武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋人字形鋼-混疊合塔施工技術(shù)
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李陸平，馮廣勝，羅瑞華
（中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430050）
[摘要]武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋2號(hào)中塔為國(guó)內(nèi)首次采用縱向人字形鋼-混疊合塔。下塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底節(jié)3m與承臺(tái)混凝土一起澆筑；針對(duì)下塔柱截面尺寸大的特點(diǎn)，利用鋼絞線作為模板拉桿。上段鋼塔通過設(shè)置錨桿定位支架和限位裝置、三向千斤頂?shù)却胧⿲?duì)T1節(jié)段進(jìn)行精確定位；T1節(jié)段承壓板下采取后壓漿工藝，確保鋼一混結(jié)合段密實(shí)、密貼；T3節(jié)段采用分塊吊裝、現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)；上橫梁采用2節(jié)段無(wú)支架懸臂拼裝技術(shù)。通過工廠預(yù)拼、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和計(jì)算機(jī)模擬分析，提前對(duì)鋼塔線形進(jìn)行預(yù)控，并在調(diào)整接頭設(shè)置合理的調(diào)整量，最終使鋼塔安裝線形滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。
[關(guān)鍵詞]橋梁工程；懸索橋；鋼-混疊合塔；鋼塔；吊裝；線形控制；懸臂拼裝；施工技術(shù)
[中圖分類號(hào)]U445.4[文章編號(hào)]1002-8498(2016)11-0032-04
0 引言
近幾年以來(lái)，我國(guó)相繼修建了泰州長(zhǎng)江大橋、馬鞍山長(zhǎng)江大橋、武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋3座三塔大跨度懸索橋。與一般的兩塔懸索橋不同，三塔懸索橋多了一個(gè)中間塔，該體系在兩主跨非對(duì)稱荷載的不利作用下，其中塔的變形需要重點(diǎn)考慮兩方面問題：①主纜與中塔鞍座之間的滑移和結(jié)構(gòu)安全問題；②加勁梁及橋面變形問題。
經(jīng)分析可知，如果中塔的剛度選擇過大，則在兩主跨非對(duì)稱荷載的不利作用下，由于主纜在鞍座處產(chǎn)生不平衡水平力較大，主纜相對(duì)于鞍座易出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，這對(duì)于懸索橋而言是不允許的；如果中塔設(shè)置過“柔”，則在非對(duì)稱荷載作用下會(huì)引起加勁梁及橋面的變形過大，從而影響橋面線形和行車的舒適度。上述兩方面問題決定了三塔懸索橋中間塔的剛度選擇要適當(dāng)，既不能過“剛”也不能過“柔”，因此三塔懸索橋中塔往往選擇鋼塔（或鋼-混疊合塔）。
武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋是目前世界上跨度最大的三塔四跨懸索橋結(jié)構(gòu)，中塔設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于中塔洪水期、枯水期水位落差達(dá)15m左右，這樣位于水中部分采用混凝土塔。因此，武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋中塔設(shè)計(jì)為鋼-混疊合塔，也是國(guó)內(nèi)首次采用縱向人字形的鋼．混疊合塔。研究和總結(jié)該塔的施工技術(shù)，對(duì)于今后類似工程施工具有重要意義。
1 工程概況及重、難點(diǎn)分析
1.1 工程概況
