千米跨公鐵兩用斜拉橋超高主塔施工關鍵技術

張文斌

(1.中鐵大橋局集團有限公司 武漢 430050； 2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室 武漢 430034)

借著國家大量投資基礎建設的東風，國內橋梁建設的發展日新月異，自2009年天興洲長江大橋建成至2019年年底，大跨度公鐵兩用斜拉橋跨徑就已突破千米大關。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見表1。本文以在建滬通長江大橋為例，對大跨度公鐵兩用斜拉橋超高主塔施工關鍵技術進行總結介紹。

表1 近10年建成(在建)大跨度公鐵兩用斜拉橋

1 工程概況

滬通長江大橋(以下簡稱滬通橋)位于江蘇省，大橋北岸為南通市，南岸為張家港市，主橋為雙塔斜拉橋，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)，為鋼筋混凝土結構，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，下橫梁以下塔柱內收為鉆石形，主塔結構見圖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范圍為索塔錨固區段，4號～36號斜拉索采用鋼錨梁作為斜拉索錨固結構，鋼錨梁三維示意圖見圖2，鋼錨梁水平放置于上塔柱內側鋼牛腿上，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～3號斜拉索直接錨固于中、上塔柱交匯處實心段上。

表2 主塔各部位截面尺寸 m

圖1 主塔結構(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個節段施工，標準節段高6.0 m，內外模板均采用爬模，為確保塔座與下塔柱連接處混凝土質量，防止截面突變出現收縮裂縫，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個節段，下橫梁與對應高度的塔柱一起分2層施工，中塔柱24個節段、上塔柱22個節段。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+預埋爬錐牛腿”的方式施工。上塔柱索塔錨固區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行定位，勁性骨架在車間分片加工，運輸至橋位后，由塔吊分片吊裝；鋼筋接頭采用滾軋直螺紋機械連接。主塔C60高性能混凝土由水上固定式混凝土工廠泵送，下橫梁施工時由水上固定式混凝土工廠和2艘“海天號”攪拌船同時供應。

3 主塔施工關鍵技術

3.1 塔吊配置

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

表3 塔吊配置

圖3 下塔柱及橫梁施工現場照片

圖4 中塔柱施工現場照片

圖5 上塔柱施工現場照片

該橋上塔柱4號～36號斜拉索鋼錨梁需整節段安裝，最大重量約850 kN，為解決其吊裝問題，巧妙利用了中塔柱內傾的結構特點，在中上塔柱交匯段附近設置支承托架作為2 700 t·m塔吊的基礎。將塔吊完全設置在塔身上，區別于塔吊基礎放在承臺上的方案，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%，同時還減小了塔吊本體的高度及附墻的設計長度，僅此一項，就為該項目節省施工成本上千萬元。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進行安裝，為此在主塔橫橋向的另一側設置了1臺1 500 t·m塔吊，負責2 700 t·m塔吊的安裝及拆除。2臺大型塔機的起重能力由超重構件的吊裝要求決定，此外也要兼顧其它構件的豎向運輸或安裝，該橋29號墩采用塔梁同步施工，主塔未封頂不能設置塔頂吊架，因此，斜拉索的塔端掛設也需要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，根據監控計算，第一層混凝土達到強度后張拉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的塔柱同時澆筑，2層混凝土澆筑方量分別為6 637，4 997 m3(均含塔柱)，為避免出現冷縫、色差等質量病害，保證混凝土的澆筑質量，混凝土的初凝時間調整為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，其設計原則是：①立柱受力盡量均勻；②適應橫向分配梁“以直代曲”轉折點的布置；③澆筑第二層混凝土時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構應力滿足要求；④下塔柱施工時可以同步進行橫梁支架的安裝，即保證立柱結構安裝時與塔柱內側爬模不沖突。

根據計算，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力0.64 MPa，發生在橫梁跨中；橫梁與塔柱交界處腹板頂面出現最大拉應力0.8 MPa，混凝土應力滿足要求。

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度，有效降低了支架承受的荷載。

3.3 中塔柱橫撐

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

圖7 中塔柱橫撐布置(單位：m)

根據中塔柱施工階段計算分析結果，第一道橫撐預頂力3.2×103kN，第二道橫撐預頂力1.8×103kN，第三道橫撐預頂力3.8×103kN，第四道橫撐預頂力3.2×103kN，施工過程中，中塔柱塔根處截面最大應力0.42 MPa，滿足混凝土應力要求；4道橫撐為壓彎構件，最大軸向力發生在高溫工況，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Q345B，單根構件最大吊重約200 kN，由1 500 t·m塔吊負責其安裝，待中上塔柱合龍后拆除。

