千米跨公鐵兩用斜拉橋超高主塔施工關(guān)鍵技術(shù)

張文斌

(1.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司 武漢 430050； 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430034)

借著國(guó)家大量投資基礎(chǔ)建設(shè)的東風(fēng)，國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)的發(fā)展日新月異，自2009年天興洲長(zhǎng)江大橋建成至2019年年底，大跨度公鐵兩用斜拉橋跨徑就已突破千米大關(guān)。隨著跨度的增大，斜拉橋主塔高度隨之不斷攀升[1-5]，塔柱受力、輪廓尺寸成倍增加，主塔的施工難度也在相應(yīng)加大。匯總近10年建成(在建)大跨度公鐵兩用斜拉橋主要參數(shù)見表1。本文以在建滬通長(zhǎng)江大橋?yàn)槔瑢?duì)大跨度公鐵兩用斜拉橋超高主塔施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)介紹。

表1 近10年建成(在建)大跨度公鐵兩用斜拉橋

1 工程概況

滬通長(zhǎng)江大橋(以下簡(jiǎn)稱滬通橋)位于江蘇省，大橋北岸為南通市，南岸為張家港市，主橋?yàn)殡p塔斜拉橋，孔跨布置：142 m+462 m+1 092 m+462 m+192 m=2 300 m，是世界上主跨首次超越千米級(jí)的公鐵兩用斜拉橋，上層布置六車道高速公路，下層布置四線鐵路。

滬通橋主塔高320 m(塔座以上高度)，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔座采用C50混凝土，塔身采用C60混凝土。下橫梁以上塔柱呈倒Y形，下橫梁以下塔柱內(nèi)收為鉆石形，主塔結(jié)構(gòu)見圖1。上塔柱采用八邊形截面，中塔柱由上塔柱八邊形漸變至六邊形，下塔柱為單箱雙室的六邊形截面，主塔各部位截面尺寸見表2。主塔上塔柱120 m范圍為索塔錨固區(qū)段，4號(hào)～36號(hào)斜拉索采用鋼錨梁作為斜拉索錨固結(jié)構(gòu)，鋼錨梁三維示意圖見圖2，鋼錨梁水平放置于上塔柱內(nèi)側(cè)鋼牛腿上，承受斜拉索水平力，豎向間距從上到下依次為26×2.8 m，2×3 m，2×3.2 m，2×3.4 m。1號(hào)～3號(hào)斜拉索直接錨固于中、上塔柱交匯處實(shí)心段上。

表2 主塔各部位截面尺寸 m

圖1 主塔結(jié)構(gòu)(單位：m)

圖2 鋼錨梁三維示意圖

2 主塔施工總體方案

塔柱總高320 m，分為55個(gè)節(jié)段施工，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段高6.0 m，內(nèi)外模板均采用爬模，為確保塔座與下塔柱連接處混凝土質(zhì)量，防止截面突變出現(xiàn)收縮裂縫，塔座澆筑完成后，即施工下塔柱底部1.0 m左右高度，縮短下塔柱與塔座混凝土澆筑間隔。下塔柱底部1.0 m以上至橫梁底范圍分7個(gè)節(jié)段，下橫梁與對(duì)應(yīng)高度的塔柱一起分2層施工，中塔柱24個(gè)節(jié)段、上塔柱22個(gè)節(jié)段。下橫梁采用落地鋼管支架施工，中上塔柱交匯段采用“不落地支架+預(yù)埋爬錐牛腿”的方式施工。上塔柱索塔錨固區(qū)鋼錨梁利用大噸位塔吊分批次安裝。塔柱鋼筋由型鋼焊接的勁性骨架進(jìn)行定位，勁性骨架在車間分片加工，運(yùn)輸至橋位后，由塔吊分片吊裝；鋼筋接頭采用滾軋直螺紋機(jī)械連接。主塔C60高性能混凝土由水上固定式混凝土工廠泵送，下橫梁施工時(shí)由水上固定式混凝土工廠和2艘“海天號(hào)”攪拌船同時(shí)供應(yīng)。

3 主塔施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 塔吊配置

滬通橋主塔體量巨大，塔柱混凝土工程量達(dá)61 899 m3，鋼筋質(zhì)量約10 000 t。主塔施工用的鋼筋、勁性骨架、橫撐、支架等構(gòu)件的吊裝均需依靠塔吊，根據(jù)上、中、下塔柱各部位工程量的大小，按階段配置相應(yīng)能力的塔吊，塔吊配置見表3、下橫梁及下塔柱施工現(xiàn)場(chǎng)照片見圖3、中塔柱施工現(xiàn)場(chǎng)照片見圖4、上塔柱施工現(xiàn)場(chǎng)照片見圖5。