武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋主橋采用( 200 +2×850+200)m三塔四跨懸索橋。該橋2號(hào)中塔總高152m，其中下塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高45m;上塔柱采用縱向人字形鋼塔柱，高105. 7m；下塔柱與鋼塔柱之間設(shè)置1. 3m高混凝土塔座（見圖1）。
鋼塔柱從下至上劃分為T1~T15節(jié)段（T3為人字形合龍段），其中T1~T3各4段、T4~ T15及上橫梁各2段，合計(jì)38個(gè)單元節(jié)段。塔柱單元節(jié)段高3.8~ 11. 5m，斷面尺寸5m×(5.0~10. 6)m。塔柱單元節(jié)段重149~208t。鋼塔T1首節(jié)段（平面尺寸6. 5m x6.5m、高3.8m，底座承壓板厚150mm）與混凝土塔座通過28根、直徑110mm的40CrNiMoA錨桿連接，T1節(jié)段底座板與塔座頂面間設(shè)置5cm壓漿層，每根錨桿設(shè)計(jì)張拉力為2 500kN。塔柱節(jié)段采用高強(qiáng)度螺栓傳力與端面接觸傳力相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)考慮端面金屬接觸傳遞壓力：壁板、腹板50%，加勁肋40%。但在兒，J2，J3，J8，J13共5處設(shè)置了調(diào)整節(jié)頭，即高強(qiáng)度螺栓傳遞100%內(nèi)力。高強(qiáng)度螺栓采用M30摩擦型、ϕ33mm栓孔形式。
1.2工程重、難點(diǎn)分析
1)下塔柱為鋼筋混凝土，需要解決塔柱根部與承臺(tái)之間容易出現(xiàn)裂紋問題。另外，本工程下塔柱平面尺寸最大為31m，對(duì)于混凝土模板拉桿材料的選擇，既要做到經(jīng)濟(jì)又要確�；炷镣庥^質(zhì)量（重點(diǎn)是控制模板變形），因此采用傳統(tǒng)圓鋼或精軋螺栓鋼筋作為拉桿已不理想，必須研究采用其他拉桿材料。
2)鋼塔高度方向劃分為15節(jié)，節(jié)段之間連接僅設(shè)置5處調(diào)整接頭，其余節(jié)段之間為端面接觸；鋼塔節(jié)段吊裝涉及T3節(jié)段（人字形底部）、上橫梁（分2節(jié)段吊裝）兩處合龍，因此鋼塔線形控制難度大。
3)鋼一混結(jié)合段是鋼塔將力傳遞給下塔柱和基礎(chǔ)的關(guān)鍵受力部位。由于結(jié)合面傾斜度較大( 140)且結(jié)合面面積大(6. 3m×6.3m)，確保結(jié)合段密實(shí)、密貼是一大難點(diǎn)。
4)鋼塔最大節(jié)段重208t，如何實(shí)現(xiàn)大噸位鋼塔節(jié)段的快速吊裝是保證工期的重點(diǎn)。另外，T3節(jié)段為人字形合龍段，原設(shè)計(jì)為一個(gè)整體節(jié)段，重達(dá)392. 6t，需要采用1 000t浮吊吊裝。但吊裝時(shí)間正值高水位，受通航凈高限制，1000t浮吊無(wú)法通過橋址附近的武漢長(zhǎng)江大橋（設(shè)計(jì)通航凈高18m），需要研究其他替代方案。
5)鋼塔上橫梁分兩節(jié)吊裝，采用無(wú)支架“懸臂”拼裝方案，需要重點(diǎn)研究吊裝順序和合龍口間隙問題。
2 總體施工方案及工藝流程
總體施工方案為：2號(hào)中塔下塔柱采用翻模法施工，下塔柱底節(jié)3m與承臺(tái)混凝土一起澆筑，下塔柱頂節(jié)設(shè)置定位支架以固定預(yù)埋錨桿。上段鋼塔T1~T2用400t浮吊吊裝，T3~T15及上橫梁采用D5200平臂式塔式起重機(jī)（最大起吊能力240t）吊裝，鋼塔兩肢之間設(shè)置4道水平橫撐。鋼塔上橫梁分為兩段吊裝，采用無(wú)支架懸臂拼裝技術(shù)。T1節(jié)段與塔柱之間通過后壓漿工藝確保密實(shí)、密貼。
3關(guān)鍵施工技術(shù)
3.1下塔柱施工
為防止塔柱出現(xiàn)裂紋，施工中采取以下綜合防裂控制措施：①下塔柱底節(jié)3m與承臺(tái)混凝土一起澆筑，使塔柱、承臺(tái)接縫處的混凝土能同步收縮，減少因混凝土“齡期”差產(chǎn)生的裂紋；②優(yōu)化混凝土配合比，采用高效減水劑降低水灰比，并提高粉煤灰摻量，降低水化熱；③通過布置冷卻水管，降低混凝土芯部溫度，減少混凝土內(nèi)外溫差。
