矮塔斜拉橋塔梁同步施工可行性分析

熊 琦，郭 輝，劉愛林，蘇朋飛，戴福忠

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中鐵大橋局集團有限公司，安徽 蕪湖 241001)

1 工程概況

蕪湖長江公鐵大橋是商合杭(商丘—合肥—杭州)高速鐵路的控制性工程，通行兩線客運專線、兩線市域軌道交通線、雙向八車道城市主干路，主橋采用有砟軌道，其中客運專線設計行車速度250 km/h，ZK活載。主橋采用(98+238+588+224+84)m雙塔雙索面高低塔鋼桁梁斜拉橋，全長 1 232 m。主塔為門式結構，2#塔塔高155.0 m,3#塔塔高130.5 m,主梁采用兩片主桁結構,鐵路主梁采用箱桁組合結構，斜拉索錨固在下弦，每側布置兩根斜拉索[1-2]。大橋立面如圖1所示。

圖1 蕪湖長江公鐵大橋立面示意(單位：m)

設計原要求主塔封頂、上橫梁施工完成后，再進行主梁架設和斜拉索安裝。由于項目工期緊，故需在上塔柱施工時(上橫梁施工前)同步進行主梁架設。根據(jù)項目工期安排，2#塔梁須同步施工8道斜拉索，3#塔梁須同步施工5道斜拉索。

采用塔梁同步施工的方法，主塔在封頂之前就開始承受斜拉索荷載，會造成塔柱的實際形狀、內(nèi)力、應力狀態(tài)與設計理論狀態(tài)(按先塔后梁的常規(guī)工序進行施工)出現(xiàn)偏差。塔梁同步施工控制目標與普通斜拉橋相同,即達到合理成橋狀態(tài),同時確保施工過程中橋梁結構的安全[3]。

因此需要通過詳細的計算，找出塔梁同步施工過程中各因素對塔柱縱橫向偏位產(chǎn)生的影響，并針對性地提出各項控制、調(diào)整措施，從技術上確保塔梁索同步施工的可行性和安全性。通過詳排工期、細分步驟，整理出同步施工過程中同一時間節(jié)點交叉進行的工序并進行合理的施工組織，從施工工序、工藝方面確保塔梁同步施工在滿足技術要求的前提下順利進行。

2 塔梁同步施工可行性分析與控制措施

本橋塔梁同步施工階段，對主梁較輕的一側進行壓重，同時斜拉索張拉力按兩側對稱進行控制。待主塔封頂后再卸除壓重，以主梁線形為目標調(diào)整一次索力。結合本橋主梁為鋼桁梁的特點，塔梁同步施工對主梁應力、位移以及拉索索力的影響通過塔梁同步施工結束后的索力調(diào)整消除。因此，只需對原設計和塔梁同步施工這2種方案主塔的受力與位移進行分析對比即可。

圖2 塔梁同步施工塔柱順橋向偏移產(chǎn)生原因

塔梁同步施工時，主塔兩側斜拉索張拉力不平衡、主梁質(zhì)量不平衡等使下部已澆筑塔柱產(chǎn)生順橋向位移(相對于理論軸線)，而待施工塔柱節(jié)段立模及鋼錨梁定位時的測量放樣若按常規(guī)沿理論軸線進行，則在施工不平衡荷載消除后塔柱實際線形相對理論軸線會產(chǎn)生一個反向的偏差，如圖2所示。多個塔柱節(jié)段累積起來，可能會使塔柱順橋向偏差超過容許值。根據(jù)TB 10415—2018《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗收標準》，斜拉橋索塔傾斜度容許偏差為塔高的1/3 000，且不大于30 mm 或設計要求。

借助MIDAS模擬2種施工方案并進行對比分析。

塔梁同步施工工序：塔柱施工(主塔未封頂)→原設計及新增橫撐安裝、施加橫撐對頂力→主梁架設、斜拉索掛設→上橫梁施工→橫撐拆除→移除臨時配重、調(diào)整索力。

先塔后梁施工工序：塔柱施工、橫撐安裝→上橫梁施工、主塔封頂→橫撐拆除→主梁架設、斜拉索掛設。

2.1 主塔順橋向位移與塔底彎矩對比

計算塔梁同步施工結束且調(diào)整索力后主塔順橋向位移與塔底彎矩，并與先塔后梁方案進行對比分析[4]，見表1—表2。

表1 2#塔順橋向位移與塔底彎矩對比

表2 3#塔順橋向位移與塔底彎矩對比

由表1—表2可知，塔梁同步施工過程中塔頂順橋向位移、塔底順橋向彎矩與先塔后梁方案相差較大。這是因為塔梁同步施工階段對主梁較輕的一側進行壓重，同時斜拉索張拉力按兩側對稱進行控制。塔梁同步施工結束后進行索力調(diào)整，調(diào)整索力后塔梁同步施工方案與先塔后梁方案塔頂位移差值2#塔僅為0.8 mm，3#塔僅為0.2 mm，塔底順橋向彎矩差值2#塔為854.3 kN·m，3#塔為627.0 kN·m?？梢姡和绞┕し桨笇?#塔和3#塔受力與變形影響均很小。