表3 塔吊配置

圖3 下塔柱及橫梁施工現(xiàn)場(chǎng)照片

圖4 中塔柱施工現(xiàn)場(chǎng)照片

圖5 上塔柱施工現(xiàn)場(chǎng)照片

該橋上塔柱4號(hào)～36號(hào)斜拉索鋼錨梁需整節(jié)段安裝，最大重量約850 kN，為解決其吊裝問(wèn)題，巧妙利用了中塔柱內(nèi)傾的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在中上塔柱交匯段附近設(shè)置支承托架作為2 700 t·m塔吊的基礎(chǔ)。將塔吊完全設(shè)置在塔身上，區(qū)別于塔吊基礎(chǔ)放在承臺(tái)上的方案，將鋼錨梁吊裝幅度由34.4 m縮短至17.2 m，減小塔吊起重力矩約50%，同時(shí)還減小了塔吊本體的高度及附墻的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，僅此一項(xiàng)，就為該項(xiàng)目節(jié)省施工成本上千萬(wàn)元。由于2 700 t·m塔吊是附著在200 m高度的塔身上，其本身需要另外的吊機(jī)進(jìn)行安裝，為此在主塔橫橋向的另一側(cè)設(shè)置了1臺(tái)1 500 t·m塔吊，負(fù)責(zé)2 700 t·m塔吊的安裝及拆除。2臺(tái)大型塔機(jī)的起重能力由超重構(gòu)件的吊裝要求決定，此外也要兼顧其它構(gòu)件的豎向運(yùn)輸或安裝，該橋29號(hào)墩采用塔梁同步施工，主塔未封頂不能設(shè)置塔頂?shù)跫?，因此，斜拉索的塔端掛設(shè)也需要2 700 t·m塔吊的輔助。

3.2 下橫梁分層澆筑

由于主塔下橫梁規(guī)模較大，為減少單次混凝土澆筑量，下橫梁分2層(8 m+6 m)進(jìn)行澆筑。下橫梁施工采用落地鋼管支架，第一層混凝土澆筑高度8 m，根據(jù)監(jiān)控計(jì)算，第一層混凝土達(dá)到強(qiáng)度后張拉18束鋼絞線，再澆筑第二層混凝土。下橫梁和同一高度范圍內(nèi)的塔柱同時(shí)澆筑，2層混凝土澆筑方量分別為6 637，4 997 m3(均含塔柱)，為避免出現(xiàn)冷縫、色差等質(zhì)量病害，保證混凝土的澆筑質(zhì)量，混凝土的初凝時(shí)間調(diào)整為30 h。

下橫梁支架由鋼管立柱、牛腿、砂筒、縱橫向分配梁及底模組成。下橫梁支架立面布置見圖6。

圖6 下橫梁支架立面布置(單位：cm)

支架立柱順橋向布置4行，橫橋向布置5列，共20根，其設(shè)計(jì)原則是：①立柱受力盡量均勻；②適應(yīng)橫向分配梁“以直代曲”轉(zhuǎn)折點(diǎn)的布置；③澆筑第二層混凝土?xí)r立柱與第一層混凝土之間的荷載分配，需保證已澆筑橫梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求；④下塔柱施工時(shí)可以同步進(jìn)行橫梁支架的安裝，即保證立柱結(jié)構(gòu)安裝時(shí)與塔柱內(nèi)側(cè)爬模不沖突。

根據(jù)計(jì)算，第二層混凝土澆筑傳遞至支架的荷載僅占該次混凝土自重的12%；第一層已澆筑橫梁底板最大拉應(yīng)力0.64 MPa，發(fā)生在橫梁跨中；橫梁與塔柱交界處腹板頂面出現(xiàn)最大拉應(yīng)力0.8 MPa，混凝土應(yīng)力滿足要求。

下橫梁混凝土自重約1.4×105kN，支架承受2次澆筑的荷載合計(jì)7.6×104kN，僅為總重的54.3%，由此可見，混凝土分層澆筑充分利用已澆筑混凝土的強(qiáng)度，有效降低了支架承受的荷載。

3.3 中塔柱橫撐

中塔柱內(nèi)傾角度約81.118°，為控制施工過(guò)程中的應(yīng)力及線形，使其懸臂澆筑過(guò)程中在塔柱自重及施工荷載作用下不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫并具備足夠的安全儲(chǔ)備，在中塔柱相應(yīng)高度布置4道水平橫撐，中塔柱橫撐布置見圖7，并進(jìn)行主動(dòng)預(yù)頂。橫撐預(yù)頂力在有限元模型中采用單元溫度進(jìn)行模擬；單塔柱頂端施工荷載包含內(nèi)外爬模、人群荷載、勁性骨架及鋼筋自重等，共計(jì)約4.4×103kN，按集中荷載考慮。因塔柱自身剛度較大，頂推產(chǎn)生的塔柱橫橋向位移一般較小，水平橫撐預(yù)頂力的確定遵循“內(nèi)力控制為主，變形控制為輔”的原則[6-7]。