下塔柱平面尺寸為14. 8m×31m，結(jié)構(gòu)尺寸大，常規(guī)設(shè)置模板拉桿的方法不能解決拉桿變形量大的問題。通過研究，鋼絞線用作長(zhǎng)距離模板拉桿，其技術(shù)原理為：采用公稱直徑15. 2mm鋼絞線作為拉桿，一端采用P錨，一端用單孔錨具張拉，利用27t單根穿心千斤頂進(jìn)行鋼絞線拉桿力控制。在混凝土澆筑前收緊鋼絞線（約1MPa），在混凝土澆筑過程中根據(jù)拉桿軸力變化及模板變形情況及時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)張拉。該技術(shù)大大節(jié)約了拉桿材料，并能控制模
板變形量，經(jīng)濟(jì)適用。
3.2T1首節(jié)段吊裝及鋼．混疊合段施工
3. 2.1錨桿安裝及定位
在下塔柱頂節(jié)混凝土澆筑前，預(yù)埋錨桿定位支架。錨桿定位支架安裝完畢后，開始安裝28根錨桿，安裝前對(duì)錨桿逐根進(jìn)行檢查（有無(wú)扭曲、表層螺桿防護(hù)破壞等現(xiàn)象），發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)修整。最后用起重機(jī)起吊錨桿一端，緩慢使另一端插入定位梁與下錨梁錨桿孔內(nèi)，同時(shí)上緊錨固端的錨桿墊圈及螺母。
待錨桿底部固定完畢后，利用頂部定位梁上設(shè)置的微調(diào)裝置，精確固定28根錨桿的空間位置，并逐根進(jìn)行復(fù)測(cè)，實(shí)測(cè)坐標(biāo)與理論坐標(biāo)誤差< 5mm后澆筑塔座混凝土�；炷翝仓^程中注意對(duì)錨桿的保護(hù)，防止振動(dòng)棒破壞錨桿外防護(hù)層，混凝土澆筑過程中，每澆筑一層便復(fù)核測(cè)量一次錨桿頂部中心坐標(biāo)，若有變化，及時(shí)通過定位梁上設(shè)置的調(diào)整裝置進(jìn)行調(diào)整。
3.2.2 T1節(jié)段吊裝及調(diào)整
T1節(jié)段重152. 4t，采用400t浮吊和專用吊具吊裝。為方便T1節(jié)段位置調(diào)整，事先在T1節(jié)段四周焊接調(diào)位反力牛腿，并在塔座上縱、橫、豎3個(gè)方向設(shè)置液壓千斤頂，如圖2所示。
T1節(jié)段穿人28根錨桿后先落到塔座上布置的三向千斤頂上，然后利用液壓千斤頂對(duì)T1節(jié)段進(jìn)行精確調(diào)整，并利用抄墊鋼板和抄墊楔形塊進(jìn)行固定。待精調(diào)到位后進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，同時(shí)擰緊錨桿張拉螺母進(jìn)行固定。
3.2.3鋼-混結(jié)合面施工
為確保傳力可靠，鋼塔與混凝土塔座結(jié)合段應(yīng)做到密實(shí)、密貼，目前結(jié)合段的施工方法大致有3種：預(yù)埋承壓板法、混凝土底座打磨法和承壓板后壓漿法。相比而言，承壓板后壓漿法具有施工方便、施工工期短且質(zhì)量易保證的特點(diǎn)。
后壓漿具體工藝為：①壓漿孔對(duì)稱布置在承壓板最低處的側(cè)面位置。出氣孔以一定間距布置于整個(gè)承壓板表面及塔座最高處，承壓板表面的出氣孔用以排除區(qū)域內(nèi)空氣，保證漿液密實(shí)及觀察漿液質(zhì)量。承壓板最低處側(cè)面位置對(duì)稱布置2個(gè)排水孔，用以在壓漿前排除區(qū)域內(nèi)積水。②壓漿前將T1節(jié)段與塔座之間的空隙四周用∠100進(jìn)行封堵。壓漿材料采用具有高強(qiáng)度、自流平、無(wú)收縮性能的水泥漿，壓漿方向從低往高，用壓漿泵將M50水泥漿緩緩壓入T1節(jié)段底板與塔座之間，直至所有出漿管均出濃漿為止。承壓板最低處的2個(gè)主壓漿孔焊接ϕ40mm鋼管作為壓漿孔道，并配置閥門，壓漿機(jī)緩慢、勻速壓漿，待出濃漿后，由低向高處依次關(guān)閉。③壓漿后通過承壓板上的出氣孔和側(cè)面檢查壓漿密實(shí)程度，并通過鐵錘敲擊聲判斷是否出現(xiàn)“空鼓”。
3.3 T3節(jié)段及上橫梁吊裝技術(shù)
