斜拉桥塔墩吊装技术.doc

北京市高级专业技术资格评审申报论文 第-30-页

申报论文
（教 授 级）

题目：斜拉桥塔墩吊装技术

单 位：
北京市公路桥梁建设集团

姓 名：

课题方向：
道路桥梁施工

2011 年 3 月 6 日

摘 要
本文对秦皇岛燕山大学斜拉桥塔墩吊装的技术难点进行了分析，介绍吊装方案的选择，同时对关键技术进行了总结。方案综合考虑了以下因素：塔墩下半部为混凝土结构，上半部为钢箱结构，钢混接头处有特殊要求；最大吊装重量为120吨，吊装高度为60米，钢箱的空间姿态向两个方向倾斜；斜塔自重水平分力参与对斜拉索施力，空间位置要求精度高；塔墩紧邻京秦铁路距离为13米，吊装方案必须确保铁路的安全运营。吊装方案经充分论证，安全完成施工任务。

关键词： 斜拉桥 塔墩 吊装 施工技术

目 录
摘 要 ………………………………………………………………….…..….........Ⅱ
绪 论 ………………………………………………………………….…………….1
一、工程概况……………..............................………………………..………………2
1、塔墩造型…………………………………..……………………………....…….3
2、钢混接头 …………………………………………………...…………………..4
3、倾斜方向.………….………………….………..…………………….………….5
4、铁路安全 ………………...……………………………………………….……..5
5、节段划分………………...………………..……………………………….……..6
二、难点分析及方案比选 ………………………..…………………………………..7
1、吊装方式………………………………..………………………...………..…….7
2、支腿距离 …………………………………………………...…………………..7
3、横梁提升.………….………………….………..…………………….………….9
4、现场布置 ………………...………………………………………….….….…..10
三、主要施工工艺及关键技术…………..…………………….………….…………11
1、门吊支腿………………………………..………………………...…….....…….11
2、起重横梁 …………………………………………………...………………….16
3、纵梁计算.………….……………….………..……………………….………….21
4、动力系统 ………………...…………………………………..………….……..22
5、吊具设计…..……………………………..………………………....……..…….23
6、角度调整 ………….………..………………………………...……….………..26
四、施工效果评价 ………………………………..……………………………..….27
结 论………………….……….…………………………………..………………..28
参考文献……………….….…………………………………………………..……..29
附 录………………….…….………………………………………………..……..30

-30-

绪 论
秦皇岛市燕山大学斜拉桥塔墩造型独特，塔墩立面上直下斜呈折线形，下段30m为倾斜段，倾斜12度，上段20m为竖直段。塔墩横向造型为倒Y形，塔肢向内倾斜15度。塔墩锚固区以下采用钢筋混凝土结构，锚固区采用钢箱结构。部分钢箱节段具有两个倾斜方向。
塔墩紧邻京秦铁路距离为13米、倾斜方向朝向铁路、吊装高度为60米、吊装重量为120吨、场地狭窄崎岖等不利因素，保证斜塔吊装两个方向的倾斜角度准确性、安全性和施工易操作性，是需研究的技术难题。
两角度斜塔吊装的成功实施，为倾斜构件吊装领域提供了有益的参考。虽然一个桥梁工程的斜塔吊装只是个案，并且倾斜构件吊装工程千差万别，但合理的施工思维会带来触类旁通的效果，为解决倾斜构件吊装难题提供思路。
本文对斜塔吊装进行了全面的描述和总结，要点是对两角度斜塔吊装的角度控制。一、呈对称倾斜的构件，把两件不平衡构件组装成一件整体平衡的构件，固定一个方向倾斜角度后整体吊装；二、利用起重吊耳的位置粗调构件的角度，高空吊装就位后再精确调整角度。希望能起到抛砖引玉的作用，为吊装施工技术做贡献。

