滬通長江大橋29#墩塔梁同步施工工藝

趙東波

（中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844）

大跨度鋼桁梁斜拉橋的施工監(jiān)控是指在施工過程中通過對控制性截面的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如應(yīng)力、變形、基礎(chǔ)沉降以及風(fēng)、溫度、振動等進(jìn)行監(jiān)測，保證結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力在建造過程中始終處于控制范圍內(nèi)，確保橋梁施工安全和成橋狀態(tài)下線形、內(nèi)力符合設(shè)計要求［1］。

近年來，采用塔梁同步施工的橋梁逐漸增多。相關(guān)學(xué)者集中研究同步施工的影響因素及控制理論、技術(shù)和措施，得出同步施工對索塔的影響大于主梁，在同步施工各階段須控制最不利截面壓應(yīng)力、線形、塔柱垂直度、頂端偏位和索力［2］。也有學(xué)者對斜拉橋塔和索的監(jiān)測控制進(jìn)行了探討，對監(jiān)測結(jié)果作誤差分析以及精度計算，從而保證索塔線形和測量定位的精度［3-4］。針對同步施工是否可以達(dá)到合理成橋狀態(tài)，相關(guān)學(xué)者從成橋索力、線形，主梁及主塔應(yīng)力、位移等方面討論同步施工的可行性［5］。在安全防護(hù)和風(fēng)險研究方面，國內(nèi)外學(xué)者討論了施工過程中斜拉橋的風(fēng)振響應(yīng)、減振安全［6］和穩(wěn)定性問題［7］。目前，采用塔梁同步施工的斜拉橋有馬嶺河特大橋、綏芬河斜拉橋、合生大橋等，采用塔梁同步施工可以明顯縮短工期［8］。

采用塔梁同步施工技術(shù)的斜拉橋，其施工控制目標(biāo)與普通斜拉橋相同，即達(dá)到合理成橋狀態(tài)，同時要確保施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的安全［9］。由于塔沒有形成整體結(jié)構(gòu)就要進(jìn)行主梁的施工，因此須要在主塔處增設(shè)支架、鋼管等臨時裝置，確保主塔在塔梁同步施工過程中的安全。

滬通長江大橋在主航道橋29#主塔墩施工時，由于施工工期緊張，采用塔梁同步施工的方法。在滿足施工質(zhì)量的條件下，減少了施工工期，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

1 工程概況

滬通長江大橋主航道橋孔跨布置為（140+462+1 092+462+140）m，全長2 296 m，主橋布置見圖1。

圖1 主航道橋布置（單位：m）

29#墩為鉆石形鋼筋混凝土主塔，塔高330 m，全部采用C60 自密實(shí)混凝土，單塔混凝土土方用量超過6萬m3（不含塔座）。主塔施工采用塔梁同步方案，共分54 節(jié)。其中下塔柱7 節(jié)，下橫梁2 節(jié)，中塔柱25 節(jié)，上塔柱20節(jié)，見圖2。

主梁劃分為164 個節(jié)間，每個節(jié)間長14 m，墩頂7個節(jié)段及邊跨部分節(jié)段為無索區(qū)，公路橋面邊跨側(cè)252 m 范圍為預(yù)制混凝土板，其余為鋼橋面板。鐵路橋面板為鋼箱結(jié)構(gòu)，公路橋面板為正交異性板結(jié)構(gòu)。

圖2 主塔節(jié)段劃分

斜拉索采用2 000 MPa 直徑7 mm 的平行鋼絲拉索，三索面布置，全橋共432根。單根索最長576.2 m，最大重量為835 kN，最大張拉力為9 980 kN。

2 塔梁同步施工原則

2.1 施工原則

為確保主塔施工質(zhì)量及全橋線形控制，滿足工期要求，29#墩塔梁同步施工組織原則如下：①主塔進(jìn)入上塔柱施工前完成墩旁托架、墩頂節(jié)段和架梁吊機(jī)拼裝；②塔端拉索錨固端上方至少完成3 個塔柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工，張拉時對應(yīng)塔柱節(jié)段混凝土須達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度且齡期不少于30 d；③塔、索、梁并行施工各自均存在測量、測控環(huán)節(jié)，須相互校核；④根據(jù)斜拉索長度（短索、中長索、長索）安排單個循環(huán)施工工期；⑤為降低由邊跨、中跨自重差異引起的主塔縱向變形和塔根縱向彎矩，須通過配載保持兩懸臂端荷載平衡。

