郭金龙
中铁九局集团第二工程有限公司
摘 要：随着科学技术的发展,钢-混凝土组合结构以其优良的性能,逐渐在工程中得到广泛应用。本文依托四平市东丰路上跨铁路立交桥,简要阐述了变截面椭圆形钢-混组合结构索塔的钢塔安装、索鞍定位及混凝土浇筑技术,并针对施工过程中的重难点和质量控制做了简要分析,为同类工程施工提供了技术借鉴和经验参考。
关键词：钢-混组合结构 钢塔安装 分丝索鞍定位 微膨胀混凝土
一、工程概况
四平市东丰路（仁兴街-一经街）上跨铁路立交桥，位于四平市铁西区规划东丰路上，工程开工时间为2017年6月7日，桥塔全高75m，采用钢-混凝土结构，Q345QE采用内外钢板，内填混凝土采用C50微肋混凝土。钢塔横截面为椭圆形状，自塔底至塔顶椭圆长轴、短轴均逐渐变化，钢塔的侧面形状类似于双曲线。钢塔结构由外壁板、横隔板、横隔板支撑和索导管组成。钢塔被分成24段，非索塔区为T1-T9，标准截面高度为3m，重23吨（含施工平台），索塔区与封顶段T10-T24,节段高3.4-4m，重约24吨（含施工平台）。
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图1 变截面椭圆形钢-混组合结构索塔示意图
二、施工关键技术及重难点
1. 变截面椭圆结构钢塔预拼装、安装技术
为消除钢塔节段制造误差、焊接收缩等影响，为保证钢塔总高度，需设置在现场高度方向配切的工艺节段。钢塔现场拼装时，实测钢塔累计高度，根据高度误差，划线并配切工艺节段，使之在安装后可以有效保证钢塔的理论高度。根据需要，可设置 1~2 个工艺节段。
2. 空间曲面钢-混结构分丝索鞍定位安装技术
由于分丝索鞍采用特殊钢材制作，分丝器外壁仅3mm厚，不允许在管件上进行焊接。同时，设计中未给出索鞍与塔身之间的定位连接构件，增加了索鞍的定位难度。经研究分析，最终确定通过对塔段进行预定位，然后定位锚块，并根据锚块间接定位索鞍，实现对整个索塔关键构件的定位。
3. 钢-混索塔微膨胀混凝土浇筑技术
钢-混结构索塔内部填充C50微膨胀混凝土，考虑大体积混凝土的散热及裂缝问题，采用泵送入内浇筑完成，每个浇筑节段根据现场情况确定，浇筑高度6m一个节段，浇筑高度可根据现场钢塔安装进度和质量控制情况进行调整，但单次最大浇筑高度不大于6m。
三、工艺流程及要点控制
1. 施工工艺流程
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图2 施工工艺流程图
2. 施工要点控制
2.1建立BIM模型进行碰撞检查
索塔主要由单元板、米字骨架、加劲肋版、索鞍和锚箱组成。
首先依据设计图纸进行1:1比例建模，模拟还原索塔真实结构，并赋予模型设计空间三维坐标。建模完成后，进行模型构件自身碰撞检测，将碰撞问题及时反馈到设计单位，并进行及时优化与修改。
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图3 索塔模型
2.2施工节段划分
索塔施工节段划分本着施工效率高和构件破坏少两项原则，首先应用BIM软件进行索塔施工节段模拟划分，充分考虑节段重量、构件完整度和施工难易度等多方面因素，将索塔分为24个节段每个节段长度2-4m。带索鞍区段较为特殊，区段划分节段时需考虑到钢外壁与索鞍的交界位置以及锚块的安装位置，而且由于单个索鞍的重量约为2.5吨，所以必须在节段高度与重量上找到平衡点。经过节段模拟划分后，最终将节段高度控制在3.4-4.0m之间。
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图4 索鞍区节段划分图
2.3下料图纸深化