2.2 不平衡施工荷載影響與控制

塔梁同步施工過程中，需要保證對稱施工，控制不平衡施工荷載在合理范圍內(nèi)[5]。對于蕪湖長江公鐵大橋，塔梁同步施工時不平衡荷載主要由以下因素組成:大小里程理論索力不平衡，主跨邊跨鋼梁自重存在差異，不平衡風載，不平衡日照引起的溫差，不平衡施工荷載，斜拉索張拉力的誤差。針對不同因素，提出以下控制措施。

1)大小里程拉索以平衡索力張拉。為解決大小里程理論索力不平衡引起的主塔縱向變形、控制塔底縱向彎矩，雙懸臂架設期間，前期同步施工時以平衡索力作為第1次張拉索力，保證同步施工時主塔兩側荷載基本平衡，主塔封頂后對前期張拉的斜拉索(2#塔8道索、3#塔5道索)進行調(diào)整，使主梁線形達到設計線形，然后再按常規(guī)索力繼續(xù)索、梁施工。

2)主跨側、輔助跨側梁段配平。因輔助跨側梁段重量大于主跨側，對主跨側鋼梁壓重進行荷載配平，控制主塔偏位，降低主塔根部彎矩。壓重采用水袋或混凝土塊，經(jīng)計算，2#塔第7，8道索所在梁段各壓重 600 kN，3#塔第4，5道索所在梁段各壓重400 kN，可使主塔的線形(順橋向)滿足要求。

3)不平衡風載、不平衡日照引起的溫差影響控制。不平衡風載、不平衡日照引起的溫差所產(chǎn)生的不平衡荷載，可以通過合理選擇測量時機進行控制，即在無風或者風荷載很小，且溫度恒定時測量主塔偏位。

4)不平衡施工荷載影響控制。不均衡的施工荷載包括兩側懸臂架設鋼梁的不同步、架梁吊機走行的不同步、材料設備的不均衡堆載。懸臂架設鋼梁的不同步造成的不均衡荷載單側可達 8 000 kN(按最大偏載工況考慮一側完全起吊，另一側未起吊)，由于這只是一個短時間狀況，只需在鋼梁起吊未完全離船之前，不進行立模測量即可；梁面施工不均衡荷載(包括斜拉索等材料、汽車吊等設備)通過現(xiàn)場管理措施解決，將不平衡施工荷載控制在250 kN以內(nèi)。

5)斜拉索張拉力的誤差。斜拉索索力誤差將導致主塔存在順橋向偏位[7]。通過以下措施減小斜拉索索力誤差造成的影響：①斜拉索張拉時，采用壓力環(huán)、智能化測試索力等監(jiān)測手段，確保實際張拉的索力值與理論索力值偏差在2%以內(nèi)。②同一道斜拉索分批次張拉過程中，大小里程側使用的千斤頂交替使用，使得千斤頂產(chǎn)生的偏差在大小里程側相互抵消，從而降低千斤頂引起的索力偏差影響。③現(xiàn)場增設千斤頂、油表標定設備，增加千斤頂、油表標定頻率，減小由于千斤頂?shù)氖褂迷蛟斐傻钠睢?/p>

6)將不均衡施工荷載與斜拉索張拉力誤差對主塔順橋向位移的影響進行定量分析[6]。根據(jù)塔梁同步施工中實際控制難度，分別計算250 kN施工不均衡荷載、500 kN施工不均衡荷載、2%斜拉索索力偏差、3%斜拉索索力偏差所引起的主塔縱向偏移量，計算結果見圖3。250 kN不均衡荷載指的是在一側(中跨側或邊跨側)梁端施加250 kN荷載，另一側不施加任何荷載；2%斜拉索索力偏差指的是將一側(大里程或小里程)斜拉索張拉索力人為調(diào)高2%，另一側不做改變。圖中縱坐標正負號僅表示方向，例如+號表示在主塔北側梁端施加250 kN偏載。

圖3 不均衡荷載和索力偏差引起主塔順橋向位移(單位：mm)