一、工程概况
秦皇岛市燕山大学斜拉桥是连接东、西校区之间的桥梁，跨越双线电气化京秦铁路。桥梁与铁路相交处铁路里程K289+439。位于南大寺至秦皇岛区间。桥梁形式为独塔斜拉桥，全长378m。主桥为独塔双索面斜拉桥，跨度为（40+108+16+26）m。结构体系为墩、塔、梁固结体系。塔墩上直下斜呈折线形，重心后倾，塔墩倾斜部分的方向趋向于所受合力的方向，以尽量减小塔内弯矩。塔墩横向造型为倒Y形，横向刚度大，有利于横向稳定。塔墩在锚固区以下采用钢筋混凝土，以降低造价，并具有较好的抗疲劳性，减少后期养护维修。同时可以利用混凝土塔墩自重大的特点，抵抗主孔拉力，缓解背索负担。塔墩锚固区由于索力巨大且集中，而塔身截面较小，如果采用混凝土结构不能满足锚固区的强度及安全性要求，因此塔墩锚固区采用钢结构。主梁从经济性考虑采用预应力混凝土结构。主跨拉索采用半扇形布置，横向采用A形双索面布置，有利于主梁抗扭。塔墩桥面以上高50m，塔高与跨度比为1/2.16，塔墩高7.3m。塔墩立面下段30m为倾斜段，后倾12度，上段20m为竖直段。塔墩横向为倒Y形。下段塔身为水平矩形内侧削角截面，上段合并为矩形截面。纵向尺寸6-2.8m，横向在下段两叉分为2.0m，上段由4m到塔顶3m变宽。塔墩在锚固区以下采用钢筋混凝土结构，由于塔墩为空间倾斜塔柱，为了方便塔墩的施工放样、立模、钢筋绑扎，在塔柱内设劲性钢骨架。塔墩锚固区由于索力巨大，应力高度集中，而截面尺寸较小，因此采用钢箱结构，以保证足够的强度和安全可靠性。混凝土段和钢箱段的结合部位选择在弯矩和剪力相对较小的位置。
1、造型新颖
塔墩造型新颖，纵向上直下斜呈折线形，重心后倾，横向为倒Y形，与荷兰鹿特丹伊拉斯穆斯桥造型相似；

图1-1 秦皇岛市--燕山大学--斜拉桥
图1-2 荷兰--鹿特丹--伊拉斯穆斯桥
2、钢混接头
塔墩下半部为混凝土结构，上半部为钢箱结构，钢混接头的牢固程度对桥梁安全使用至关重要，因此接头部位进行了加强设计，施工步骤为：浇注下塔柱混凝土至设计标高—焊接高于混凝土顶面1米的型钢平台（临时支撑钢箱）--吊装钢箱到型钢平台（调整角度和固定钢箱）--钢筋与钢箱焊接--预埋的精轧螺纹钢准确插入钢箱内至设计位置--支立模板—浇注封口混凝土至钢箱内设计位置—张拉精轧螺纹钢—浇注封锚混凝土—张拉1#斜拉索—继续吊装第二节段钢箱；

图1-3 钢混连接接头吊装过程

图1-4 钢混连接接头封口混凝土外观
3、倾斜方向
钢箱的空间姿态向两个方向倾斜（向西侧倾斜12°向中间倾斜15°），斜塔自重的水平分力参与对斜拉索施力，要求塔墩安装空间位置精度高。

图1-5 斜拉桥主桥结构图
4、铁路安全
塔墩紧邻京秦铁路，距离仅为13.3米，吊装方案确保铁路的安全。

图1-6 塔墩与铁路位置关系图
5、节段划分
塔墩钢箱节段为：S1-1、S1-2、S2-1、S2-2、S3、S4、S5共计七段，单件重量分别为：24吨、24吨、39吨、39吨、96吨、73吨、19吨。实际吊装的最大重量为120吨，由于钢箱节段两个方向倾斜，在高空调整角度难度大，尽量采取在地面组装拼接调整好角度，所以S1-1、2两段在地面完成组装后吊装，S2-1、2加S3的下半部分共四段在地面完成组装后吊装（重量为120吨）。