根据桥梁设计单位提供的CAD二维图纸，利用BIM软件对原二维设计图纸进行三维建模，并在建模过程中对设计进行复核和优化。其实质是在计算机中预组装，实现可视化。建模时首先创建轴线，轴线为模型的骨架和根基，建立轴线时要X、Y、Z三个方向分别定义。
建模时采用三维软件，实现缓和曲线的绘制，能完美的建出钢塔三维模型。建模时依次创建下部壁板单元、边壁板单元、中间壁板单元、米字支撑、索鞍单元等，建模类似于钢箱梁建模，根据建模规则，指定零件号前缀、名称、截面轮廓、材质、等级（颜色）等主要属性，包括零部件名称、零部件单元划分、图纸名称和编号。
模型创建完成校核无误后，开始创建二维施工图纸，BIM软件的模型出图功能，比传统出图方式节省了大量时间、提高了精准度。输出图纸直接用于生产加工。
2.4数字化加工制造
套料软件采用由美国引进的世界顶级套料软件SigmaNEST(西格玛软件）。排料排版后，将索塔构件密集合理地布置在虚拟钢板上，并输出相应的加工程序和排版图供车间数控切割。与传统的手工绘图和套料相比，自动套料输出NC程序和基于模型数据的布局大大提高了工作效率并降低了错误率。
2.5拼装胎架制作
拼装胎架选用工字钢进行现场组装制作，拼装胎架制作的目的是确保索塔节段拼装的整体线型。
首先制作胎教支腿，支腿选用等长度工字钢竖直按方格型放置，并且与地面基础进行临时固结。工字钢上部依据支腿位置水平布设纵横向双拼工字钢，水平工字钢上方等间距焊接竖直工字钢，工字钢排布形式呈凹弧形。
2.6索塔节段长线型匹配
2.6.1单元节拼装
索塔节段预拼装的目的主要是保证其整体线型，将施工误差降到最小。
索塔拼装工艺流程为：
1）下部壁板定位，在总拼胎架上通过横纵基线定位轮次基准头侧首块壁板。
2）“米”字支撑组装，以横肋板为基准组装“米”字支撑框架。重点控制支撑框架的垂直度、直线度。
3）边壁板定位、索鞍安装，组装并定位边壁板。控制节段端口宽度方向的尺寸。安装索鞍，调整索鞍位置大致保持水平。
4）中间壁板组装及预拼装，组装并定位中间壁板，控制节段端口总高度。每批次钢塔节段制造完成后，应进行预拼装。
5）预拼装。预拼装的节段不少于5个，质检通过后，最后一段参加下一批预拼装。预拼装在组装胎架上进行，钢塔预拼装前应根据施工图的要求，在节段上做测量控制点标记。使用测量机器人检测节段整体线形。预拼装完成后在节段二切端划线并配切对接坡口，安装临时连接件。
6）锚块及索鞍精确定位。索塔节段预拼装完成后，进行锚块的安装及定位，通过锚块的定位间接定位索鞍。
2.6.2分丝管索鞍及锚块测量定位
1）逆向建立BIM模型
根据索鞍的实际构件尺寸和坐标信息，恢复索鞍的BIM模型。根据设计转角，将BIM模型顺时针旋转90度，检查索鞍、锚块、索塔的相对位置是否正确。
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图5 主塔立面布置图
图6 分丝管索鞍结构图
2）主塔外壁板在地面胎架上预拼装
桥塔的装配胎具在现场制造，并将加工的桥塔部件单元从底部装配。预组装段的数量为5，以确保桥塔整体线形状的准确性和对接环的高一致性。
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图7 模型模拟拼装图
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图8 现场实际拼装图
3）测量机器人对胎架上拼装的主塔进行空间位置扫描
应用程序测量机器人扫描自组装完成塔段，使用空间坐标生成三维点云模型，然后检查点云模型的准确性，如模型大小误差在施工安装允许内，接着收集椭圆形横截面长度短轴端点的坐标坐标信息。
4）将空间BIM模型转换为扫描组装的拼接位置，并且获取坐标数据输入建模软件，以及与坐标数据相对应的模型恢复到坐标数据，保证模型与大小参数的实际塔段完全相同。
5）锚箱及索鞍定位
