附着式自爬升钢管桥塔安装施工工法

工法文本附着式自爬升钢管桥塔安装施工工法中交第一公路工程局有限公司刘晟黄振燕光明李鸿盛刘红宇1.前言钢塔柱因其自重轻、抗震性能好、工厂模块化加工精度高、施工速度快等优点在国内外应用逐渐增多。刘家峡悬索桥桥塔钢管直径3m，是国内现有最大直径的钢管混凝土桥塔结构,采用分段吊装钢管、分段浇筑钢管内混凝土安装施工工艺。桥塔位于刘家峡水库库岸，两岸悬崖峭壁，便道蜿蜒曲折，大型设备无法进场；现场风环境复杂，大型落地龙门吊抗风稳定性差。中交第一公路工程局有限公司对此施工难题立项研究，结合桥塔工程特点和地形条件，自行设计、制造了附着在桥塔实体上的自爬升起重门架，成功解决了大吨位钢塔安装问题，并形成了附着式自爬升钢管（混凝土）桥塔安装施工工法。本工法的关键技术2014年经中国公路学会组织专家评审会鉴定达到国际先进水平,由本工法关键技术支撑的“刘家峡大桥成套技术研究”获得2014年中国公路学会科技进步二等奖，“附着式自爬升起重门架的设计和应用研究”被中国交通协会评为2014年度全国交通运输企业科技创新成果一等奖。“一种自爬升门架的施工方法”获发明专利授权（专利号：ZL201310070144.9）。2.工法特点1.本工法根据现场施工场地狭小，桥塔高度较高且需要大吨位吊装设备等特点，自行设计制造了附着式自爬升门架代替传统吊装方法进行桥塔钢管的吊装，安装工序简便，施工安全性高，有效地提高了施工进度，经济性良好。2.本工法自行开发的由卷扬机、提升分配梁和滑轮组等组成的自爬升系统，构造简单，方便实用，安全可靠。3.本工法利用预先安装在桥塔实体上的提升分配横梁为起重提供足够的支撑力，安全稳定性强。4.本工法利用门架支腿的轻型桁架结构配合托盘将起重荷载传递到桥塔实体上，结构设计合理，受力简单明确。5.本工法利用已安装桥塔结构实体作为自爬升门架的支撑体系，减少了自爬升门架本身的高度，所需的辅助设备少，提高了门架的抗风稳定性。3.适用范围本工法可以广泛应用于大直径钢桥塔和高耸型钢支架的安装施工，尤其适用于结构高、场地狭小、大型起重设备无法组装的区域施工。通过对抗风性能的研究，能够适用于高度超过100m、山岭陡坡和现场风环境复杂条件下的钢结构塔、墩安装施工工程。4.工艺原理主要原理是借助于钢塔自身的支撑力，利用固定在钢塔上的爬升门架来完成钢塔的安装，安装完一节后自行上爬固定到位，依次进行上部钢塔的安装。具体如下：1.在已施工完成的初始节段上安装自爬升门架，并利用设置在门架顶端的起重天车进行下一节段的吊装，进行管节的焊接并完成塔内混凝土的浇筑（附着式自爬升门架总体布置见图4-1）。2.利用提前安装在塔顶的提升钢分配横梁、滑轮组、卷扬机等组成的自爬升系统进行门架的自提升；3.采用与桥塔钢管材质相同的耳板结构作为桥塔与自爬升门架托盘之间的锚固装置进行锚固；4.重复上述步骤，进行剩余节段的施工。（自爬升系统装配图和工作原理如图4-2）承台承台桥塔钢管起重桁车自爬升门架支腿待吊装节段卸车设备图4-1附着式自爬升门架总体布置图图4-2自爬升系统装配图及各部位大样图5.施工工艺流程及操作要点施工前根据桥塔结构特征进行附着式自爬升门架的设计和制造，起重门架按跨中最不利位置、动载及百年一遇风荷载考虑进行桁架结构设计。根据现场条件配备桥塔钢管卸车装置和轨道拼装平车，由轨道平车配合安装固定好的自爬升门架完成桥塔钢管由横卧状态转为竖直状态的调整并进行钢塔节段起吊安装。5.1桥塔钢管安装施工工艺流程图图5-1附着式自爬升桥塔钢管安装施工工艺流程图首节段钢管吊装自爬升门架拼装与试验自爬升门架安装节段钢管附着式自爬升门架爬升桥塔附属设施安装自爬升门架下行拆除桥塔钢管内混凝土灌注自爬升门架设计与制造桥塔施工完毕桥塔节段测量监控5.2工法操作要点5.2.1首节段钢管安装利用汽车吊安装桥塔首节段钢管，调整轴线位置和倾斜度符合要求后固定，完成钢混结合段承台部分混凝土和钢管内混凝土浇筑，承台顶作为门架安装的基础。