根據(jù)掛索工藝和工效，確定2層短索、中長索和長索的掛索時間分別是10，11，12 d。確定29#墩塔梁同步施工自主塔第39 節(jié)混凝土澆筑完成、第40 節(jié)鋼錨梁定位完成后啟動第1 層斜拉索張拉，直至主塔施工完成。

在每輪次鋼梁拼裝時，同步進(jìn)行本輪次斜拉索塔端掛設(shè)和梁面展索工作。待鋼梁節(jié)段間栓焊完成后，架梁吊機(jī)前移28 m，完成該輪次2 層斜拉索梁端掛設(shè)及斜拉索張拉。

2.2 施工工序交叉安排

29#墩主塔爬模結(jié)構(gòu)高度覆蓋塔柱3 節(jié)，鋼錨梁層間距從下往上逐步變小，可滿足啟動掛索后鋼錨梁上升速率大于主塔節(jié)段施工速率的要求。為保證斜拉索始終處于爬模之下，在第40節(jié)內(nèi)鋼錨梁測量定位完成后，啟動第1層斜拉索張拉。

在主塔施工過程中、鋼梁拼裝對接后和斜拉索張拉后，對主塔內(nèi)勁性骨架、鋼錨梁及索導(dǎo)管、模板和主塔、主梁線形進(jìn)行測量，需要主塔、主梁分別處于無荷載變化的可測量的“靜態(tài)”。根據(jù)上塔柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段包含2 層鋼錨梁、鋼梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段包含2 層錨拉板的特點(diǎn)，采取索梁與主塔異步施工，可保證主塔測量時不提梁、架梁吊機(jī)不走行、不掛索張拉，保證斜拉索張拉時橋面荷載分布無變化。

為保證1個周期內(nèi)架設(shè)1個節(jié)段鋼梁、掛2層斜拉索，計劃安排索、梁工序重疊交叉5 d，同時在鋼梁節(jié)段拼裝過程中完成2 層索塔端掛設(shè)和梁面牽引、張拉。主塔封頂后再無塔梁同步施工，但鋼梁架設(shè)進(jìn)入結(jié)合梁區(qū)間，須考慮預(yù)制橋面板安裝與梁面掛索重疊，仍按1個周期為12 d的計劃進(jìn)行。

3 塔梁同步施工控制

3.1 控制原理

塔梁同步施工過程中，斜拉索張拉時塔、梁須保持“靜態(tài)”，索力測量、張拉后塔梁復(fù)測均用常規(guī)方法。鋼梁節(jié)段拼裝時，索、塔保持“靜態(tài)”，且拼裝節(jié)段在斜拉索前方，采集在拼節(jié)段、接口后方2個節(jié)段節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，推算接口前后相對拱度、斜拉索前方整體線形。

斜拉索掛索后，邊跨、主跨拉索不平衡水平分力引起主塔縱向偏位，索力不均甚至?xí)鹨欢ǔ潭鹊乃鶛M向扭轉(zhuǎn)。同時，須考慮大型塔吊附著、ZSL2700塔吊站位偏離主塔軸線、施工電梯非對稱布置等施工設(shè)施的疊加影響。選擇在主塔存在變形的非垂直狀態(tài)下進(jìn)行主塔施工放樣坐標(biāo)計算、復(fù)測控制是塔梁同步施工控制的關(guān)鍵。根據(jù)有限元計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)，相互校核上塔柱施工中各節(jié)段相關(guān)控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，確定40 節(jié)以后各節(jié)段內(nèi)勁性骨架定位、鋼錨梁與索導(dǎo)管測量定位、立模放樣結(jié)果。

3.2 塔偏監(jiān)測點(diǎn)布置與坐標(biāo)推算

為校核數(shù)值計算結(jié)果，在施工過程中測量主塔偏位。自第3節(jié)塔柱開始，依次在下橫梁、下橫梁以上中塔柱50 m 處、中塔柱中部、第33～51 節(jié)、塔冠的上下游側(cè)主塔軸線上埋設(shè)觀測棱鏡，監(jiān)測塔梁同步施工期間的塔偏情況。

因爬模覆蓋3 節(jié)高度、待澆筑節(jié)段以下12 m 內(nèi)棱鏡無法通視，每次主塔偏位線形測量時觀測斷面為第3 節(jié)、下橫梁、下橫梁以上中塔柱50 m 處、第33 節(jié)、已澆筑節(jié)段頂面，通過此5 或6 個高程斷面軸線點(diǎn)坐標(biāo)，計算主塔偏位曲線，按割線法外推至待施工節(jié)段特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并與數(shù)值解相互校核，保證待施工節(jié)段與已施工節(jié)段“順接”。塔偏變形監(jiān)測和主塔坐標(biāo)推算如圖3所示。