由圖3可知，在不均衡施工荷載250 kN作用下，2#塔塔頂順橋向位移絕對值最大為8.2 mm；在斜拉索索力偏差2%作用下，2#塔塔頂順橋向位移絕對值最大為9.2 mm，二者累加為17.4 mm，小于30.0 mm。在不均衡施工荷載250 kN作用下，3#塔塔頂順橋向位移絕對值最大為1.9 mm；在斜拉索索力偏差2%作用下，3#塔塔頂順橋向位移絕對值最大為4.5 mm，二者累加為6.4 mm，小于30.0 mm。這表明以不均衡施工荷載250 kN 和斜拉索索力偏差2%為控制目標是可行的。在不均衡施工荷載500 kN和斜拉索索力偏差3%作用下，2#塔最大累加塔頂順橋向位移為29.0 mm，小于30.0 mm，3#塔最大累加塔頂順橋向位移為9.9 mm，小于30.0 mm，也能滿足要求。實際上施工中不均衡荷載不可能永遠只偏向一端，斜拉索索力偏差也不可能完全偏向同一側，故實際的偏差會更小。

2.3 主塔柱橫橋向偏移影響與控制

本橋主塔為門式塔，進行塔梁同步施工時，主塔尚未形成框架結構。由于斜拉索在橫橋向相對于塔柱向內(nèi)傾斜[7]，上橫梁施工前塔柱提前承受斜拉索的橫向分力，若增加張拉索數(shù)，會使其成橋時的橫向位移、應力等狀態(tài)與設計理論狀態(tài)不一致。因此通過增加臨時橫撐的數(shù)量，調(diào)整其布置及對頂力的大小[8]，通過計算找到合適的橫撐布置形式及對頂力數(shù)值來平衡先張斜拉索的橫向分力，使塔柱最終的橫向位移、應力狀態(tài)與設計理論狀態(tài)一致。

經(jīng)過試算，2#主塔在原方案基礎上增設2道橫撐并調(diào)整橫撐對頂力(橫撐增加前后)，3#主塔在原設計方案基礎上增設1道橫撐并調(diào)整橫撐對頂力(橫撐增加前后)，塔梁同步施工完成后，上塔柱橫向位移、應力狀態(tài)與常規(guī)工序施工的結果基本一致。橫撐布置示意見圖4。

圖4 橫撐布置示意(單位：mm)

2.4 塔梁同步施工最不利工況下結構安全檢算

懸臂架設鋼梁的不同步造成的不均衡荷載單側可達 8 000 kN (按最大偏載工況考慮,一側完全起吊，另一側未起吊)，由于此時主塔未形成框架，需要對此不利工況進行檢算[4]。分別建立①2%索力偏差+250 kN不平衡重、②單側起吊、③2%索力偏差+250 kN不平衡重+單側起吊3種不同工況，計算結果見表3。

表3 最不利工況主塔受力

由表3可知，工況③時，2#塔塔柱與下橫梁交接處主塔應力-11.1 MPa，塔底彎矩達到了-1 028 050.6 kN·m；3#塔塔柱與下橫梁交接處主塔應力-9.2 MPa，塔底彎矩達到了-650 992.4 kN·m，主塔未出現(xiàn)拉應力，2#塔與3#塔塔底順橋向彎矩均很大，相對應的塔頂變形也較大。雖然結構處于安全狀態(tài)下，但施工中應盡量避免最不利工況組合發(fā)生。

3 “零狀態(tài)”測量

各不平衡荷載對塔柱縱向線形的影響均是在測量放樣(包括鋼筋定位框定位、鋼錨梁定位、立模板等)時產(chǎn)生。因此可以選擇不平衡荷載消除的“時間窗”(簡稱為“零狀態(tài)”)進行測量放樣，從而回避不平衡荷載的影響。因“零狀態(tài)”的選擇或等待影響施工進度，為盡量減少“零狀態(tài)”測量次數(shù)，放樣時采用相對設站法。即在已澆筑塔頂設置基準點，“零狀態(tài)”測量時只需通過地面已知控制點獲取基準點坐標，下一塔柱施工時，在該基準點上設全站儀，采用相對坐標控制[9]。非“零狀態(tài)”時，不平衡荷載使塔柱產(chǎn)生的縱向偏移對放樣測量產(chǎn)生的影響可忽略不計。為進一步減小誤差，鋼錨梁、模板等關鍵構件的測量定位仍然在“零狀態(tài)”進行。鋼筋、預應力管道、預埋件等構件的定位測量可在非“零狀態(tài)”進行。

“零狀態(tài)”測量選擇在主橋鋼梁節(jié)段架設完成后、架梁吊機未提梁未走行、斜拉索張拉完成后、無風、溫度較均勻的“時間窗”進行。兩側懸臂起吊鋼梁的不同步(原則上鋼梁懸臂起吊應對稱進行，鋼梁分級差對稱吊裝，具體分級由監(jiān)控單位在監(jiān)控指令中明確)、架梁吊機走行的不同步、斜拉索牽引過程索力不平衡、環(huán)境荷載不平衡對塔柱線形的影響均可以排除。