图1-7设计与实际钢箱节段划分

二、难点分析及方案比选
1、吊装方式
采用何种方式吊装钢箱是施工的首要方案，经过业主方、监理方、施工方、铁路局、专家团共同研究选定龙门吊吊装方式，放弃大吨位吊车吊装方式，理由如下：
通过现场实际测量，吊车的吊重半径为10.5米,如果采取单件吊装,450吨吊车能达到起重要求,但是难以保证钢箱两个方向的倾斜角度准确;如果采取地面组装调整好角度再吊装,由于重量提高,需要650吨吊车才能达到起重要求,工程造价提高,经济性不佳。
由于塔墩紧邻京秦铁路，距离仅为13.3米，并且塔身向铁路方向倾斜12°，如果采用大吨位吊车，吊车起重臂扒杆移动的方向朝向铁路，对于客运、货运繁忙的铁路大动脉来说，是潜在的危险源，万一在吊装过程中机械失灵或者刮大风，后果将是灾难性的，安全性难以被铁路部门认可。
塔墩钢箱节段由地处河北省燕郊市的核工业部二三公司加工制作，采用公路运输到秦皇岛工地现场，S3节段由于超宽无法公路运输，经与设计协商，S3分体加工、运输、现场组装，因此分包单位要求现场具备卸车、二次搬运、组装条件，大型吊车不便分散吊装操作。
2、支腿距离
龙门吊支腿距离决定起重横梁的大小，龙门吊支腿距离越小同型号起重横梁的吊装重量越大，因此在条件允许的情况下尽量减少龙门吊支腿距离。提出了三种支腿距离：12米、16米、20米，图示如下

图2-1支腿距离设置方案比选
支腿距离12米方案，在图示两个圆圈15米范围内16根立柱穿透塔墩，在钢箱节段没吊装前，混凝土塔柱处于悬臂状态，设计单位不同意吊装过程中中塔柱参与受力，同时立柱影响主梁内的预应力钢束，因此12米方案被否定。
支腿距离16米方案，有8根立柱穿越中塔柱，同时对主梁内的预应力钢束有影响（如下图），因此16米方案被否定。

图2-2支腿立柱与主梁预应力钢束位置示意图
支腿距离20米方案，对中塔柱和主梁预应力钢束均不影响，通过在主梁翼缘板上预留空洞，使龙门吊支腿立柱受力传导到下塔柱混凝土上，对塔墩的中塔柱混凝土部分没有影响，方案得到各方认可。但是20米的跨度，企业自有的起重横梁最大吊重120吨，缺少吊重重量安全储备，通过对自有起重横梁进行技术革新，确保起重横梁安全储备达标，保证吊装施工安全进行。
3、横梁提升
龙门吊支腿采用万能杆件拼装，高度为60米，支腿距离铁路距离为9米。起重横梁为三角形桁架，长度为28米、高度为3米、宽度为1.5米，它的特点是外形尺寸庞大，重量不大（15吨/条）。安全可靠的横梁提升方案是塔墩正式吊装前的预演，也是对施工单位能力的事前检验。通过用可靠、简单的扒杆提升体系，将2条起重横梁、4条万能杆件横联提升。扒杆提升体系设置：在龙门吊顶部拼装临时支架，作为扒杆的支腿，采用2台上下方向移动而左右方向固定的人字型扒杆吊装横梁，人字型扒杆只有单方向自由度，结构简单，安全可靠性高。扒杆的设计起重能力为15吨/台,两台扒杆起重能力共计30吨。人字型扒杆采用钢管、型钢焊接制作，动力系统采用2台5吨慢速卷扬机及配套的滑轮组，以上材料及设备均为企业自有，降低了施工成本。（人字扒杆和吊装过程见照片）

图2-3人字扒杆和吊装横梁过程
4、现场布置
由于施工现场高空作业多、交叉施工多，为了保护施工人员安全和施工有序进行，对吊装现场进行了规范化布置。（塔墩区域为安全重点控制区）

图2-4吊装现场布置平面图

三、主要施工工艺及关键技术
1、门吊支腿
（1）外型尺寸
龙门吊支腿采用万能杆件拼装，杆件拼装的原则为：支腿立柱强度验算合格；支腿整体稳定性验算合格；支腿顺桥方向长度满足顶部起重横梁纵向移动范围。龙门吊支腿外形尺寸最终设计为：两个支腿距离20米，每个支腿的长度12米、宽度4米、高度66米。

