)不同情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，且伸縮端亦可作為塔身垂直度的調(diào)節(jié)裝置。甬江特大橋地處濱海環(huán)境，對于橋塔結(jié)構(gòu)的耐久性有很高的要求，對索塔表面的施工預(yù)埋件需進(jìn)行嚴(yán)格控制。以往工程中普遍采用將預(yù)埋鋼板埋進(jìn)混凝土表面，安裝附著時(shí)進(jìn)行焊接操作，造成施工后不易取出、不易采用混凝土修補(bǔ)、對索塔防腐形成不利影響等。為確保結(jié)構(gòu)的耐久性，甬江特大橋塔吊附著設(shè)計(jì)時(shí)，采用在索塔中預(yù)埋高強(qiáng)螺栓套筒，在拆模后通過高強(qiáng)螺桿將連接鋼板錨固于索塔表面。此方法不但將高空焊接工作轉(zhuǎn)移至后場，提高了鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量，且在高空中安裝、拆除均相當(dāng)容易，施工完成后可拆出預(yù)埋高強(qiáng)螺紋套筒，對塔身耐久性和外觀質(zhì)量不存在不利影響。圖4-1塔吊及附著布置現(xiàn)場照片5結(jié)語橋梁工程中橋墩、索塔施工屬于高空作業(yè)，工作面狹小，塔吊的選型與布置是施工的關(guān)鍵，將直接影響到全橋的總工期。而塔吊的選型和布置是一個(gè)綜合分析的過程，應(yīng)根據(jù)每個(gè)橋梁的結(jié)構(gòu)形式、規(guī)模、橋位地形條件等實(shí)際情況和施工要求，結(jié)合現(xiàn)場場地條件，掌握