5.2.2自爬升门架组拼安装在桥塔钢管外壁上焊接起重门架附着用锚固耳板，利用汽车吊拼装附着式自爬升门架，自爬升门架按照立柱托盘、立柱桁架、起重横梁、门架天车、控制系统的顺序进行组拼，安装完成后进行机电系统运行调试，进行静载和动载试验，在取得当地质量技术安全监督部门验收许可后进行正式吊装作业。5.2.3自爬升门架安装桥塔钢管工厂制造的小节段钢管运至现场轨道拼装台车上进行节段组拼焊接，自爬升门架起重天车下放吊具与桥塔钢管顶端吊环连接，然后逐步收紧卷扬机钢丝绳，将桥塔钢管从水平状态调整到竖直状态后继续起吊提升安装。（自爬升门架安装桥塔钢管流程如图5-2、5-3、5-4）。图5-2桥塔钢管节段安装施工流程图钢管节段测量定位附着式自爬升门架（爬升后）固定自爬升门架吊装钢管节段钢管节段间环缝焊接焊缝检测桥塔钢管混凝土灌注图5-3自爬升门架安装中间节段桥塔钢管流程图(1)附着式起重门架起吊钢管，（2）桥塔左侧钢管安装，（3）桥塔右侧钢管安装图5-4自爬升门架安装桥塔顶部钢管及附属设施流程图（1）附着式门架吊装桥塔顶部钢管，（2）格栅安装，（3）索鞍、横梁安装在气温较低时段，测量人员对吊装就位的桥塔钢管顶轴线位置进行精确测量和调整并最终固定，随后进行桥塔上下节段间环缝焊接。现场焊接工艺评定:对环向横焊焊缝根据现场焊接条件、焊接设备、焊接人员配置进行焊接工艺评定试验，编制焊接工艺指导书。施工中严格按焊接工艺评定方案操作，并按照先内后外、对称焊接的方式进行施焊，以防止热影响造成桥塔变形。现场焊接的温度、湿度、风力情况会影响到桥塔的焊接质量，于环形焊接平台综合考虑设置焊接防风保温棚改善焊接条件，温度、空气湿度、风力变化较大的情况下采取棚内焊接的方式保证厚钢板焊缝质量。环缝焊后24h进行焊缝超声波检测，质量到达I级标准，检验合格后进行塔柱内混凝土灌注。5.2.4桥塔钢管内混凝土灌注桥塔钢管混凝土施工前需要对自应力混凝土配合比进行设计和验证，通过数值分析和现场模拟试验取得膨胀率、膨胀应力、无损检测指标等参数后确定施工配合比、施工工艺和质量检验标准。塔柱内混凝土用泵送工艺分层浇筑，振捣密实。14d后采用超声波检测方法进行钢管内混凝土无损检测。对无损检测中发现的混凝土与钢管之间的脱粘、孔洞、气泡等缺陷采取灌注环氧树脂砂浆的方式进行处置。操作要点：利用缓冲装置进行混凝土防离析处理，施工中采取措施对钢管内混凝土进行温度控制以降低钢管混凝土内外温差，混凝土施工缝设置锚栓钢筋，混凝土表面凿毛处理，露出骨料粒径的三分之一，并在浇筑前对施工缝表面进行清洗处理以保证混凝土之间的连接质量，施工中注意焊接施工对桥塔钢管混凝土的影响，采用预留混凝土施工缝比焊接位置降低80cm的方法处置。5.2.5附着式自爬升门架爬升1门架自爬升工艺：桥塔钢管节段安装焊接完毕后，安装门架爬升系统进行门架爬升，提升过程中控制爬升系统的同步运行，保持桁架整体水平，爬升到预定位置后进行自爬升门架的锁定并继续进行其它钢管节段的安装。施工流程如图5-5。桥塔钢管节段吊装桥塔钢管节段安装焊接完毕组装门架自爬升系统解除门架托盘与桥塔连接自爬升门架爬升附着式自爬升门架锁定自爬升门架安全监控图5-5附着式自爬升门架爬升施工流程图2附着式自爬升门架爬升操作要点：1）组装自爬升系统：利用起重天车卷扬机、提升分配梁、滑轮组组成爬升系统。两台起重卷扬机钢丝绳下放到地面并拆除起重吊钩，人工将钢丝绳与提升分配梁及定、动滑轮组成门架自爬升系统。2）安装自爬升系统：用门架顶辅助提升装置将自爬升系统提升，将分配梁安装在塔顶钢管上口锁定，启动卷扬机，将动滑轮吊钩下放到中托盘上与吊耳连接。3）解除门架与桥塔的连接：启动卷扬机将门架提升使门架托盘与桥塔上锚固耳板的连接销轴处于无应力状态，人工拆除销轴将爬升门架与桥塔的锁定解除，使自爬升门架处于悬吊状态，起重门架全部荷载转由爬升分配梁分担。4）附着式门架爬升：启动起重卷扬机，利用自爬升系统均匀、缓慢提升门架系统，每提升2m检查一次门架系统是否与桥塔发生摩擦并适时调整两侧提升系统的起吊高度，保持立柱桁架同步提升，直至上行至预定位置。