图3-1龙门吊支腿布置图
龙门吊支腿根部万能杆件焊接在承台、下塔柱、中塔柱的预埋带锚筋钢板上。支腿顶部设置顺桥方向滑道，起重横梁能够顺桥方向移动，确保对位准确。
（2）杆件备料
根据龙门吊支腿方案，经过计算万能杆件立柱三榀能满足要求，比4榀立柱方案减少用量110吨，最终万能杆件需用量为454吨，单位自有220吨，需租赁234吨，由于万能杆件属于专用物资，提前半年联系订货，提前三个月进场，支腿提前二个月拼装。万能杆件规格数量表如下：
表3-1拼装支腿万能杆件数量表
名称
单重（kg）
数量
总重（kg）
合计（t）
备注
N1
73.1
1652
12076
454
4m
N2
36.5
2304
84096
2m
N4
15.6
3564
55598

N5
21.5
2442
52503

N6
11.8
4896
57223

N7
10.9
288
3139

N8
10.6
264
2798

N12
14.7
1518
22314

N13
21.3
858
18275

N15
3.6
1188
4324

N18
5.9
792
4673

N19
3.1
3564
11084

N20
2.3
2304
6129

N21
169
30
5070
特制
N22
20.1
264
5306

（3）支腿验算
最大吊装重量为120t,取吊具增重系数1.05,取动载系数1.1（顶升千斤顶速度为40cm/min,速度缓慢均匀，动载系数取1.1）。
荷载Q=120×1.05×1.1=138.6t （3-1）
求横梁两端支点反力：
横向滑移机构(含提升顶,小纵梁) 两组，每组3t共6t；
横梁 2×25 m 单重6t/10m 共30t；
纵向滑移机构 2组 单重1t/组 共2t；每端恒载=（6+30+2）/2=16t；
横向滑移机构可能偏置,活载对横梁两端的重力不是相等的,设定偏置最大为1m,横梁两端支点反力是79t和66t,加上恒载16t,为 96t
计算支腿立柱自重：
自上而下为钢轨、工字钢32a、21#、7#6#、1#或2#、4#5#、22#,8#。
单柱三榀,高60m重量分别为：工字钢 0.105t、21# 0.0324t、2# 2.96t、4# 0.873t、5# 1.22t、6# 0.756t、7# 0.053t、8# 0.59t 22# 0.56t，合计:8t/每根立柱 。
安全系数：
根据受力分析简图,横梁某端的支点反力，是由10号槽钢,四氟板承受.经过钢轨及两根32号工字钢分配，传递给万能杆件竖杆，由于不均匀性,但至少有两根以上竖杆立柱承重.经查阅<万能杆件手册>,三榀竖杆可承压力103.3t， 两根立柱同时可承重103.3x2=206t.横梁端部最大支点反力为96t 加上两根竖杆立柱自重8x2=16t共112t。
安全系数K=容许承重/实际承重 （3-2）
安全系数K =206/112=1.8
结论：龙门吊支腿立柱是安全的。
（4）整体稳定性验算
最大风力按60kgf/m2计，塔架风阻系数=0.4，最大风力形成的倾覆力矩：
M凤倾覆=62×12×60×0.4×31=553536kgm （3-3）
塔架自重P=236t=236000kg自重形成的稳定力矩
M稳=236000×2=472000 kgm
M稳﹤M凤倾覆
虽然塔架底部与预埋件固连（不参与计算，为安全储备），设置风缆很有必要，风缆钢丝绳17.5，钢丝绳破断力不小于15.6t×2=31.2t
31.2t×cos60°×58m=31.2t×0.5×58 =904800 kg•m
风缆有东南西北四个方向上下两层
总的风缆稳定力矩 M风缆稳=2×904800 kg•m=1809600 kgm
M总= M风缆稳+ M自重稳 （3-4）M总M总=1809600+472000=2281600 kgm
2281600 kgm﹥﹥M凤倾覆=553536 kgm
安全系数K=2281600/553536=4.12
结论：设置风缆龙门吊是安全的。