圖3 塔偏變形監(jiān)測和主塔坐標(biāo)推算示意

3.3 塔梁同步荷載平衡控制

塔梁同步施工中，周期循環(huán)內(nèi)鋼梁拼裝、架梁吊機(jī)走行、掛索等須保持南北側(cè)同步、荷載一致。同時，在雙懸臂架設(shè)至Z61—Z62 和Z24—Z25 后、輔助跨合龍前，因輔助跨側(cè)梁段重量大于主跨側(cè)，需對主跨壓重進(jìn)行荷載配平，控制主塔偏位，降低主塔根部彎矩。

4 大階段鋼桁梁整體節(jié)點(diǎn)合龍技術(shù)

主航道橋鋼梁合龍施工以對合龍口敏感性分析計算為基礎(chǔ)，通過控制已掛設(shè)斜拉索索力及均衡性、配合壓重、布設(shè)張拉起頂?shù)群淆埓胧{(diào)整合龍段鋼梁軸線偏位，合龍口鋼梁節(jié)點(diǎn)豎向、縱向位移，保證兩側(cè)合龍口豎向高程與轉(zhuǎn)角一致再合龍。

4.1 輔助跨合龍敏感性分析

輔助跨鋼梁合龍邊界條件：主航道橋鋼梁整體處于懸臂狀態(tài)，主塔處設(shè)置縱向及橫向限位，支座處設(shè)置豎向限位。根據(jù)南輔助跨實(shí)際約束條件，對鋼梁局部壓重、溫度變化、長索索力調(diào)整等合龍調(diào)節(jié)措施進(jìn)行敏感性分析。分析結(jié)果見表1。可見，鋼梁局部壓重、索力調(diào)整對合龍口鋼梁豎向線形影響較大。擬采用配置壓重、控制斜拉索張拉索力粗調(diào)整合龍口懸臂端鋼梁線形等措施，使線形控制在監(jiān)控目標(biāo)范圍內(nèi)。

表1 輔助墩敏感性分析

4.2 邊跨合龍敏感性分析

根據(jù)南邊跨實(shí)際約束條件，對鋼梁局部壓重、輔助墩起頂、溫度變化、長索索力調(diào)整等合龍調(diào)節(jié)措施進(jìn)行敏感性分析。分析結(jié)果見表2。

表2 邊跨敏感性分析

由表2 可知，鋼梁局部壓重、輔助墩起頂措施、索力調(diào)整對合龍口懸臂端線形影響較大。擬采用配置壓重、控制斜拉索張拉索力、輔助墩起頂粗調(diào)整合龍口懸臂端鋼梁線形等。

4.3 中跨合龍敏感性分析

分析主跨側(cè)壓重、對拉、長索拔出和鋼梁整體縱向頂推、輔助墩起頂?shù)却胧淆埧谪Q向位移和上下弦縱向位移的影響。分析結(jié)果見表3。

表3 中跨敏感性分析

由表3 可知，鋼梁局部壓重、輔助墩起頂、鋼梁縱移、索力調(diào)整措施對主跨合龍口懸臂端鋼梁線形影響較大。主跨鋼梁合龍施工擬采用集中壓重、控制斜拉索張拉索力、鋼梁往邊跨縱移、輔助墩起頂?shù)却胧┐终{(diào)整合龍口懸臂端鋼梁線形，使之在監(jiān)控目標(biāo)范圍內(nèi)。

4.4 測量、監(jiān)控控制

鋼梁懸臂架設(shè)過程中通過鋼梁壓重、索力調(diào)整，控制主塔偏位，保證鋼梁線形按照既定要求架設(shè)，同時確保結(jié)構(gòu)線形和內(nèi)力滿足設(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)鋼梁順利合龍。

在橋面、主塔荷載基本不變的情況下測量兩合龍口鋼梁姿態(tài)。在合龍前1～2 d 對合龍口鋼梁姿態(tài)進(jìn)行連續(xù)測量，通過測量數(shù)據(jù)分析因環(huán)境溫度變化引起的合龍口姿態(tài)變化規(guī)律，找到最適合的合龍時機(jī)，確定縱向頂推∕拖拉距離。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，通過斜拉索張拉索力、鋼梁節(jié)間配重等措施調(diào)整主梁線形，確保架設(shè)至合龍口時合龍口兩側(cè)鋼梁線形一致。

