沪通长江大桥29#墩塔梁同步施工工艺

时间：2024-07-28

赵东波

（中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844）

大跨度钢桁梁斜拉桥的施工监控是指在施工过程中通过对控制性截面的关键数据如应力、变形、基础沉降以及风、温度、振动等进行监测，保证结构的变形和内力在建造过程中始终处于控制范围内，确保桥梁施工安全和成桥状态下线形、内力符合设计要求［1］。

近年来，采用塔梁同步施工的桥梁逐渐增多。相关学者集中研究同步施工的影响因素及控制理论、技术和措施，得出同步施工对索塔的影响大于主梁，在同步施工各阶段须控制最不利截面压应力、线形、塔柱垂直度、顶端偏位和索力［2］。也有学者对斜拉桥塔和索的监测控制进行了探讨，对监测结果作误差分析以及精度计算，从而保证索塔线形和测量定位的精度［3-4］。针对同步施工是否可以达到合理成桥状态，相关学者从成桥索力、线形，主梁及主塔应力、位移等方面讨论同步施工的可行性［5］。在安全防护和风险研究方面，国内外学者讨论了施工过程中斜拉桥的风振响应、减振安全［6］和稳定性问题［7］。目前，采用塔梁同步施工的斜拉桥有马岭河特大桥、绥芬河斜拉桥、合生大桥等，采用塔梁同步施工可以明显缩短工期［8］。

采用塔梁同步施工技术的斜拉桥，其施工控制目标与普通斜拉桥相同，即达到合理成桥状态，同时要确保施工过程中桥梁结构的安全［9］。由于塔没有形成整体结构就要进行主梁的施工，因此须要在主塔处增设支架、钢管等临时装置，确保主塔在塔梁同步施工过程中的安全。

沪通长江大桥在主航道桥29#主塔墩施工时，由于施工工期紧张，采用塔梁同步施工的方法。在满足施工质量的条件下，减少了施工工期，产生了较好的经济及社会效益。

1 工程概况

沪通长江大桥主航道桥孔跨布置为（140+462+1 092+462+140）m，全长2 296 m，主桥布置见图1。

图1 主航道桥布置（单位：m）

29#墩为钻石形钢筋混凝土主塔，塔高330 m，全部采用C60 自密实混凝土，单塔混凝土土方用量超过6万m3（不含塔座）。主塔施工采用塔梁同步方案，共分54 节。其中下塔柱7 节，下横梁2 节，中塔柱25 节，上塔柱20节，见图2。

主梁划分为164 个节间，每个节间长14 m，墩顶7个节段及边跨部分节段为无索区，公路桥面边跨侧252 m 范围为预制混凝土板，其余为钢桥面板。铁路桥面板为钢箱结构，公路桥面板为正交异性板结构。

图2 主塔节段划分

斜拉索采用2 000 MPa 直径7 mm 的平行钢丝拉索，三索面布置，全桥共432根。单根索最长576.2 m，最大重量为835 kN，最大张拉力为9 980 kN。

2 塔梁同步施工原则

2.1 施工原则

为确保主塔施工质量及全桥线形控制，满足工期要求，29#墩塔梁同步施工组织原则如下：①主塔进入上塔柱施工前完成墩旁托架、墩顶节段和架梁吊机拼装；②塔端拉索锚固端上方至少完成3 个塔柱标准节段施工，张拉时对应塔柱节段混凝土须达到设计强度且龄期不少于30 d；③塔、索、梁并行施工各自均存在测量、测控环节，须相互校核；④根据斜拉索长度（短索、中长索、长索）安排单个循环施工工期；⑤为降低由边跨、中跨自重差异引起的主塔纵向变形和塔根纵向弯矩，须通过配载保持两悬臂端荷载平衡。

根据挂索工艺和工效，确定2层短索、中长索和长索的挂索时间分别是10，11，12 d。确定29#墩塔梁同步施工自主塔第39 节混凝土浇筑完成、第40 节钢锚梁定位完成后启动第1 层斜拉索张拉，直至主塔施工完成。

在每轮次钢梁拼装时，同步进行本轮次斜拉索塔端挂设和梁面展索工作。待钢梁节段间栓焊完成后，架梁吊机前移28 m，完成该轮次2 层斜拉索梁端挂设及斜拉索张拉。

2.2 施工工序交叉安排

29#墩主塔爬模结构高度覆盖塔柱3 节，钢锚梁层间距从下往上逐步变小，可满足启动挂索后钢锚梁上升速率大于主塔节段施工速率的要求。为保证斜拉索始终处于爬模之下，在第40节内钢锚梁测量定位完成后，启动第1层斜拉索张拉。

