矮塔斜拉桥塔梁同步施工可行性分析

熊 琦，郭 辉，刘爱林，苏朋飞，戴福忠

(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；3.中铁大桥局集团有限公司，安徽 芜湖 241001)

1 工程概况

芜湖长江公铁大桥是商合杭(商丘—合肥—杭州)高速铁路的控制性工程，通行两线客运专线、两线市域轨道交通线、双向八车道城市主干路，主桥采用有砟轨道，其中客运专线设计行车速度250 km/h，ZK活载。主桥采用(98+238+588+224+84)m双塔双索面高低塔钢桁梁斜拉桥，全长 1 232 m。主塔为门式结构，2#塔塔高155.0 m,3#塔塔高130.5 m,主梁采用两片主桁结构,铁路主梁采用箱桁组合结构，斜拉索锚固在下弦，每侧布置两根斜拉索[1-2]。大桥立面如图1所示。

图1 芜湖长江公铁大桥立面示意(单位：m)

设计原要求主塔封顶、上横梁施工完成后，再进行主梁架设和斜拉索安装。由于项目工期紧，故需在上塔柱施工时(上横梁施工前)同步进行主梁架设。根据项目工期安排，2#塔梁须同步施工8道斜拉索，3#塔梁须同步施工5道斜拉索。

采用塔梁同步施工的方法，主塔在封顶之前就开始承受斜拉索荷载，会造成塔柱的实际形状、内力、应力状态与设计理论状态(按先塔后梁的常规工序进行施工)出现偏差。塔梁同步施工控制目标与普通斜拉桥相同,即达到合理成桥状态,同时确保施工过程中桥梁结构的安全[3]。

因此需要通过详细的计算，找出塔梁同步施工过程中各因素对塔柱纵横向偏位产生的影响，并针对性地提出各项控制、调整措施，从技术上确保塔梁索同步施工的可行性和安全性。通过详排工期、细分步骤，整理出同步施工过程中同一时间节点交叉进行的工序并进行合理的施工组织，从施工工序、工艺方面确保塔梁同步施工在满足技术要求的前提下顺利进行。

2 塔梁同步施工可行性分析与控制措施

本桥塔梁同步施工阶段，对主梁较轻的一侧进行压重，同时斜拉索张拉力按两侧对称进行控制。待主塔封顶后再卸除压重，以主梁线形为目标调整一次索力。结合本桥主梁为钢桁梁的特点，塔梁同步施工对主梁应力、位移以及拉索索力的影响通过塔梁同步施工结束后的索力调整消除。因此，只需对原设计和塔梁同步施工这2种方案主塔的受力与位移进行分析对比即可。

图2 塔梁同步施工塔柱顺桥向偏移产生原因

塔梁同步施工时，主塔两侧斜拉索张拉力不平衡、主梁质量不平衡等使下部已浇筑塔柱产生顺桥向位移(相对于理论轴线)，而待施工塔柱节段立模及钢锚梁定位时的测量放样若按常规沿理论轴线进行，则在施工不平衡荷载消除后塔柱实际线形相对理论轴线会产生一个反向的偏差，如图2所示。多个塔柱节段累积起来，可能会使塔柱顺桥向偏差超过容许值。根据TB 10415—2018《铁路桥涵工程施工质量验收标准》，斜拉桥索塔倾斜度容许偏差为塔高的1/3 000，且不大于30 mm 或设计要求。

借助MIDAS模拟2种施工方案并进行对比分析。

塔梁同步施工工序：塔柱施工(主塔未封顶)→原设计及新增横撑安装、施加横撑对顶力→主梁架设、斜拉索挂设→上横梁施工→横撑拆除→移除临时配重、调整索力。

先塔后梁施工工序：塔柱施工、横撑安装→上横梁施工、主塔封顶→横撑拆除→主梁架设、斜拉索挂设。

2.1 主塔顺桥向位移与塔底弯矩对比

计算塔梁同步施工结束且调整索力后主塔顺桥向位移与塔底弯矩，并与先塔后梁方案进行对比分析[4]，见表1—表2。

表1 2#塔顺桥向位移与塔底弯矩对比

表2 3#塔顺桥向位移与塔底弯矩对比

由表1—表2可知，塔梁同步施工过程中塔顶顺桥向位移、塔底顺桥向弯矩与先塔后梁方案相差较大。这是因为塔梁同步施工阶段对主梁较轻的一侧进行压重，同时斜拉索张拉力按两侧对称进行控制。塔梁同步施工结束后进行索力调整，调整索力后塔梁同步施工方案与先塔后梁方案塔顶位移差值2#塔仅为0.8 mm，3#塔仅为0.2 mm，塔底顺桥向弯矩差值2#塔为854.3 kN·m，3#塔为627.0 kN·m。可见，塔梁同步施工方案对2#塔和3#塔受力与变形影响均很小。