施工監(jiān)控的目的是：保證橋梁結(jié)構(gòu)成橋時結(jié)構(gòu)受力合理，線形平順，施工過程中各工況結(jié)構(gòu)均處于符合規(guī)范和設(shè)計要求的受力狀態(tài)下；對施工過程進(jìn)行必要的優(yōu)化論證分析，主要通過載荷布置、斜拉索索力控制鋼梁線形。

輔助墩合龍目標(biāo)主要是確定輔助墩合龍前結(jié)構(gòu)狀態(tài)（最大雙懸臂），通過控制雙懸臂對稱架設(shè)張拉索力，保持主塔豎直，懸臂端標(biāo)高需考慮輔助墩跨主動合龍時懸臂端在設(shè)計高程以下300 mm。

邊墩合龍目標(biāo)主要是確定邊墩合龍前結(jié)構(gòu)狀態(tài)，通過控制張拉索力和輔助墩起頂位移，滿足邊跨節(jié)間主動合龍時懸臂端在設(shè)計高程以下300 mm。

主跨合龍子目標(biāo)是控制主跨合龍時29#塔梁狀態(tài)，主要通過控制S27#—S34#拉索索力，配合壓重、長索張拉、輔助墩鋼梁起頂?shù)群淆埓胧ＷC兩側(cè)合龍口豎向高程與轉(zhuǎn)角一致。

中跨合龍后主塔各測點(diǎn)的塔偏見圖4?？梢姡舷掠嗡∮贘TG∕T D65?01—2007《公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則》規(guī)定的min｛30 mm，H∕3 000｝［10］。中跨合龍后主梁的軸偏和高程見圖5?？梢?，主梁高程滿足相鄰階段相對高程誤差不大于階段長度的±0.3%，主梁高程不應(yīng)大于±L∕10 000，滿足規(guī)范要求［10］。

圖4 主塔各測點(diǎn)的塔偏

圖5 中跨合龍后主梁的軸偏和高程

5 塔梁同步施工功效分析

5.1 塔梁同步功效分析

29#主塔墩2017 年12 月23 日開始施工，2019 年6月27 日主塔封頂完工，主塔施工歷時552 d。按照塔梁同步施工工藝，2019 年1 月12 日開始鋼梁懸臂架設(shè)，2019 年9 月27 日架設(shè)完畢，鋼梁懸臂架設(shè)歷時259 d。自29#主塔墩開始施工至全部鋼梁懸臂架設(shè)完成歷時644 d。

若不采用塔梁同步施工，仍按通常先塔后梁的施工工藝，待主塔封頂后開始鋼梁懸臂架設(shè)，則塔梁施工工期預(yù)計811 d，比采取塔梁同步施工工藝預(yù)計滯后167 d。

5.2 主塔施工功效分析

29#墩采取塔梁同步施工工藝，雖然主塔、鋼梁及斜拉索同時施工，施工工藝及步驟交叉因素多，但通過不斷優(yōu)化施工工藝，加大資源投入，從實(shí)際情況看主塔施工進(jìn)度并未因此而減緩。

29#墩主塔施工歷時552 d，施工功效0.59 m∕d，較滬通大橋主航道橋28#墩主塔施工功效0.47 m∕d 高。與同類型其他橋梁相比，29#墩主塔施工功效亦有較大優(yōu)勢：天興洲橋主塔功效0.35 m∕d，銅陵橋主塔功效0.31 m∕d。

5.3 社會經(jīng)濟(jì)效益

29#主塔墩為滬通長江大橋施工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，滬通長江大橋?yàn)闇ㄨF路的控制性工程。根據(jù)實(shí)際情況來看，29#主塔墩采用塔梁同步施工節(jié)約工期167 d，意味著整個滬通長江大橋工期提前167 d，整個滬通鐵路將提前167 d通車運(yùn)營。

從建設(shè)施工的角度來看，采用塔梁同步施工需加大勞務(wù)、大型設(shè)備等資源的投入，將造成施工成本略微增加。從整個項目的運(yùn)營角度來看，提前通車運(yùn)營將帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益，同時從整個社會來看，提前通車運(yùn)營將提早拉動蘇南蘇北的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，有著不可估量的社會效益。

6 結(jié)論

滬通長江大橋29#主塔墩通過施工工序交叉安排、測量控制措施、荷載平衡措施以及大節(jié)段鋼桁梁整體節(jié)點(diǎn)合龍技術(shù)，保證了塔梁同步施工的質(zhì)量與精度。