大跨度悬索桥索塔施工技术控制研究

2022-04-18邓银华刘小飞

交通世界 2022年7期

邓银华，刘小飞

（1.贵州路桥集团有限公司，贵州贵阳 550001；2.贵州路桥集团有限公司，贵州贵阳 550001）

1 工程概况

1.1 总体概况

河闪渡乌江特大桥为主跨680m的单跨钢桁梁悬索桥，全长2 000m。桥塔采用门型框架结构，湄潭岸主塔最大高度153m，石阡岸主塔最大高度96m，锚碇为重力式嵌岩锚；主缆中心距27m，跨径布置为（249+680+238）m；主桁采用板桁结合式钢桁梁，桁高6.8m、桁宽27m，全桥共53个节段，标准节段（含桥面板）最大吊装重量为160t。

1.2 索塔概况

桥梁索塔采用钢筋混凝土门式框架桥塔，石阡岸主塔最大高度96m。桥塔塔身由上塔柱、下塔柱、塔座及横梁组成。两塔柱沿高度方向，截面横桥向尺寸保持不变，截面纵桥向尺寸由塔顶宽6.5m塔底按照1∶100的坡度线性变化，塔柱横桥向内外侧倾斜斜率均为1∶22.4。为适应地形变化，减少挖方量，石阡侧桥塔两根塔柱不等高。

1.3 施工控制难点

桥梁主塔高96m，混凝土泵输送难度高，线形控制及塔身裂缝控制要求高，横梁跨度（21.5m）大，混凝土浇筑量大。索塔施工作为整个悬索桥施工质量控制重点，塔身施工采用液压自爬模系统施工工艺，横梁采用钢管支架+贝雷梁施工工艺。

1.4 施工控制重点

（1）索塔塔身施工控制。索塔塔身施工采用液压爬模施工。塔柱与横梁采用同步施工工艺。

（2）应力控制。由于索塔施工过程中的附加力产生的不平衡水平力在塔根产生弯矩，使索塔外侧产生拉应力，导致塔身及其底部混凝土开裂。因此，需采取可靠措施控制索塔在施工过程中的附加应力。

（3）线形控制。索塔几何位置、线形采用全站仪进行测量控制。在日照、温差、风速等多因素的影响下，索塔精细化施工测量控制难度大。需在施工中随时校正施工坐标及测量仪器，保证索塔线形满足设计线形。

（4）索塔横梁施工控制。索塔横梁施工采用搭设落地支架施工。索塔横梁跨度大，距地面高，需搭设临时支架进行施工，混凝土浇筑量大，对施工设备要求较高，施工难度、安全风险极大。

2 索塔施工流程

2.1 塔身分段

为寻找索塔最优施工工序和采取相关施工措施，确保索塔应力指标和位移指标均满足规范要求，避免塔身及索塔底部混凝土开裂，保证结构施工安全和施工质量，需对索塔进行节段划分[1]。桥梁索塔左塔柱14.3m以下按3.65m+3×3.55m划分节段，剩余塔柱以4.5m高度为标准节段进行施工，直至塔顶。左塔共20个节段，右塔共19个节段，具体分段高度见图1。

图1 索塔节段划分

2.2 塔身施工流程

测量放样→塔身节段施工至横梁底端，同时搭设横梁施工支架→横梁施工→墩顶实心段施工。

3 索塔施工关键技术控制

3.1 索塔塔柱施工控制

索塔塔身采用液压爬模+临时支架施工工艺，同时左右塔柱设置两台SC200G施工电梯和塔吊进行施工，混凝土浇筑采用两套8018型混凝土管+Φ125mm泵管。

目前，针对大跨度悬索桥索塔施工主要采用定制的液压爬模系统进行施工。液压爬模是适用于桥梁工程中高墩高塔现浇钢筋混凝土结构施工的一种现代化机械装备。索塔塔柱根据施工高度及施工工艺要求合理分段，采用液压爬模+临时支架施工工艺，液压爬模施工具有以下优势：

（1）机械化程度高，减轻劳动强度，便于混凝土浇筑。

（2）系统内部具有自身爬升液压系统，无需配备辅助爬升设备。安全性好，速度较快，有利于缩短工期；同时一次成型，减少模板装拆工序，可连续作业。

（3）适应性强，应用范围广，一般不受高度限制，同时有利于模板清理及混凝土养护。

（4）改善施工作业条件，有利于保证工程质量，可节省施工场地，减少模板用量；

（5）具有可靠全方向的操作平台，不必重新搭设操作平台而浪费材料和劳动力。

索塔塔柱与横梁间施工可分为塔梁异步施工和塔梁同步施工。国内九江长江公路大桥[2]、厦漳跨海大桥[3]等索塔施工采用塔梁异步施工工艺；武汉二七长江大桥[4]、安庆长江铁路大桥[5]等桥梁索塔施工采用塔梁同步施工工艺。两种施工工艺在质量、成本、工期、安全、施工组织等方面各有优势和缺点。

