深中通道伶仃洋大桥东索塔中横梁施工关键技术

2022-11-30曾健李振杨苏海杜征力

中国港湾建设 2022年11期

曾健，李振*，杨苏海，杜征力

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉430040）

1 工程概况

深中通道伶仃洋大桥位于广东珠江入海口伶仃洋海域内，为580 m+1666 m+580 m三跨全漂浮悬索桥，属全离岸结构。桥面高达90 m，建成后将是全球最高的海中大桥。东索塔为高270 m的门式造型，设上、中、下3道横梁[1]。中横梁梁底距离海平面135 m，跨度约40 m，采用矩形截面，端部高度13.6 m，宽12.0 m，跨中高度8.5 m，宽7.5 m。混凝土采用C55海工混凝土，总混凝土方量约4363.7 m3，总重约11345 t。钢筋采用HRB400普通钢筋，重为617.7 t。为减少切断竖向主筋，采用深埋锚施工工艺。钢绞线锚固端位于塔柱外，共设置116束15-22预应力钢束。中横梁跨度及重量均为国内罕见，工艺复杂，施工难度极大。

本工程主塔中横梁结构图见图1。

图1 主塔中横梁结构图（cm）Fig.1 Structure drawing of middle beam in main tower(cm)

2 总体施工方案及施工难点

2.1 方案比选

根据类似项目索塔横梁结构施工[2-7]成功经验并结合本工程特点，通过质量、工期、成本等方面进行比选，确定最佳施工方案。本工程中横梁施工方案比选优化见表1。

表1 中横梁施工方案比选优化Table 1 Optimization of middle beam construction scheme comparison and selection

2.2 方案确定

中横梁采用上拱式托架分层浇筑的总体施工方案，横梁与塔柱采取异步施工，即塔柱施工过横梁位置后再进行横梁施工。采用有限元进行分层施工计算分析，将原施工方案中分2次浇筑优化为分3次浇筑：第1次浇筑底板、部分腹板及下倒角，高度5.586 m；第2次浇筑部分腹板、横隔板，高度3.0 m；第3次浇筑剩余部分腹板、横隔板及顶板，高度约5.431 m。为防止混凝土开裂，每层浇筑完成并张拉预应力束后进行下一层混凝土浇筑施工。在首层混凝土浇筑完成且预应力张拉完成后，进行支架系统卸荷，支架系统只承受首层混凝土浇筑荷载，首层混凝土浇筑方量约1710 m3，总重约4446 t。

支架系统由托架、连系梁、牛腿结构、主横梁、主纵梁、卸荷块、分配梁及模板等组成，在塔身上预设埋件安装牛腿，托架通过支座搁置在牛腿上，见图2。托架顶部设置拉杆（ϕ40精轧螺纹钢筋）穿过主塔侧壁锚固于主塔内部。同时，将托架分为2个托架主体和2个楔形块，在主体对接完成后，测量2片架体间距，制作尺寸合适的楔形块贴板焊接，降低了制作精度和定位精度对托架结构安装的影响；设置横向联系梁，增加托架结构的整体刚度，保障主体结构施工质量和临时结构安全。采用有限元模拟分层浇筑过程中支架受力状况，经计算，支架各构件最大应力为189 MPa，竖向最大挠度10.9 mm，支架体系强度及刚度均满足要求。

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

2.3 施工难点

1）中横梁支架自重大，吊装及安装难度大，对安装精度要求较高。

2）支架安装后，需对支架进行预压以检验其强度，超高、超重横梁支架预压也是施工的难点。

3）中横梁自身高度及跨度大，采用分层浇筑施工，需确保其在后浇混凝土荷载作用下不开裂。

4）高空作业，对安全施工要求高。

3 施工关键技术

横梁与塔柱采取异步施工，支架施工完成后再进行横梁施工，总体施工工艺流程见表2。

表2 总体施工工艺流程表Table 2 Overall construction process sheet

3.1 支架安装

支架吊装施工前，对主塔偏位情况、横梁高程、托架牛腿预埋件位置测量复核，并对支架进行施工放样。提前安装各牛腿，实测牛腿标高及间距，调整托架上支座位置。

托架分为两侧对称安装，中部设置楔形短梁。每片托架重达40.5 t，且跨度较大，为使支架起吊时不致发生过大弯曲变形，采用1台MD3600塔吊及1台副履带吊配合作业，进行吊装。

顺桥向托架从中部向两侧对称安装，每安装1片托架，利用两侧墩身上牛腿搁置托架，通过张拉中间4道顶部拉杆，调整托架倾斜度与设计一致。楔形短梁应根据两侧安装后托架实测间距，确定其尺寸。