5）附着式门架固定：门架爬升到位后进行附着式门架水平和竖直方向姿态调整，最后将中间托盘和底层托盘与桥塔钢管上的附着用连接耳板用销轴进行固结，拆除自爬升系统，使附着式门架的全部荷载再次由桥塔实体上的锚固耳板承担，继续进行其它节段安装。3附着装置的设计和安装操作要点：焊接在桥塔实体上的门架附着用临时固定装置作为附着式门架爬升就位、起吊钢管、混凝土浇筑过程中锁定门架的重要安全和技术设施，它的结构设计、焊接质量、焊接位置的准确程度等都会影响附着式门架的安全。在保证焊接位置准确情况下确保焊缝质量、不损伤桥塔钢管、无漏焊，并利用无损检测设备检验临时固定耳板与桥塔的焊接质量到达I级焊缝标准。自爬升门架与桥塔附着固定装置见图5-6。图5-6自爬升门架与桥塔附着固定耳板结构图5.2.6桥塔附属设施安装利用附着式门架完成塔顶格栅、索鞍、横梁的安装，对设置多道横梁的桥塔结构按照从上到下的顺序进行附着式门架的逐步下滑和横梁的分次安装，以保证附着式门架顺利下移拆除。5.2.7附着式门架拆除横梁安装后桥塔形成门式结构,为了使爬升门架顺利下放到地面,必须将起重小车移到桥塔立柱外侧以便将门架系统整体下放，本装置采用将门架横梁加长的方式予以解决。桥塔所有大吨位构件安装完成后,横移系统启动将起重小车移动到桥塔外侧门架横梁上进行锁定。安装自爬升提升系统与门架托盘联结,拆除托盘耳板与桥塔锚固耳板的销轴后启动起重卷扬机系统将自爬升门架沿桥塔下放到桥塔承台顶面，利用轮胎吊自上而下完成自爬升门架的逐件拆除。自爬升门架拆除作业工艺流程如图5-7~9。图5-7天车外移图5-8自爬升门架下放图5-9自爬升门架落地5.3劳动力组织表5-1劳动力组织情况表序号单项工程所需人数备注1管理人员42技术人员123自爬升门架组拼和拆除154自爬升门架吊装钢管165钢管焊接施工86钢管混凝土施工10不包括拌合作业7门架自爬升施工128杂工69合计83人6.材料与设备6.1主要材料汇总表6-1材料统计一览表序号材料名称规格型号用途1三角桁架上弦杆热轧H型钢，宽300mm，高300mm，腹板厚14mm门架横梁2三角桁架下弦杆热轧H型钢，宽300mm，高200mm，门架横梁3三角桁架腹杆双拼10＃槽钢门架横梁4三角桁架端头横连28#工字钢门架横梁5三角桁架下弦杆斜撑10＃槽钢门架横梁6三角桁架平联16#槽钢门架横梁7立柱120mm×120mm矩形方钢管，壁厚8mm立柱桁架8立柱斜撑及横撑60mm×60mm矩形方钢管，壁厚5mm立柱桁架9动滑轮托盘横杆H型钢，宽150mm，高150mm，腹板厚7mm，桁架托盘10动滑轮托盘竖杆H型钢，宽100mm，高100mm，腹板厚6mm，桁架托盘11天车主梁800mm×500mm箱型梁，门架天车12天车前后横梁500mm×500mm箱型梁，板厚均为10mm门架天车13天车下横梁600mm×500mm箱型梁，门架天车14天车支腿600mm×500mm钢箱梁，壁厚均为16mm门架天车15起重钢丝绳30-18*7-1670门架天车6.2机械设备汇总表6-2机械设备一览表序号设备/材料名称规格数量单位1汽车吊QY25V2台2发电机120KW2台3自爬升门架ZPMJ-1001套4卸车门架XCMJ-501套5焊接设备二氧化碳气保焊设备8套6千斤顶QL108台7组拼轨道20m1套7.质量控制7.1本工法执行的标准和规范表7-1附着式自爬升钢管桥塔安装施工质量检验规范和标准一览表标准、规范、规程代码标准、规范、规程名称JTGF80/1-2004公路工程质量检验评定标准第一册（土建工程）JTG/TD60-01-2004公路桥梁抗风设计规范JTG/TF50-2011公路桥涵施工技术规范GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范AWSD1.1-2010钢结构焊接规范GB/T11345-2013焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定JISZ3060-2002钢结