图3-2龙门吊整体外型照片
2、起重横梁
（1）设备介绍
起重横梁为单位自有设备，1999年在北京市四环路跨东郊编组站工程使用，陆续在多个工程中使用，采用多用途设计，既可以组装成为龙门吊，又能作为双导梁架桥机。由郑州大方设计制造，型号为DF40/100，技术参数如下：

图3-3起重横梁技术参数及合格证

图3-4 起重横梁组装编号说明
（2）横梁计算

800cm
730KN 730KN

2200cm

M

5110KN•M 5110KN.M

Q
+730KN

-730KN

抗弯应力：
单位自有横梁（三角架）横截面 Ix=2850826cm4 Wx=Ix/112cm=25453cm3 （3-5）
两根横梁参与受力 M=51100000kg•cm
=M/（2×Wx） （3-6）
=51100000/（2×25453）=1003.8kg/cm2=100.38MPa
【】=170MPa ＜【】 抗弯强度足够
挠度计算
fmax=PaL2/24EI（3-43） （3-7）
式中L=2200cm a=700cm P=73000kg =a/L=700/2200=0.31818 I=2850826cm4 E=2.1×106kg/cm2
fmax=73000×700×22002×（3-4×0.318183）/（24×2.1×106×2850826）
=73000×700×22002×（2.87115）/（24×2.1×106×2850826）
=4.94cm
fmax＜1×L/400=5.5cm
结论：起重横梁是安全的
起重横梁采用二点吊重，利用特制扁担梁将吊点距离扩大为8米，计算证明起重横梁在吊装过程中是安全的。
（3）横梁实验
为了确保起重横梁万无一失，在龙门吊拼装前对起重横梁进行了吊重实验，吊点距离采用5米，缩小的3米距离作为安全储备。
时间：2005年9月22日 气温：22℃
地点：0#桥台西侧 风力：2-3级
主持人员：康宇
参加人员：杨红叶、王海波、杨宏志、王兰桥
试验目的：起重横梁抗弯实验
试验过程：用万能杆件搭设卸车龙门吊，起重横梁跨距22m，横梁跨中两侧各2.5m为吊点，吊点距离为5米。

表3-2横梁实验起吊重量统计表
序号
名称
数量
总重量（吨）
备注
1
万能杆件1#铁
1200个
87.7
总计；146.7吨
符合本次横梁抗弯试验起吊140吨的要求。
2
万能杆件2#铁
800个
29.2
3
万能杆件4#铁
500个
7.8
4
天车
2台
10
5
小横梁
2个
11
6
吊钩
2个
1

起吊高度为1m，静止等候30min后，经测量观测最大挠度为：5.2cm。
试验结论：起吊横梁最大挠度为5.2cm，符合挠度小于起吊横梁跨距的1/400（5.5cm）的要求。
横梁起重实验见下面照片：

图3-5起重横梁实验照片

图3-6起重横梁实验中吊装的重物照片
3、纵梁计算
小纵梁底部有槽钢扣在大横梁钢轨上，确保小纵梁能够沿大横梁方向南北移动。由于小纵梁南北方向宽度为70cm，小纵梁顶部提升千斤顶高度为3m，所以小纵梁应与其顶部的槽钢焊斜撑支腿，防止小纵梁倾倒，提升千斤顶也需挂风缆绳固定。
720KN

200cm
M

36 t••m

Q +360KN

-36t

小纵梁采用两根45号工字钢拼接而成
查表F=111cm2 Ix=33760cm4
Wx= Ix /F=1500cm3 (3-8)
抗弯强度
=M/2×Wx (3-9)
=3600000kg•cm /（2×1500cm3）=1200kg/cm2=120MPa
【】=170MPa
＜【】
剪力很小，因跨度小，挠度也很小，均计算从略
结论：小纵梁是安全的
4、动力系统
采用两台ZLD1500自动连续顶升千斤顶作为提升动力，由连续千斤顶通过串联穿心千斤顶、钢绞线束、自动工具锚、拉锚器体系、防坠落自锁装置实现连续顶升。
表3-3自动连续顶升千斤顶的技术性能表
序号
项目
单位
数量
序号
项目
单位
规 格
1
公称张拉力
KN
1500
5
穿心孔直径
MM
￠130
2
公称油压
MPa
31
6
外形尺寸
MM
￠375×1600
3
张拉活塞面积
MM2
60200
7
速度
m/h
25
4
重量
Kg
860
8
行程
MM
200