2.2 不平衡施工荷载影响与控制

塔梁同步施工过程中，需要保证对称施工，控制不平衡施工荷载在合理范围内[5]。对于芜湖长江公铁大桥，塔梁同步施工时不平衡荷载主要由以下因素组成:大小里程理论索力不平衡，主跨边跨钢梁自重存在差异，不平衡风载，不平衡日照引起的温差，不平衡施工荷载，斜拉索张拉力的误差。针对不同因素，提出以下控制措施。

1)大小里程拉索以平衡索力张拉。为解决大小里程理论索力不平衡引起的主塔纵向变形、控制塔底纵向弯矩，双悬臂架设期间，前期同步施工时以平衡索力作为第1次张拉索力，保证同步施工时主塔两侧荷载基本平衡，主塔封顶后对前期张拉的斜拉索(2#塔8道索、3#塔5道索)进行调整，使主梁线形达到设计线形，然后再按常规索力继续索、梁施工。

2)主跨侧、辅助跨侧梁段配平。因辅助跨侧梁段重量大于主跨侧，对主跨侧钢梁压重进行荷载配平，控制主塔偏位，降低主塔根部弯矩。压重采用水袋或混凝土块，经计算，2#塔第7，8道索所在梁段各压重 600 kN，3#塔第4，5道索所在梁段各压重400 kN，可使主塔的线形(顺桥向)满足要求。

3)不平衡风载、不平衡日照引起的温差影响控制。不平衡风载、不平衡日照引起的温差所产生的不平衡荷载，可以通过合理选择测量时机进行控制，即在无风或者风荷载很小，且温度恒定时测量主塔偏位。

4)不平衡施工荷载影响控制。不均衡的施工荷载包括两侧悬臂架设钢梁的不同步、架梁吊机走行的不同步、材料设备的不均衡堆载。悬臂架设钢梁的不同步造成的不均衡荷载单侧可达 8 000 kN(按最大偏载工况考虑一侧完全起吊，另一侧未起吊)，由于这只是一个短时间状况，只需在钢梁起吊未完全离船之前，不进行立模测量即可；梁面施工不均衡荷载(包括斜拉索等材料、汽车吊等设备)通过现场管理措施解决，将不平衡施工荷载控制在250 kN以内。

5)斜拉索张拉力的误差。斜拉索索力误差将导致主塔存在顺桥向偏位[7]。通过以下措施减小斜拉索索力误差造成的影响：①斜拉索张拉时，采用压力环、智能化测试索力等监测手段，确保实际张拉的索力值与理论索力值偏差在2%以内。②同一道斜拉索分批次张拉过程中，大小里程侧使用的千斤顶交替使用，使得千斤顶产生的偏差在大小里程侧相互抵消，从而降低千斤顶引起的索力偏差影响。③现场增设千斤顶、油表标定设备，增加千斤顶、油表标定频率，减小由于千斤顶的使用原因造成的偏差。

6)将不均衡施工荷载与斜拉索张拉力误差对主塔顺桥向位移的影响进行定量分析[6]。根据塔梁同步施工中实际控制难度，分别计算250 kN施工不均衡荷载、500 kN施工不均衡荷载、2%斜拉索索力偏差、3%斜拉索索力偏差所引起的主塔纵向偏移量，计算结果见图3。250 kN不均衡荷载指的是在一侧(中跨侧或边跨侧)梁端施加250 kN荷载，另一侧不施加任何荷载；2%斜拉索索力偏差指的是将一侧(大里程或小里程)斜拉索张拉索力人为调高2%，另一侧不做改变。图中纵坐标正负号仅表示方向，例如+号表示在主塔北侧梁端施加250 kN偏载。

图3 不均衡荷载和索力偏差引起主塔顺桥向位移(单位：mm)