啟動掛索后的塔梁同步施工中，斜拉索張拉時塔、梁保持“零狀態(tài)”，故索力測量、張拉后塔梁復測均可按常規(guī)手段進行。鋼梁節(jié)段拼裝時，索、塔保持“零狀態(tài)”，且拼裝節(jié)段在斜拉索前方，采集在拼裝節(jié)段、接口后方 2 個節(jié)段節(jié)點的三維坐標，即可推算接口前后相對拱度、斜拉索前方整體線形(高程、軸線)。因此塔梁同步施工方案與先塔后梁方案的施工測量控制方法本質(zhì)上一致，不同之處在于塔梁同步施工方案的施工測量控制須額外注意測量時機的選取。

4 塔梁同步施工多層作業(yè)安全問題

塔梁同步施工存在多空間層面作業(yè)問題[10]，已張拉斜拉索一旦被高空墜物擊穿將直接破壞，必須更換，否則會影響結構安全。因此為保障塔梁同步施工過程中施工人員與斜拉索安全，必須采取相應措施加強防范。

1)為防止高空墜物，對主塔爬模操作平臺進行檢查及修復。各層平臺邊必須設置 20 cm 高的踢腳板，轉角處使用的腳手板不得小于3塊并且固定牢靠，臨邊必須掛設安全網(wǎng)，爬模外側面使用安全格柵網(wǎng)進行封閉防護。在爬模爬升前要全面檢查爬模系統(tǒng)的封閉情況并在爬模上設置鋼絲繩保險，檢查合格后方可進行模板爬升。

2)本橋兩側塔梁同步施工時，在主塔第1層橫撐布置鋼梁防護平臺，主要隔斷爬錐、螺栓、短鋼筋、自制扳手等細小的高空墜物。對與塔梁同步施工的斜拉索，在索施工完成后，主塔附近范圍內(nèi)的索體外套鐵皮管，再用彩條布對其纏繞防護，防止高空墜物對索體的損傷及污染。

3)上塔柱施工和橫梁墩頂節(jié)間鋼梁架設施工為同步多層作業(yè)，為保證多層作業(yè)安全，在主塔橫撐上設置一層安全防護平臺，防護平臺全封閉。為避免主塔施工時墜物傷人，安全防護平臺周圍安裝欄桿和安全防護網(wǎng)。底部設置 20 cm 高的踢腳板，防止小型墜物掉落平臺后彈出。進出鋼梁施工面的安全通道必須搭設防護棚，防護棚頂部采用鋼、木雙層腳手板鋪設。

4)上塔柱施工爬模操作平臺必須定期進行清理，材料、工具分類堆放到安全可靠的地方，施工鑿毛清理應盡量在夜間鋼梁架設不施工的情況下進行，塔柱進行大型吊裝作業(yè)時必須及時與鋼梁架設人員取得聯(lián)系，待下方人員全部撤離后方可進行吊裝。

5)加強對主塔、鋼梁、斜拉索3個作業(yè)隊施工人員的安全教育，提高安全防范意識，經(jīng)常召開安全會議。主塔施工人員禁止拋擲物料、工具等。在鋼梁作業(yè)面設置防護平臺能防護范圍的警戒線，鋼梁施工人員施工應盡量避開上面塔柱施工可能出現(xiàn)物體墜落的位置。

5 結論

1)塔梁同步施工方案是可行的。

2)塔梁同步施工階段，通過壓重、斜拉索張拉力兩側對稱、主塔封頂后卸載并調(diào)整一次索力，能保證主塔順橋向位移與塔底順橋向彎矩與常規(guī)工序施工的結果基本一致。

3)通過對稱張拉以及臨時配重解決大小里程理論索力不平衡、主跨邊跨鋼梁自重的差異；對于不平衡風載與不平衡日照引起的溫差因素，應合理選擇測量時機即無風或者風載荷很小且溫度恒定的時候進行測量；應以不均衡施工荷載250 kN和斜拉索索力偏差2%為控制目標,嚴格控制不平衡施工荷載與斜拉索張拉力的誤差，且塔梁同步施工中應避免單側起吊工況的發(fā)生。

4)對于門式主塔斜拉橋，進行塔梁同步施工時，主塔尚未形成框架結構。此時需要通過試算法調(diào)整臨時橫撐數(shù)量與橫撐對頂力，使主塔橫向位移、應力等狀態(tài)與設計理論狀態(tài)一致。

5)“零狀態(tài)”測量選擇在主橋鋼梁節(jié)段架設完成后、架梁吊機未提梁未走行、斜拉索張拉完成后、無風、溫度較均勻的“時間窗”進行，可以有效避免多種因素對主塔塔柱線形的影響。

6)塔梁同步施工存在多空間層面作業(yè)問題。通過增設安全網(wǎng)、防護平臺，斜拉索索體外套鐵皮管，加強施工人員安全教育等一系列措施可保障多空間層面作業(yè)下施工人員與斜拉索的安全。