圖7 中塔柱橫撐布置(單位：m)

根據(jù)中塔柱施工階段計(jì)算分析結(jié)果，第一道橫撐預(yù)頂力3.2×103kN，第二道橫撐預(yù)頂力1.8×103kN，第三道橫撐預(yù)頂力3.8×103kN，第四道橫撐預(yù)頂力3.2×103kN，施工過(guò)程中，中塔柱塔根處截面最大應(yīng)力0.42 MPa，滿足混凝土應(yīng)力要求；4道橫撐為壓彎構(gòu)件，最大軸向力發(fā)生在高溫工況，其大小由下往上依次為：14 548，13 518，13 466，11 328 kN，每道橫撐均由2根鋼管組成，鋼管直徑為1.2 m、壁厚20 mm、材質(zhì)Q345B，單根構(gòu)件最大吊重約200 kN，由1 500 t·m塔吊負(fù)責(zé)其安裝，待中上塔柱合龍后拆除。

3.4 中上塔柱交匯段施工

交匯段分節(jié)施工高度6.0 m，頂高程+218.0 m，距下橫梁頂面達(dá)150 m，采用不落地支架現(xiàn)澆施工。交匯段施工支架示意見圖8，支架由承重牛腿、墊梁、對(duì)拉分配梁、支撐排架及底模組成，設(shè)計(jì)總重648 kN。支撐排架順橋向共15道，間距1.0 m。為減少高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)考慮1 500 t·m塔吊的吊重能力，將支撐排架與底模一體化設(shè)計(jì)，并分成3塊加工，單塊最大重量192 kN，吊裝到位后各分塊之間通過(guò)底模加勁肋上的螺栓連接固定形成整體。

圖8 交匯段施工支架(單位：高程，m；尺寸，cm)

每道排架均通過(guò)設(shè)置在兩側(cè)塔肢上的牛腿將荷載傳遞至已澆筑主塔節(jié)段上。交匯段支架支承牛腿結(jié)構(gòu)見圖9，單個(gè)牛腿最大反力528 kN，通過(guò)6個(gè)預(yù)埋爬錐M42/D20固定在塔身上，方便拆裝、有利于高空作業(yè)，能夠有效控制受力結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。

圖9 交匯段支架支承牛腿結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3.5 鋼錨梁施工

鋼錨梁組件由受拉錨梁、錨固構(gòu)造(鋼牛腿)組成，在鋼結(jié)構(gòu)制造基地采用“零件→單元→整體→組拼→節(jié)段預(yù)拼”程序生產(chǎn)制造，鋼錨梁經(jīng)過(guò)“2+1”節(jié)段共16輪次立式預(yù)拼后，整節(jié)段運(yùn)輸至橋位處，使用1 500 kN浮吊吊裝至承臺(tái)南、北側(cè)兩側(cè)鋼錨梁存放區(qū)內(nèi)，然后根據(jù)上塔柱施工節(jié)段使用2 700 t·m塔吊分批次定位安裝，鋼錨梁吊裝現(xiàn)場(chǎng)照片見圖10。首節(jié)鋼錨梁為基準(zhǔn)節(jié)段，必須利用定位調(diào)整裝置進(jìn)行精確定位，其安裝需要重點(diǎn)預(yù)控鋼牛腿預(yù)埋壁板的高程、平面位置，以及壁板之間的相對(duì)高差。后續(xù)節(jié)段則以首節(jié)鋼錨梁為基準(zhǔn)，根據(jù)主塔分節(jié)分批次安裝，每批次安裝1個(gè)或者2個(gè)節(jié)段。

圖10 鋼錨梁吊裝現(xiàn)場(chǎng)照片

由于鋼錨梁制造及安裝的傾斜度不可避免地會(huì)存在偏差，隨著錨梁的不斷接高，預(yù)偏差逐漸累積加大，因此，當(dāng)錨梁安裝到一定高度后必須進(jìn)行糾偏[8]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錨梁和安裝批次，在每批中設(shè)置一層糾偏墊板，在鋼錨梁分組對(duì)接牛腿位置進(jìn)行設(shè)置。鋼錨梁制造時(shí)，將每個(gè)墊片上側(cè)鋼錨梁的高度相應(yīng)減小，使墊片厚度與減小后鋼錨梁高度的和同原設(shè)計(jì)鋼錨梁高度相等。在一批錨梁安裝定位前，測(cè)量錨梁實(shí)際傾斜情況，根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)確定調(diào)整值，對(duì)墊板進(jìn)行切削，并隨下批鋼錨梁一起安裝。

