深中通道伶仃洋大橋東索塔中橫梁施工關(guān)鍵技術(shù)

曾健，李振*，楊蘇海，杜征力

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢430040）

1 工程概況

深中通道伶仃洋大橋位于廣東珠江入?？诹尕暄蠛Ｓ騼?nèi)，為580 m+1666 m+580 m三跨全漂浮懸索橋，屬全離岸結(jié)構(gòu)。橋面高達90 m，建成后將是全球最高的海中大橋。東索塔為高270 m的門式造型，設(shè)上、中、下3道橫梁[1]。中橫梁梁底距離海平面135 m，跨度約40 m，采用矩形截面，端部高度13.6 m，寬12.0 m，跨中高度8.5 m，寬7.5 m。混凝土采用C55海工混凝土，總混凝土方量約4363.7 m3，總重約11345 t。鋼筋采用HRB400普通鋼筋，重為617.7 t。為減少切斷豎向主筋，采用深埋錨施工工藝。鋼絞線錨固端位于塔柱外，共設(shè)置116束15-22預(yù)應(yīng)力鋼束。中橫梁跨度及重量均為國內(nèi)罕見，工藝復(fù)雜，施工難度極大。

本工程主塔中橫梁結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 主塔中橫梁結(jié)構(gòu)圖（cm）Fig.1 Structure drawing of middle beam in main tower(cm)

2 總體施工方案及施工難點

2.1 方案比選

根據(jù)類似項目索塔橫梁結(jié)構(gòu)施工[2-7]成功經(jīng)驗并結(jié)合本工程特點，通過質(zhì)量、工期、成本等方面進行比選，確定最佳施工方案。本工程中橫梁施工方案比選優(yōu)化見表1。

表1 中橫梁施工方案比選優(yōu)化Table 1 Optimization of middle beam construction scheme comparison and selection

2.2 方案確定

中橫梁采用上拱式托架分層澆筑的總體施工方案，橫梁與塔柱采取異步施工，即塔柱施工過橫梁位置后再進行橫梁施工。采用有限元進行分層施工計算分析，將原施工方案中分2次澆筑優(yōu)化為分3次澆筑：第1次澆筑底板、部分腹板及下倒角，高度5.586 m；第2次澆筑部分腹板、橫隔板，高度3.0 m；第3次澆筑剩余部分腹板、橫隔板及頂板，高度約5.431 m。為防止混凝土開裂，每層澆筑完成并張拉預(yù)應(yīng)力束后進行下一層混凝土澆筑施工。在首層混凝土澆筑完成且預(yù)應(yīng)力張拉完成后，進行支架系統(tǒng)卸荷，支架系統(tǒng)只承受首層混凝土澆筑荷載，首層混凝土澆筑方量約1710 m3，總重約4446 t。

支架系統(tǒng)由托架、連系梁、牛腿結(jié)構(gòu)、主橫梁、主縱梁、卸荷塊、分配梁及模板等組成，在塔身上預(yù)設(shè)埋件安裝牛腿，托架通過支座擱置在牛腿上，見圖2。托架頂部設(shè)置拉桿（?40精軋螺紋鋼筋）穿過主塔側(cè)壁錨固于主塔內(nèi)部。同時，將托架分為2個托架主體和2個楔形塊，在主體對接完成后，測量2片架體間距，制作尺寸合適的楔形塊貼板焊接，降低了制作精度和定位精度對托架結(jié)構(gòu)安裝的影響；設(shè)置橫向聯(lián)系梁，增加托架結(jié)構(gòu)的整體剛度，保障主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和臨時結(jié)構(gòu)安全。采用有限元模擬分層澆筑過程中支架受力狀況，經(jīng)計算，支架各構(gòu)件最大應(yīng)力為189 MPa，豎向最大撓度10.9 mm，支架體系強度及剛度均滿足要求。

圖2 上拱式托架布置圖（mm）Fig.2 Layout of upper arch bracket(mm)