在主塔施工过程中、钢梁拼装对接后和斜拉索张拉后，对主塔内劲性骨架、钢锚梁及索导管、模板和主塔、主梁线形进行测量，需要主塔、主梁分别处于无荷载变化的可测量的“静态”。根据上塔柱标准节段包含2 层钢锚梁、钢梁标准节段包含2 层锚拉板的特点，采取索梁与主塔异步施工，可保证主塔测量时不提梁、架梁吊机不走行、不挂索张拉，保证斜拉索张拉时桥面荷载分布无变化。

为保证1个周期内架设1个节段钢梁、挂2层斜拉索，计划安排索、梁工序重叠交叉5 d，同时在钢梁节段拼装过程中完成2 层索塔端挂设和梁面牵引、张拉。主塔封顶后再无塔梁同步施工，但钢梁架设进入结合梁区间，须考虑预制桥面板安装与梁面挂索重叠，仍按1个周期为12 d的计划进行。

3 塔梁同步施工控制

3.1 控制原理

塔梁同步施工过程中，斜拉索张拉时塔、梁须保持“静态”，索力测量、张拉后塔梁复测均用常规方法。钢梁节段拼装时，索、塔保持“静态”，且拼装节段在斜拉索前方，采集在拼节段、接口后方2个节段节点的三维坐标，推算接口前后相对拱度、斜拉索前方整体线形。

斜拉索挂索后，边跨、主跨拉索不平衡水平分力引起主塔纵向偏位，索力不均甚至会引起一定程度的塔柱横向扭转。同时，须考虑大型塔吊附着、ZSL2700塔吊站位偏离主塔轴线、施工电梯非对称布置等施工设施的叠加影响。选择在主塔存在变形的非垂直状态下进行主塔施工放样坐标计算、复测控制是塔梁同步施工控制的关键。根据有限元计算结果与实测数据，相互校核上塔柱施工中各节段相关控制点的三维坐标，确定40 节以后各节段内劲性骨架定位、钢锚梁与索导管测量定位、立模放样结果。

3.2 塔偏监测点布置与坐标推算

为校核数值计算结果，在施工过程中测量主塔偏位。自第3节塔柱开始，依次在下横梁、下横梁以上中塔柱50 m 处、中塔柱中部、第33～51 节、塔冠的上下游侧主塔轴线上埋设观测棱镜，监测塔梁同步施工期间的塔偏情况。

因爬模覆盖3 节高度、待浇筑节段以下12 m 内棱镜无法通视，每次主塔偏位线形测量时观测断面为第3 节、下横梁、下横梁以上中塔柱50 m 处、第33 节、已浇筑节段顶面，通过此5 或6 个高程断面轴线点坐标，计算主塔偏位曲线，按割线法外推至待施工节段特征点的三维坐标，并与数值解相互校核，保证待施工节段与已施工节段“顺接”。塔偏变形监测和主塔坐标推算如图3所示。

图3 塔偏变形监测和主塔坐标推算示意

3.3 塔梁同步荷载平衡控制

塔梁同步施工中，周期循环内钢梁拼装、架梁吊机走行、挂索等须保持南北侧同步、荷载一致。同时，在双悬臂架设至Z61—Z62 和Z24—Z25 后、辅助跨合龙前，因辅助跨侧梁段重量大于主跨侧，需对主跨压重进行荷载配平，控制主塔偏位，降低主塔根部弯矩。

4 大阶段钢桁梁整体节点合龙技术

主航道桥钢梁合龙施工以对合龙口敏感性分析计算为基础，通过控制已挂设斜拉索索力及均衡性、配合压重、布设张拉起顶等合龙措施，调整合龙段钢梁轴线偏位，合龙口钢梁节点竖向、纵向位移，保证两侧合龙口竖向高程与转角一致再合龙。

4.1 辅助跨合龙敏感性分析

辅助跨钢梁合龙边界条件：主航道桥钢梁整体处于悬臂状态，主塔处设置纵向及横向限位，支座处设置竖向限位。根据南辅助跨实际约束条件，对钢梁局部压重、温度变化、长索索力调整等合龙调节措施进行敏感性分析。分析结果见表1。可见，钢梁局部压重、索力调整对合龙口钢梁竖向线形影响较大。拟采用配置压重、控制斜拉索张拉索力粗调整合龙口悬臂端钢梁线形等措施，使线形控制在监控目标范围内。