3. 3.1 T3節(jié)段分塊吊裝
T3節(jié)段原為一個(gè)整體節(jié)段，重達(dá)392. 6t，計(jì)劃采用1000t浮吊吊裝。經(jīng)調(diào)查，1000t浮吊最低航行高度約25m，但吊裝時(shí)長(zhǎng)江水位已開始上漲，經(jīng)計(jì)算浮吊已無(wú)法通過武漢長(zhǎng)江大橋（通航凈高18m）。經(jīng)研究并經(jīng)設(shè)計(jì)單位同意，將T3節(jié)段在工廠沿縱向切割為2塊制造，分塊運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后，直接采用D5200塔式起重機(jī)（力矩52000kN-m）進(jìn)行吊裝，最后在現(xiàn)場(chǎng)將2塊T3予以焊接。
因涉及T3節(jié)段合龍，吊裝前，先在2號(hào)中塔下橫梁頂塔設(shè)T3節(jié)段分塊拼裝的支撐架和千斤頂。然后用D5200塔式起重機(jī)先吊裝武昌側(cè)T3~1塊（重208. 0t），后吊裝漢陽(yáng)側(cè)T3~2塊（重184. 6t）。2塊T3初步對(duì)位完成后，通過調(diào)節(jié)裝置和豎向管樁調(diào)整支架上的千斤頂對(duì)其進(jìn)行精確定位，如圖3所示。
通過上述調(diào)整裝置，使T3節(jié)段底口和T2節(jié)段頂口對(duì)接縫處無(wú)錯(cuò)臺(tái)，同時(shí)確保兩塊T3頂口對(duì)接處無(wú)錯(cuò)臺(tái)，然后在T2與T3接縫處利用臨時(shí)拼接板對(duì)2塊T3節(jié)段進(jìn)行固定。2塊T3經(jīng)精確調(diào)整后進(jìn)行工地焊接，并考慮焊接余量和變形問題。
3.3.2上橫梁無(wú)支架懸臂拼裝
上橫梁分2節(jié)段吊裝，采用無(wú)支架懸臂拼裝技術(shù)，節(jié)約了拼裝支架，如圖4所示。
其主要步驟為：①先利用D5200塔式起重機(jī)完成上橫梁短節(jié)（下游側(cè)，長(zhǎng)11. 99m）節(jié)段吊裝（先吊裝短節(jié)，主要是減少懸臂端撓度）；②根據(jù)鋼塔的變位情況，在橫撐M4上施加主動(dòng)力，通過有限元計(jì)算軟件MIDAS模擬上橫梁吊裝工況，計(jì)算得到在M4橫撐處施加1440kN對(duì)頂力時(shí)上橫梁合龍口處位移為20. 8mm，滿足上橫梁合龍口吊裝凈寬要求；③最后完成上橫梁長(zhǎng)節(jié)（上游側(cè)，長(zhǎng)15. 99m）節(jié)段吊裝。
4鋼塔制造及安裝線形控制
4.1 工廠制造精度控制
鋼塔制造精度是保證鋼塔安裝線形的前提和基礎(chǔ)，是線形控制體系最核心的部分。
鋼塔柱節(jié)段端面的機(jī)加工，又是確定鋼塔柱每個(gè)節(jié)段成型尺寸及確保全部鋼塔節(jié)段組裝后整體線形的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)鋼塔架設(shè)精度要求，節(jié)段加工精度要求為：機(jī)加工后構(gòu)件長(zhǎng)度±1mm;平面度≤0. 08 mm/m，0.25 mm（全平面）；垂直度≤1/10000（縱橫向）；表面粗糙度Ra=12.5μm。
基于上述鋼塔節(jié)段的外形尺寸以及加工制造的精度要求，采用大型落地鏜銑床完成斷面加工工作。另外，采用API高精度的激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“跟蹤儀”）完成加工前畫線及加工后的測(cè)量檢測(cè)工作，采用計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控液壓控力系統(tǒng)結(jié)合跟蹤儀對(duì)節(jié)段進(jìn)行找正調(diào)整。
4.2工廠預(yù)拼方案