由图3可知，在不均衡施工荷载250 kN作用下，2#塔塔顶顺桥向位移绝对值最大为8.2 mm；在斜拉索索力偏差2%作用下，2#塔塔顶顺桥向位移绝对值最大为9.2 mm，二者累加为17.4 mm，小于30.0 mm。在不均衡施工荷载250 kN作用下，3#塔塔顶顺桥向位移绝对值最大为1.9 mm；在斜拉索索力偏差2%作用下，3#塔塔顶顺桥向位移绝对值最大为4.5 mm，二者累加为6.4 mm，小于30.0 mm。这表明以不均衡施工荷载250 kN 和斜拉索索力偏差2%为控制目标是可行的。在不均衡施工荷载500 kN和斜拉索索力偏差3%作用下，2#塔最大累加塔顶顺桥向位移为29.0 mm，小于30.0 mm，3#塔最大累加塔顶顺桥向位移为9.9 mm，小于30.0 mm，也能满足要求。实际上施工中不均衡荷载不可能永远只偏向一端，斜拉索索力偏差也不可能完全偏向同一侧，故实际的偏差会更小。

2.3 主塔柱横桥向偏移影响与控制

本桥主塔为门式塔，进行塔梁同步施工时，主塔尚未形成框架结构。由于斜拉索在横桥向相对于塔柱向内倾斜[7]，上横梁施工前塔柱提前承受斜拉索的横向分力，若增加张拉索数，会使其成桥时的横向位移、应力等状态与设计理论状态不一致。因此通过增加临时横撑的数量，调整其布置及对顶力的大小[8]，通过计算找到合适的横撑布置形式及对顶力数值来平衡先张斜拉索的横向分力，使塔柱最终的横向位移、应力状态与设计理论状态一致。

经过试算，2#主塔在原方案基础上增设2道横撑并调整横撑对顶力(横撑增加前后)，3#主塔在原设计方案基础上增设1道横撑并调整横撑对顶力(横撑增加前后)，塔梁同步施工完成后，上塔柱横向位移、应力状态与常规工序施工的结果基本一致。横撑布置示意见图4。

图4 横撑布置示意(单位：mm)

2.4 塔梁同步施工最不利工况下结构安全检算

悬臂架设钢梁的不同步造成的不均衡荷载单侧可达 8 000 kN (按最大偏载工况考虑,一侧完全起吊，另一侧未起吊)，由于此时主塔未形成框架，需要对此不利工况进行检算[4]。分别建立①2%索力偏差+250 kN不平衡重、②单侧起吊、③2%索力偏差+250 kN不平衡重+单侧起吊3种不同工况，计算结果见表3。

表3 最不利工况主塔受力

由表3可知，工况③时，2#塔塔柱与下横梁交接处主塔应力-11.1 MPa，塔底弯矩达到了-1 028 050.6 kN·m；3#塔塔柱与下横梁交接处主塔应力-9.2 MPa，塔底弯矩达到了-650 992.4 kN·m，主塔未出现拉应力，2#塔与3#塔塔底顺桥向弯矩均很大，相对应的塔顶变形也较大。虽然结构处于安全状态下，但施工中应尽量避免最不利工况组合发生。

3 “零状态”测量

各不平衡荷载对塔柱纵向线形的影响均是在测量放样(包括钢筋定位框定位、钢锚梁定位、立模板等)时产生。因此可以选择不平衡荷载消除的“时间窗”(简称为“零状态”)进行测量放样，从而回避不平衡荷载的影响。因“零状态”的选择或等待影响施工进度，为尽量减少“零状态”测量次数，放样时采用相对设站法。即在已浇筑塔顶设置基准点，“零状态”测量时只需通过地面已知控制点获取基准点坐标，下一塔柱施工时，在该基准点上设全站仪，采用相对坐标控制[9]。非“零状态”时，不平衡荷载使塔柱产生的纵向偏移对放样测量产生的影响可忽略不计。为进一步减小误差，钢锚梁、模板等关键构件的测量定位仍然在“零状态”进行。钢筋、预应力管道、预埋件等构件的定位测量可在非“零状态”进行。

“零状态”测量选择在主桥钢梁节段架设完成后、架梁吊机未提梁未走行、斜拉索张拉完成后、无风、温度较均匀的“时间窗”进行。两侧悬臂起吊钢梁的不同步(原则上钢梁悬臂起吊应对称进行，钢梁分级差对称吊装，具体分级由监控单位在监控指令中明确)、架梁吊机走行的不同步、斜拉索牵引过程索力不平衡、环境荷载不平衡对塔柱线形的影响均可以排除。