2.3 施工難點

1）中橫梁支架自重大，吊裝及安裝難度大，對安裝精度要求較高。

2）支架安裝后，需對支架進行預(yù)壓以檢驗其強度，超高、超重橫梁支架預(yù)壓也是施工的難點。

3）中橫梁自身高度及跨度大，采用分層澆筑施工，需確保其在后澆混凝土荷載作用下不開裂。

4）高空作業(yè)，對安全施工要求高。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

橫梁與塔柱采取異步施工，支架施工完成后再進行橫梁施工，總體施工工藝流程見表2。

表2 總體施工工藝流程表Table 2 Overall construction process sheet

3.1 支架安裝

支架吊裝施工前，對主塔偏位情況、橫梁高程、托架牛腿預(yù)埋件位置測量復(fù)核，并對支架進行施工放樣。提前安裝各牛腿，實測牛腿標(biāo)高及間距，調(diào)整托架上支座位置。

托架分為兩側(cè)對稱安裝，中部設(shè)置楔形短梁。每片托架重達40.5 t，且跨度較大，為使支架起吊時不致發(fā)生過大彎曲變形，采用1臺MD3600塔吊及1臺副履帶吊配合作業(yè)，進行吊裝。

順橋向托架從中部向兩側(cè)對稱安裝，每安裝1片托架，利用兩側(cè)墩身上牛腿擱置托架，通過張拉中間4道頂部拉桿，調(diào)整托架傾斜度與設(shè)計一致。楔形短梁應(yīng)根據(jù)兩側(cè)安裝后托架實測間距，確定其尺寸。

托架安裝到位后，安裝兩側(cè)張拉桿墊梁，焊接牢固后將拉桿向墊梁及墊塊預(yù)埋件處轉(zhuǎn)換，見圖3。托架支座與牛腿之間的間隙須塞鋼板保證緊密接觸，然后焊接固定，牛腿端部塞鋼板與托架側(cè)面焊接牢固，上部拉桿按30 t初張力進行張拉（托架上端與墩身塞板貼緊）。

圖3 張拉桿位置示意圖（mm）Fig.3 Diagram of tension rod position(mm)

安裝各片托架之間的聯(lián)系梁及剪刀撐形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，再安裝卸荷塊、上部梁系及模板系統(tǒng)。

3.2 支架預(yù)壓

支架擬采用千斤頂反拉進行預(yù)壓，預(yù)壓荷載取值為不小于中橫梁結(jié)構(gòu)自重、模板重量、施工機具之和的1.1倍，預(yù)壓范圍不應(yīng)小于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)物的實際投影面。為盡可能在預(yù)壓加載時模擬支架真實的受力狀態(tài)，根據(jù)支架上卸荷塊反力分布，在支架主橫梁（2HN700×300）上布置連續(xù)千斤頂作為反拉點，如圖4所示。

圖4 支架預(yù)壓布置圖Fig.4 Support preloading layout

千斤頂加載嚴格按對稱、分層、分級原則進行，每級荷載安放位置重量偏差不得大于±5%，嚴禁集中加載和卸荷。預(yù)壓加載分3級進行：0→60%→80%→110%（千斤頂頂推）加載。支架預(yù)壓荷載對稱布置，保證千斤頂同步加載，嚴格控制產(chǎn)生的不平衡力在10%頂推力以內(nèi)，每一級加載發(fā)現(xiàn)局部變形過大時就立即停止加載，查明原因后繼續(xù)加載。反拉時每級加載完成1 h后進行各監(jiān)測點變形觀測，以后間隔6 h監(jiān)測一次，當(dāng)連續(xù)2次測量變形值均不大于2 mm即認為托架穩(wěn)定，可繼續(xù)加載。當(dāng)最后一級加載完成，間隔6 h觀測各點位移量，當(dāng)連續(xù)12 h監(jiān)測位移平均值之差不大于2 mm時即認為橫梁支架穩(wěn)定，方可卸載，卸載完成6 h后，再次監(jiān)測記錄各監(jiān)測點。支架預(yù)壓完成后，整理監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析支架彈性變形量、非彈性變形量及平面位移量，評價支架安全和確定立模標(biāo)高，形成支架預(yù)壓報告。