本索塔塔柱与横梁采取塔柱同步施工，其优势是能够保证塔梁结合处的施工质量，可尽早形成结构整体框架，具有更高的整体性；但拆装爬模系统属高空作业，不利于施工安全；塔梁异步施工最大的优势是可以缩短工期，利于总体工期控制[6]。对工期控制要求较高，横梁较多的索塔可优先选用塔梁异步施工工艺。

3.2 索塔应力控制

索塔塔柱向内倾斜，施工过程中处于单悬臂状态，在索塔自重和施工阶段荷载作用下产生与索塔垂直方向的分力，使塔身截面弯矩和应力随塔身倾斜高度的增加而增加，使主塔钝角方向产生拉应力[7]，导致混凝土开裂。

为确保塔柱施工的安全性和稳定性，消除倾斜塔身混凝土的不良应力状态，避免塔身及其底部混凝土产生较大的残余应力而导致开裂。一种有效的措施是采用横向对撑技术，即在索塔塔柱间设置临时横向支撑，使塔柱与横撑每隔一定高度形成框架结构，从而与塔柱横桥向的临时弯矩保持平衡[8]。

本工程在索塔两塔柱之间沿竖向设置3道采用Φ630×16mm无缝钢管支撑。如图2索塔横向支撑布置图所示。在索塔塔柱之间设置临时横撑能降低施工荷载产生的负弯矩，很好地控制应力，如没有设置横向支撑，塔身外侧及底部混凝土将产生拉应力，导致混凝土开裂[9]。由此可见，适当设置临时横向支撑可有效控制塔身外侧应力，使索塔始终处于安全状态。

图2 索塔横向支撑

临时横向支撑的设计主要考虑索塔底部混凝土截面应力，横向支撑间距是裸塔施工中保证索塔各截面不产生拉应力的最大悬臂高度，该高度还需满足索塔施工工艺及施工空间要求。

3.3 索塔线形控制

大跨度悬索桥索塔高度一般较高，索塔施工作为悬索桥施工过程中的关键工序之一，其线形测控方法和控制精度满足线形控制要求，使索塔施工线形能否满足设计线形要求显得极为重要。

由于索塔分段施工过程中会产生不平衡荷载，同时受环境温差、日照、风速等外界因素影响，均会产生不同程度的偏位[10]。

湄石高速乌江特大桥索塔几何位置、线形采用超高精度的全站仪进行三维坐标测量控制。为控制整个索塔成桥线形，在索塔施工测量控制时应考虑日照、温差、风速等多因素的影响对测量精确度的影响，需随时校正施工坐标及测量仪器，保证索塔线形满足设计线形。同时，以日出前观测的数据为准，连续观测，以获知索塔在日照、温度、风速等外界条件下的变化规律，避免不可逆的索塔偏位产生。

在《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041—2020）中规定了索塔总体线形要求：索塔垂直度不大于塔高1/2500，轴线偏位小于规范要求10mm的要求。

3.4 索塔横梁施工控制

索塔横梁为箱形截面的预应力结构，其内部设置横隔板。索塔横梁底面距承台顶面90m，跨度21.5m，宽度为6m，高度为6.0m，横梁跨度大，距地面高，混凝土浇筑量大，施工难度、安全风险极大。

索塔横梁采用落地钢管支架+贝雷梁组合支架施工方法。钢管支架采用Φ630×13mm钢管，标节长度为9m，采用法兰盘接长连接，整个钢管安装中应随时检查垂直度；钢管立柱顶设置3拼63#工字钢作为横梁，以支撑标准贝雷梁，为加强支架稳定性，钢管柱间设置32#工字钢平联，同时在钢立柱顶和贝雷梁间设置砂箱，以控制横梁标高，保证所有贝雷梁处于同一水平面。

横梁支架在设计阶段应精确计算施工荷载，合理选择支架结构形式，确保支架满足施工要求且经济可靠；在横梁施工阶段应保证各构件质量满足施工要求，需要进场验收；重点控制钢管立柱垂直度、各构件间的可靠连接、支架标高等；同时在支架安装完成后应进行预压，以验证支架的安全性，消除弹性变形和非弹性变形。

由于索塔横梁自重太大，且离地面高，故采用钢绞线反支点预压法施工工艺，即采用15.2mm钢绞线，上端采用夹片锚具锚在分配梁上，下端锚入钢管桩基础地锚中，张拉采用4台200t液压千斤顶同时对称单端张拉，保证横梁受力均匀。

索塔横梁施工方法较多采用落地支架和托架的施工方法，采用支架形式各不相同。综合考虑施工工期、钢材用量、支架变形等，发现牛腿托架式支架具有更大优势。

横梁支架的结构形式选择需结合施工条件、施工荷载大小、材料设备情况等因素，综合考虑其安全性与经济性。