鋼錨梁與鋼牛腿整體安裝過(guò)程中需嚴(yán)格控制錨固點(diǎn)位置、高程、軸線偏向、面板垂直度偏差，做到安裝前的精確放線定位、過(guò)程連續(xù)微調(diào)、完成后安裝精度復(fù)測(cè)，保證安裝精度符合設(shè)計(jì)要求，鋼錨梁與鋼牛腿整體安裝精度要求見表4。

表4 鋼錨梁與鋼牛腿整體安裝精度要求

3.6 黏度改性材料的應(yīng)用

滬通橋主塔高達(dá)320 m，為減輕自重采用高標(biāo)號(hào)C60混凝土，最大澆筑高度超過(guò)330 m，對(duì)混凝土泵送工作性能要求很高。

通過(guò)TK-MP型黏度改性材料的應(yīng)用，對(duì)超高泵送混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化[9]。首先，黏度改性材料發(fā)揮了微細(xì)活性填料效應(yīng)，降低了孔隙率，提高了膠凝材料水化產(chǎn)物的致密程度，顯著改善了混凝土的孔隙特征，確保了摻黏度改性材料、低膠凝材料混凝土的力學(xué)性能和耐久性；另一方面，由于黏度改性材料的高膠凝活性，塔柱單方混凝土膠凝材料摻入質(zhì)量降低近40 kg，混凝土絕熱溫升降低6 ℃，開裂溫度降低近7 ℃，混凝土收縮值降低10%，顯著降低了塔柱用C60高性能混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)；最關(guān)鍵一點(diǎn)在于，黏度改性材料發(fā)揮了物理滾珠填充效應(yīng)，使混凝土拌合物的塑性黏度降低了39%～47%，在不增加泵壓的條件下，混凝土排量可提高15%，顯著提高了混凝土的可泵性。

該橋主塔施工最終采用“一級(jí)泵送，一泵到頂”的方案，選取2臺(tái)三一HBT9035CH-5D型拖泵，泵送設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表5，泵管為直徑125 mm高壓泵管，附著于塔柱側(cè)面，上下游塔肢交替施工，每個(gè)塔肢布置2臺(tái)分料器進(jìn)行布料。主塔施工中高度200 m以上部位，泵壓為18～20 MPa的條件下，單泵實(shí)際效率可達(dá)到理論輸出量的40%～45%，實(shí)施效果良好。

表5 泵送設(shè)備技術(shù)參數(shù)

3.7 超高塔線形控制

高塔施工需要確定塔柱在各種狀態(tài)和時(shí)間段的變形情況。當(dāng)塔柱施工高度超過(guò)下橫梁時(shí)，每隔50 m高度埋設(shè)1組棱鏡，選擇天氣晴朗，晝夜溫差大的時(shí)間，進(jìn)行36 h連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)頻率為1次/2 h，同步測(cè)量大氣溫度、塔柱四面溫度、日照方向、風(fēng)向等環(huán)境因素，繪制縱橫橋向的變形曲線，確定塔柱“零變形”狀態(tài)時(shí)棱鏡的坐標(biāo)值和觀測(cè)時(shí)間。

在中上塔柱施工過(guò)程中，塔柱施工高度每增加 50 m 時(shí)，在塔柱“零變形”狀態(tài)時(shí)間段，采用全站儀天頂測(cè)量方法進(jìn)行一次基準(zhǔn)傳遞測(cè)量，測(cè)量復(fù)核塔柱實(shí)際竣工位置偏差，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，調(diào)整后續(xù)塔柱節(jié)段施工測(cè)量定位。

4 結(jié)語(yǔ)

滬通長(zhǎng)江大橋是世界上首座主跨超越千米級(jí)的公鐵兩用斜拉橋，該橋大跨重載的特點(diǎn)使其主塔規(guī)模也達(dá)到了一個(gè)新的高度。通過(guò)多臺(tái)大噸位塔吊的組合配置，解決了320 m高主塔鋼筋及勁性骨架、中塔柱橫撐、85 t鋼錨梁等構(gòu)件的吊裝問(wèn)題，并通過(guò)下橫梁分層澆筑、合理布置中塔柱橫撐、一體化交匯段支架、鋼錨梁整體制造安裝等一系列技術(shù)及措施的應(yīng)用，保證了主塔施工的順利進(jìn)行，尤其是黏度改性材料的應(yīng)用，改善了C60高性能混凝土的可泵性及抗裂性能，以及超高塔線形控制技術(shù)，都為今后300 m以上超高主塔的施工提供了有力的借鑒。