图3-7连续顶升千斤顶

图3-8防落安全锚（安全锚与油缸一体化）
5、吊具设计
吊具俗称“扁担梁”，在吊装过程中防止产生水平分力，避免被吊物体变形。在本工程中通过增加扁担梁的高度加大抗弯能力，使吊点距离增加到8米，减小了龙门吊上起重横梁的弯矩，保证起重横梁的安全储备达标。现场利用自有钢箱式导梁改装成为扁担梁。

图3-9吊具外观照片

图3-10吊具工作照片

700KN 1400KN 700KN
800cm

M

2800KN.M

Q +700KN

-700KN

1.6cm

1.2cm 1.2cm

160cm

1.6cm
34.4c
52cm

抗弯强度
=M/Wx=28000000kg•cm/22685.34cm3 (3-10)
式中 Wx=Ix/80cm=22685.34cm3=1234.27kg/cm2
材质16MnQ【】=2400kg/cm2 ＜【】
挠度计算
fmax=PL3/48EI (3-11)
式中L=800cm P=140t=140000kg F=542.72cm2
I=1814827.28cm4 E=2.1×kg/cm2
fmax=140000×8003/（48×2.1×106×1814827.28）
=14×5.12/（48×2.1×1.814827）
=0.392cm
结论：扁担梁是安全的。在扁担梁吊点附近，均需贴1.6cm厚面板及加1.6cm厚肋板进行加固。此扁担梁在吊装S1、S2节段时使用，吊装S3、S4、S5节段时由于重量较轻，采用小扁担梁。

6、钢箱角度调整
钢箱倾斜方向为二个：向内15°向西12°。采用卸车龙门吊在地面将向内倾斜的两对称平放，用测量仪器控制姿态，保证向内15°角度准确，焊接型钢防止在吊装过程中角度变形。用电子版图找到钢箱节段的竖向中心线，在钢箱向西倾斜12°的位置焊接吊耳,利用倾斜吊耳使钢箱在吊装立起后自然向西倾斜,高空就位后再精确调节角度到12°。
图3-11两方向倾斜角度调整

图3-12两角度调整后吊装照片
四、施工效果评价
秦皇岛燕山大学斜拉桥塔墩吊装是一项系统工程，涉及的单位较多，施工方既要与业主、设计、监理、铁路等上级单位充分沟通，又要与核工业部二三厂、上海浦江缆索公司、郑州大方桥梁公司、开封强力锚固技术公司、专业模板厂、土建施工队、高空吊装队等专业分包单位协调施工。由于工程难度和安全责任大，各级领导都高度重视，多次组织各方召开方案研讨会议和施工协调会议，使吊装方案安全可靠、参建单位配合有序。经过充分准备工作，正式施工吊装过程进展顺利，从2005年8月准备至2005年1 2月完成，吊装进度、质量、安全、成本控制达标。

结 论
秦皇岛燕山大学斜拉桥塔墩吊装方案有两点可取之处：一是在地面调整钢箱角度后，整体固定吊装，减少高空调整角度工作量。二是通过技术革新使用自有设备，节约工程措施费用，降低工程成本。

参考文献
[1] 公路桥涵施工技术规范[S]， JTJ041-2000。
[2] 公路施工手册—桥涵 交通部第一公路工程总公司，人民交通出版社，2000.
[3] 钟启宾 V型PC刚结构桥的施工方法 铁道标准设计通讯 1991.9
[4] 张建峰 钟启宾 桥梁转体法综述 桥梁科技动态文集铁道部建设司1992.9
[5] 范立础 桥梁工程 北京人民交通出版社

附 录
附表1 万能杆件容许应力表

附表2 万能杆件容许应力表