3.4 中上塔柱交匯段施工

交匯段分節施工高度6.0 m，頂高程+218.0 m，距下橫梁頂面達150 m，采用不落地支架現澆施工。交匯段施工支架示意見圖8，支架由承重牛腿、墊梁、對拉分配梁、支撐排架及底模組成，設計總重648 kN。支撐排架順橋向共15道，間距1.0 m。為減少高空作業風險，同時考慮1 500 t·m塔吊的吊重能力，將支撐排架與底模一體化設計，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)

每道排架均通過設置在兩側塔肢上的牛腿將荷載傳遞至已澆筑主塔節段上。交匯段支架支承牛腿結構見圖9，單個牛腿最大反力528 kN，通過6個預埋爬錐M42/D20固定在塔身上，方便拆裝、有利于高空作業，能夠有效控制受力結構的施工質量。

圖9 交匯段支架支承牛腿結構(單位：mm)

3.5 鋼錨梁施工

鋼錨梁組件由受拉錨梁、錨固構造(鋼牛腿)組成，在鋼結構制造基地采用“零件→單元→整體→組拼→節段預拼”程序生產制造，鋼錨梁經過“2+1”節段共16輪次立式預拼后，整節段運輸至橋位處，使用1 500 kN浮吊吊裝至承臺南、北側兩側鋼錨梁存放區內，然后根據上塔柱施工節段使用2 700 t·m塔吊分批次定位安裝，鋼錨梁吊裝現場照片見圖10。首節鋼錨梁為基準節段，必須利用定位調整裝置進行精確定位，其安裝需要重點預控鋼牛腿預埋壁板的高程、平面位置，以及壁板之間的相對高差。后續節段則以首節鋼錨梁為基準，根據主塔分節分批次安裝，每批次安裝1個或者2個節段。

圖10 鋼錨梁吊裝現場照片

由于鋼錨梁制造及安裝的傾斜度不可避免地會存在偏差，隨著錨梁的不斷接高，預偏差逐漸累積加大，因此，當錨梁安裝到一定高度后必須進行糾偏[8]。根據現場錨梁和安裝批次，在每批中設置一層糾偏墊板，在鋼錨梁分組對接牛腿位置進行設置。鋼錨梁制造時，將每個墊片上側鋼錨梁的高度相應減小，使墊片厚度與減小后鋼錨梁高度的和同原設計鋼錨梁高度相等。在一批錨梁安裝定位前，測量錨梁實際傾斜情況，根據實際測量數據確定調整值，對墊板進行切削，并隨下批鋼錨梁一起安裝。

鋼錨梁與鋼牛腿整體安裝過程中需嚴格控制錨固點位置、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、過程連續微調、完成后安裝精度復測，保證安裝精度符合設計要求，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 黏度改性材料的應用

滬通橋主塔高達320 m，為減輕自重采用高標號C60混凝土，最大澆筑高度超過330 m，對混凝土泵送工作性能要求很高。

通過TK-MP型黏度改性材料的應用，對超高泵送混凝土配合比進行優化[9]。首先，黏度改性材料發揮了微細活性填料效應，降低了孔隙率，提高了膠凝材料水化產物的致密程度，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險；最關鍵一點在于，黏度改性材料發揮了物理滾珠填充效應，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“一級泵送，一泵到頂”的方案，選取2臺三一HBT9035CH-5D型拖泵，泵送設備技術參數見表5，泵管為直徑125 mm高壓泵管，附著于塔柱側面，上下游塔肢交替施工，每個塔肢布置2臺分料器進行布料。主塔施工中高度200 m以上部位，泵壓為18～20 MPa的條件下，單泵實際效率可達到理論輸出量的40%～45%，實施效果良好。

表5 泵送設備技術參數

3.7 超高塔線形控制

高塔施工需要確定塔柱在各種狀態和時間段的變形情況。當塔柱施工高度超過下橫梁時，每隔50 m高度埋設1組棱鏡，選擇天氣晴朗，晝夜溫差大的時間，進行36 h連續觀測，觀測頻率為1次/2 h，同步測量大氣溫度、塔柱四面溫度、日照方向、風向等環境因素，繪制縱橫橋向的變形曲線，確定塔柱“零變形”狀態時棱鏡的坐標值和觀測時間。

在中上塔柱施工過程中，塔柱施工高度每增加 50 m 時，在塔柱“零變形”狀態時間段，采用全站儀天頂測量方法進行一次基準傳遞測量，測量復核塔柱實際竣工位置偏差，根據測量結果，調整后續塔柱節段施工測量定位。

4 結語

滬通長江大橋是世界上首座主跨超越千米級的公鐵兩用斜拉橋，該橋大跨重載的特點使其主塔規模也達到了一個新的高度。通過多臺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鋼錨梁等構件的吊裝問題，并通過下橫梁分層澆筑、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及措施的應用，保證了主塔施工的順利進行，尤其是黏度改性材料的應用，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，都為今后300 m以上超高主塔的施工提供了有力的借鑒。