将BIM +测量机器人技术用于锚箱定位，通过Leica L型磁性棱镜实现精确定位锚箱。
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图9 锚块定位测量控制点示意图
2.7节段整体吊装
钢塔板单元根据架设需求进驻现场后在胎架上进行预拼装，计划按5个节段分5个轮次进行预拼。每个轮次焊接结束后解体下胎进行涂装和探伤工作，使用履带吊运输至塔吊吊装位置，最后由塔吊完成吊装就位工作，吊装施工工艺流程如下：
1）起吊钢塔第1节段，定位、焊接。浇灌混凝土后复测第1节段标高、位移；
2）重复第1节段吊装顺序，依次起吊钢塔第 2、3、4 节段；依次定位、焊接。
3）吊装第5-第9钢塔节段；吊装完第9节段时，在节段上安置第一组测量观测点，复测钢塔偏移、标高等数据（尤其是拉索位置处数据）。
4）吊装第10-第13钢塔节段，第13节段吊装焊接完成后，安装塔吊附墙，附墙安装完成后，在节段上安置第二组测量观测点，复测钢塔上环口定位点平面三维坐标，确保节段定位控制点坐标与设计坐标相符。
5）依次吊装第14-第20钢塔节段，第20节段为最后一道索鞍C12所处节段，吊装完第20节段后，复测钢塔三组观测点三维坐标，确保钢塔整体线型及索鞍位置与设计一致。
6）吊装封顶节段（第24节段），在定位焊接全部完成后， 打磨钢塔外壁节段焊接处进行钢塔最后一道面漆的喷涂。
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图10 吊装施工工艺示例图
索塔节段吊装定位通过测量节段上环口长短轴端点坐标实现精确定位，定位测量前，将对应施工节段索塔模型导入测量机器人中，直接拾取长短轴端点进行放样工作。此过程省略了人工计算及部分手动操作环节，在一定程度上增加了测量工作的同时减少了出错率。坐标索塔定位完成后，使用钢码板进行临时固结。
2.8节段焊接、探伤检测
索塔段定位后，在连接环口外侧粘贴焊接陶瓷衬垫，在内侧进行环口焊接。焊接完成后，对焊缝进行无损检测，检测结果合格后进行下道工序施工。
2.9锚块及索鞍下承钢筋绑扎
索塔钢筋主要分为锚箱钢筋与索鞍下承钢筋两部分，由于索塔为异形钢结构，设计图纸无法精确的表达钢筋的具体长度，并且钢筋与构件间的碰撞无法直观发现，给套下料工作以及钢筋的绑扎造成了较高的难度，该问题利用三维软件仿真建模得以有效化解。
钢筋施工前按照设计图纸，建立钢筋模型，依据索塔外包钢板实际轮廓进行钢筋长度及数量优化，输出深化设计图纸以及钢筋材料表，钢筋材料表精确到每根钢筋的长度，确保精确指导钢筋套下料工作。
图11 索塔钢筋示例图
2.10混凝土浇筑
索塔内填混凝土型号为C50微膨胀，浇筑采用自卸方式，塔吊将料斗运送至施工节段上方，人工自卸并振捣。为保证下一节段施工空间充足，混凝土浇筑高度低于施工节段上环口约1m。待混凝土强度达到90%以上时进行下一节段吊装施工。
四、结束语
本文立足于四平市东丰路上跨铁路立交桥工程，在变截面椭圆形钢-混组合结构索塔施工过程中，基于BIM技术完成了对钢塔模型的碰撞检查、施工仿真模拟、数字化加工生产，同时采用测量机器人对分丝索鞍的坐标定位，解决了曲面椭圆形钢塔加工、装配、索鞍施工定位等难题问题，取得了良好的经济效益和社会效益，为现在数字化、信息化的索塔施工提供了宝贵的经验参考，具有非常高的应用推广价值。
参考文献：
[1]吴冲,曾耀. 钢混组合索塔的应用与发展[C]. //2008年青岛海湾大桥国际桥梁论坛论文集. 2008:463-469.
[2]刘洋,杨宗林,张向明,郭金龙,姚富智,张成建,吴佳刚,浦路,戴金平,吴昊,杨博智,张英立,王玉峰,孙鑫. 一种基于BIM的钢混组合结构索塔的索鞍测量方法[P]. 吉林省：CN108827255B,2020-10-23.