表1 辅助墩敏感性分析

4.2 边跨合龙敏感性分析

根据南边跨实际约束条件，对钢梁局部压重、辅助墩起顶、温度变化、长索索力调整等合龙调节措施进行敏感性分析。分析结果见表2。

表2 边跨敏感性分析

由表2 可知，钢梁局部压重、辅助墩起顶措施、索力调整对合龙口悬臂端线形影响较大。拟采用配置压重、控制斜拉索张拉索力、辅助墩起顶粗调整合龙口悬臂端钢梁线形等。

4.3 中跨合龙敏感性分析

分析主跨侧压重、对拉、长索拔出和钢梁整体纵向顶推、辅助墩起顶等措施对合龙口竖向位移和上下弦纵向位移的影响。分析结果见表3。

表3 中跨敏感性分析

由表3 可知，钢梁局部压重、辅助墩起顶、钢梁纵移、索力调整措施对主跨合龙口悬臂端钢梁线形影响较大。主跨钢梁合龙施工拟采用集中压重、控制斜拉索张拉索力、钢梁往边跨纵移、辅助墩起顶等措施粗调整合龙口悬臂端钢梁线形，使之在监控目标范围内。

4.4 测量、监控控制

钢梁悬臂架设过程中通过钢梁压重、索力调整，控制主塔偏位，保证钢梁线形按照既定要求架设，同时确保结构线形和内力满足设计要求，实现钢梁顺利合龙。

在桥面、主塔荷载基本不变的情况下测量两合龙口钢梁姿态。在合龙前1～2 d 对合龙口钢梁姿态进行连续测量，通过测量数据分析因环境温度变化引起的合龙口姿态变化规律，找到最适合的合龙时机，确定纵向顶推∕拖拉距离。根据现场实测结果，通过斜拉索张拉索力、钢梁节间配重等措施调整主梁线形，确保架设至合龙口时合龙口两侧钢梁线形一致。

施工监控的目的是：保证桥梁结构成桥时结构受力合理，线形平顺，施工过程中各工况结构均处于符合规范和设计要求的受力状态下；对施工过程进行必要的优化论证分析，主要通过载荷布置、斜拉索索力控制钢梁线形。

辅助墩合龙目标主要是确定辅助墩合龙前结构状态（最大双悬臂），通过控制双悬臂对称架设张拉索力，保持主塔竖直，悬臂端标高需考虑辅助墩跨主动合龙时悬臂端在设计高程以下300 mm。

边墩合龙目标主要是确定边墩合龙前结构状态，通过控制张拉索力和辅助墩起顶位移，满足边跨节间主动合龙时悬臂端在设计高程以下300 mm。

主跨合龙子目标是控制主跨合龙时29#塔梁状态，主要通过控制S27#—S34#拉索索力，配合压重、长索张拉、辅助墩钢梁起顶等合龙措施，保证两侧合龙口竖向高程与转角一致。

中跨合龙后主塔各测点的塔偏见图4。可见，上下游塔偏均小于JTG∕T D65⁃01—2007《公路斜拉桥设计细则》规定的min｛30 mm，H∕3 000｝［10］。中跨合龙后主梁的轴偏和高程见图5。可见，主梁高程满足相邻阶段相对高程误差不大于阶段长度的±0.3%，主梁高程不应大于±L∕10 000，满足规范要求［10］。

图4 主塔各测点的塔偏

图5 中跨合龙后主梁的轴偏和高程

5 塔梁同步施工功效分析

5.1 塔梁同步功效分析

29#主塔墩2017 年12 月23 日开始施工，2019 年6月27 日主塔封顶完工，主塔施工历时552 d。按照塔梁同步施工工艺，2019 年1 月12 日开始钢梁悬臂架设，2019 年9 月27 日架设完毕，钢梁悬臂架设历时259 d。自29#主塔墩开始施工至全部钢梁悬臂架设完成历时644 d。

若不采用塔梁同步施工，仍按通常先塔后梁的施工工艺，待主塔封顶后开始钢梁悬臂架设，则塔梁施工工期预计811 d，比采取塔梁同步施工工艺预计滞后167 d。