托架安装到位后，安装两侧张拉杆垫梁，焊接牢固后将拉杆向垫梁及垫块预埋件处转换，见图3。托架支座与牛腿之间的间隙须塞钢板保证紧密接触，然后焊接固定，牛腿端部塞钢板与托架侧面焊接牢固，上部拉杆按30 t初张力进行张拉（托架上端与墩身塞板贴紧）。

图3 张拉杆位置示意图（mm）Fig.3 Diagram of tension rod position(mm)

安装各片托架之间的联系梁及剪刀撑形成稳定结构，再安装卸荷块、上部梁系及模板系统。

3.2 支架预压

支架拟采用千斤顶反拉进行预压，预压荷载取值为不小于中横梁结构自重、模板重量、施工机具之和的1.1倍，预压范围不应小于现浇混凝土结构物的实际投影面。为尽可能在预压加载时模拟支架真实的受力状态，根据支架上卸荷块反力分布，在支架主横梁（2HN700×300）上布置连续千斤顶作为反拉点，如图4所示。

图4 支架预压布置图Fig.4 Support preloading layout

千斤顶加载严格按对称、分层、分级原则进行，每级荷载安放位置重量偏差不得大于±5%，严禁集中加载和卸荷。预压加载分3级进行：0→60%→80%→110%（千斤顶顶推）加载。支架预压荷载对称布置，保证千斤顶同步加载，严格控制产生的不平衡力在10%顶推力以内，每一级加载发现局部变形过大时就立即停止加载，查明原因后继续加载。反拉时每级加载完成1 h后进行各监测点变形观测，以后间隔6 h监测一次，当连续2次测量变形值均不大于2 mm即认为托架稳定，可继续加载。当最后一级加载完成，间隔6 h观测各点位移量，当连续12 h监测位移平均值之差不大于2 mm时即认为横梁支架稳定，方可卸载，卸载完成6 h后，再次监测记录各监测点。支架预压完成后，整理监测数据、分析支架弹性变形量、非弹性变形量及平面位移量，评价支架安全和确定立模标高，形成支架预压报告。

3.3 混凝土浇筑

横梁混凝土分3次浇筑，浇筑使用16 m布料机进行浇筑，为提高可泵性和抗裂性，配合比设计中掺加了黏度改性材料。中横梁根据混凝土浇筑顺序依次进行预应力张拉，利用支架浇筑首层横梁混凝土，待第一层混凝土强度达到设计强度90%后，分批张拉预应力钢束，张拉完成后对预应力孔道进行灌浆，待预应力孔道浆液达到设计强度90%后，浇筑第二层横梁混凝土，依次完成中横梁混凝土浇筑。根据施工顺序进行有限元模拟，分析托架卸荷前后中横梁混凝土应力及位移变化，计算结果见表3。

表3 中横梁各施工阶段应力、位移表Table 3 Stress and displacement of middle beam at each construction stage

上述结果与根据对托架应力监测反算的结果规律基本吻合。根据计算结果可知：中横梁首层混凝土浇筑后和托架协同变形，底板受拉，拉应力为0.2 MPa，顶板受压，压应力为0.2 MPa；在混凝土强度达到设计要求后张拉底板预应力，此时首层中横梁受力转换为全截面受压，产生了一定的压应力储备，顶板压应力6.3 MPa，底板压应力10.6 MPa；随后进行托架卸荷，此时中横梁第一层产生少许向下位移约5.5 mm，此时第一层中横梁的受力依然保持全截面受压，顶板压应力8.8 MPa，底板压应力8.9 MPa；最后浇筑第二层中横梁混凝土，此时顶板产生压应变，压应力持续增加至11.1 MPa，底板产生的拉应力被已有的压应力储备抵消，最终底板依然呈现受压态势，压应力为7.1 MPa。张拉过程中中横梁自身已存在较大刚度，预应力的张拉对其变形影响极小，为向上0.1 mm的变形。由此可知，施工过程中横梁混凝土拉应力较小，分3层浇筑施工能保证混凝土施工阶段的控裂要求。

3.4 支架拆除

中横梁浇筑完成后即可进行中横梁支架系统拆除。在每片托架顶部重心位置对应中横梁预埋管道，安装连续千斤顶及钢绞线；在千斤顶两侧分别设置卷扬机，利用卷扬机钢丝绳穿过预埋管道并连接托架作为主要承重受力结构，同时MD3600塔吊从旁系缆。如图5所示。

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

托架分为12组拆除，沿塔柱对称线切割分为左右塔肢托架，解除托架之间的横向连接后，连续千斤顶针对钢绞线进行预紧调整到提升状态；同时两侧卷扬机提升，保证钢丝绳开始处于受力均匀，随后逐点解除牛腿约束，通过卷扬机对托架姿态进行单个调整，待约束解除完毕，千斤顶再慢速配合卷扬机将托架分片下放，托架下放至设计位置后完成塔吊受力转换，最终采用MD3600塔吊进行吊离下放。