启动挂索后的塔梁同步施工中，斜拉索张拉时塔、梁保持“零状态”，故索力测量、张拉后塔梁复测均可按常规手段进行。钢梁节段拼装时，索、塔保持“零状态”，且拼装节段在斜拉索前方，采集在拼装节段、接口后方 2 个节段节点的三维坐标，即可推算接口前后相对拱度、斜拉索前方整体线形(高程、轴线)。因此塔梁同步施工方案与先塔后梁方案的施工测量控制方法本质上一致，不同之处在于塔梁同步施工方案的施工测量控制须额外注意测量时机的选取。

4 塔梁同步施工多层作业安全问题

塔梁同步施工存在多空间层面作业问题[10]，已张拉斜拉索一旦被高空坠物击穿将直接破坏，必须更换，否则会影响结构安全。因此为保障塔梁同步施工过程中施工人员与斜拉索安全，必须采取相应措施加强防范。

1)为防止高空坠物，对主塔爬模操作平台进行检查及修复。各层平台边必须设置 20 cm 高的踢脚板，转角处使用的脚手板不得小于3块并且固定牢靠，临边必须挂设安全网，爬模外侧面使用安全格栅网进行封闭防护。在爬模爬升前要全面检查爬模系统的封闭情况并在爬模上设置钢丝绳保险，检查合格后方可进行模板爬升。

2)本桥两侧塔梁同步施工时，在主塔第1层横撑布置钢梁防护平台，主要隔断爬锥、螺栓、短钢筋、自制扳手等细小的高空坠物。对与塔梁同步施工的斜拉索，在索施工完成后，主塔附近范围内的索体外套铁皮管，再用彩条布对其缠绕防护，防止高空坠物对索体的损伤及污染。

3)上塔柱施工和横梁墩顶节间钢梁架设施工为同步多层作业，为保证多层作业安全，在主塔横撑上设置一层安全防护平台，防护平台全封闭。为避免主塔施工时坠物伤人，安全防护平台周围安装栏杆和安全防护网。底部设置 20 cm 高的踢脚板，防止小型坠物掉落平台后弹出。进出钢梁施工面的安全通道必须搭设防护棚，防护棚顶部采用钢、木双层脚手板铺设。

4)上塔柱施工爬模操作平台必须定期进行清理，材料、工具分类堆放到安全可靠的地方，施工凿毛清理应尽量在夜间钢梁架设不施工的情况下进行，塔柱进行大型吊装作业时必须及时与钢梁架设人员取得联系，待下方人员全部撤离后方可进行吊装。

5)加强对主塔、钢梁、斜拉索3个作业队施工人员的安全教育，提高安全防范意识，经常召开安全会议。主塔施工人员禁止抛掷物料、工具等。在钢梁作业面设置防护平台能防护范围的警戒线，钢梁施工人员施工应尽量避开上面塔柱施工可能出现物体坠落的位置。

5 结论

1)塔梁同步施工方案是可行的。

2)塔梁同步施工阶段，通过压重、斜拉索张拉力两侧对称、主塔封顶后卸载并调整一次索力，能保证主塔顺桥向位移与塔底顺桥向弯矩与常规工序施工的结果基本一致。

3)通过对称张拉以及临时配重解决大小里程理论索力不平衡、主跨边跨钢梁自重的差异；对于不平衡风载与不平衡日照引起的温差因素，应合理选择测量时机即无风或者风载荷很小且温度恒定的时候进行测量；应以不均衡施工荷载250 kN和斜拉索索力偏差2%为控制目标,严格控制不平衡施工荷载与斜拉索张拉力的误差，且塔梁同步施工中应避免单侧起吊工况的发生。

4)对于门式主塔斜拉桥，进行塔梁同步施工时，主塔尚未形成框架结构。此时需要通过试算法调整临时横撑数量与横撑对顶力，使主塔横向位移、应力等状态与设计理论状态一致。

5)“零状态”测量选择在主桥钢梁节段架设完成后、架梁吊机未提梁未走行、斜拉索张拉完成后、无风、温度较均匀的“时间窗”进行，可以有效避免多种因素对主塔塔柱线形的影响。

6)塔梁同步施工存在多空间层面作业问题。通过增设安全网、防护平台，斜拉索索体外套铁皮管，加强施工人员安全教育等一系列措施可保障多空间层面作业下施工人员与斜拉索的安全。