3.3 混凝土澆筑

橫梁混凝土分3次澆筑，澆筑使用16 m布料機進行澆筑，為提高可泵性和抗裂性，配合比設(shè)計中摻加了黏度改性材料。中橫梁根據(jù)混凝土澆筑順序依次進行預(yù)應(yīng)力張拉，利用支架澆筑首層橫梁混凝土，待第一層混凝土強度達到設(shè)計強度90%后，分批張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，張拉完成后對預(yù)應(yīng)力孔道進行灌漿，待預(yù)應(yīng)力孔道漿液達到設(shè)計強度90%后，澆筑第二層橫梁混凝土，依次完成中橫梁混凝土澆筑。根據(jù)施工順序進行有限元模擬，分析托架卸荷前后中橫梁混凝土應(yīng)力及位移變化，計算結(jié)果見表3。

表3 中橫梁各施工階段應(yīng)力、位移表Table 3 Stress and displacement of middle beam at each construction stage

上述結(jié)果與根據(jù)對托架應(yīng)力監(jiān)測反算的結(jié)果規(guī)律基本吻合。根據(jù)計算結(jié)果可知：中橫梁首層混凝土澆筑后和托架協(xié)同變形，底板受拉，拉應(yīng)力為0.2 MPa，頂板受壓，壓應(yīng)力為0.2 MPa；在混凝土強度達到設(shè)計要求后張拉底板預(yù)應(yīng)力，此時首層中橫梁受力轉(zhuǎn)換為全截面受壓，產(chǎn)生了一定的壓應(yīng)力儲備，頂板壓應(yīng)力6.3 MPa，底板壓應(yīng)力10.6 MPa；隨后進行托架卸荷，此時中橫梁第一層產(chǎn)生少許向下位移約5.5 mm，此時第一層中橫梁的受力依然保持全截面受壓，頂板壓應(yīng)力8.8 MPa，底板壓應(yīng)力8.9 MPa；最后澆筑第二層中橫梁混凝土，此時頂板產(chǎn)生壓應(yīng)變，壓應(yīng)力持續(xù)增加至11.1 MPa，底板產(chǎn)生的拉應(yīng)力被已有的壓應(yīng)力儲備抵消，最終底板依然呈現(xiàn)受壓態(tài)勢，壓應(yīng)力為7.1 MPa。張拉過程中中橫梁自身已存在較大剛度，預(yù)應(yīng)力的張拉對其變形影響極小，為向上0.1 mm的變形。由此可知，施工過程中橫梁混凝土拉應(yīng)力較小，分3層澆筑施工能保證混凝土施工階段的控裂要求。

3.4 支架拆除

中橫梁澆筑完成后即可進行中橫梁支架系統(tǒng)拆除。在每片托架頂部重心位置對應(yīng)中橫梁預(yù)埋管道，安裝連續(xù)千斤頂及鋼絞線；在千斤頂兩側(cè)分別設(shè)置卷揚機，利用卷揚機鋼絲繩穿過預(yù)埋管道并連接托架作為主要承重受力結(jié)構(gòu)，同時MD3600塔吊從旁系纜。如圖5所示。

圖5 支架拆除下放示意圖Fig.5 Schematic diagram of bracket removal and lowering

托架分為12組拆除，沿塔柱對稱線切割分為左右塔肢托架，解除托架之間的橫向連接后，連續(xù)千斤頂針對鋼絞線進行預(yù)緊調(diào)整到提升狀態(tài)；同時兩側(cè)卷揚機提升，保證鋼絲繩開始處于受力均勻，隨后逐點解除牛腿約束，通過卷揚機對托架姿態(tài)進行單個調(diào)整，待約束解除完畢，千斤頂再慢速配合卷揚機將托架分片下放，托架下放至設(shè)計位置后完成塔吊受力轉(zhuǎn)換，最終采用MD3600塔吊進行吊離下放。

4 結(jié)語

1）中橫梁采用上拱式托架分層現(xiàn)澆的總體施工方案，有效防止了混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)定性開裂；拱式結(jié)構(gòu)有效改善了托架牛腿處埋件受力；上拱式托架分層現(xiàn)澆方案滿足主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求及臨時結(jié)構(gòu)安全要求。

2）將中橫梁混凝土分2次澆筑優(yōu)化為分3次澆筑，支架系統(tǒng)只承受首層混凝土澆筑荷載，減少了臨時結(jié)構(gòu)鋼材使用量，有效節(jié)約了施工成本。

3）中橫梁施工后混凝土表面無裂縫，實測線形及外觀質(zhì)量均滿足設(shè)計和規(guī)范要求。