鋼塔預(yù)拼裝是制造精度和橋位安裝精度的聯(lián)系紐帶，預(yù)拼裝主要為檢查鋼塔柱接口的匹配情況、金屬接觸情況、鋼塔柱線形、配置節(jié)段間連接拼接板以及兩節(jié)段的拼裝長(zhǎng)度。為確保鋼塔安裝線形，以及T3節(jié)段順利合龍，在節(jié)段端面機(jī)加工完成后，對(duì)節(jié)段進(jìn)行“1 +1”立式或臥式預(yù)拼。其中，T1~T4，T14~ T15和上橫梁采用臥式預(yù)拼，其余采用立式預(yù)拼。①臥式預(yù)拼時(shí)，在預(yù)拼場(chǎng)地中根據(jù)線形及理論尺寸標(biāo)記永久地標(biāo)點(diǎn)。節(jié)段臥拼以預(yù)拼場(chǎng)地中永久地標(biāo)點(diǎn)定位，在調(diào)整對(duì)位完畢后進(jìn)行配孔施工。轉(zhuǎn)運(yùn)前在胎架上對(duì)節(jié)段刻畫測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)，便于現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工。②立式預(yù)拼時(shí)，匹配臺(tái)座實(shí)際是能同時(shí)承受兩節(jié)鋼塔節(jié)段自重的平臺(tái)，它的支撐平面精度很高（平面度誤差≤0. 25 mm），胎架周圍裝有操作平臺(tái)和防護(hù)欄桿。使用250t門式起重機(jī)主要用來(lái)完成節(jié)段立式匹配作業(yè)中的吊裝和解體。
4.3 現(xiàn)場(chǎng)安裝線形控制
1)普通接頭 即磨光頂緊接頭，其最大的特點(diǎn)在于在施工現(xiàn)場(chǎng)能很好地還原廠內(nèi)的預(yù)拼狀態(tài)，因此結(jié)合這一特點(diǎn)，在節(jié)段對(duì)接軸線上設(shè)置了4個(gè)定位銷，待鋼塔節(jié)段起吊至理論位置后，通過定位銷的設(shè)置，很好地固定了鋼塔節(jié)段的平面位置，快速完成了鋼塔節(jié)段的定位。
2)調(diào)整接頭 在J1~J3調(diào)節(jié)接頭位置設(shè)置調(diào)整裝置，調(diào)整裝置由調(diào)位牛腿及限位板組成。可以方便調(diào)節(jié)節(jié)段的標(biāo)高和水平位移，對(duì)相對(duì)位置實(shí)行精確調(diào)整。根據(jù)塔柱最大傾斜度限值< 1/4000的目標(biāo)（即最大軸線偏差為26. 4mm），經(jīng)過計(jì)算機(jī)提前預(yù)判和模擬分析，將J13調(diào)整接頭上游加墊片調(diào)整2.5 mm、下游加墊片調(diào)整2.3mm，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，后續(xù)鋼塔T14，T15安裝到位后，有效控制了鋼塔節(jié)段的線形，最終鋼塔頂偏位< 25mm，傾斜度滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。
5 結(jié)語(yǔ)
武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋2號(hào)中塔為國(guó)內(nèi)首次采用縱向人字形鋼-混疊合塔，具有設(shè)計(jì)新穎、施工規(guī)模大、技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)。該塔于2012年5月20日吊裝首個(gè)鋼塔節(jié)段，于2012年11月26日順利完成上橫梁吊裝，經(jīng)統(tǒng)計(jì)純吊裝時(shí)間為113h，平均每2.97h吊裝1個(gè)節(jié)段。在該塔施工過程中有以下幾點(diǎn)體會(huì)：
1)下塔柱底節(jié)3m與承臺(tái)混凝土一起澆筑，并采取低水化熱混凝土配合比、布置冷卻水管等綜合防裂控制措施，有效解決了塔柱根部易出現(xiàn)裂紋的問題。
2)長(zhǎng)距離模板拉桿通常采用加大拉桿截面積以減少變形量，本工程采用鋼絞線作為模板拉桿，并在混凝土澆筑過程中動(dòng)態(tài)張拉是一次成功的嘗試。
3)本橋鋼塔最大節(jié)段重208t，采用D5200平臂式塔式起重機(jī)、400t浮吊等大型起重設(shè)備吊裝，達(dá)到了鋼塔快速吊裝的目的。T3節(jié)段根據(jù)起吊設(shè)備分成2塊吊裝后在現(xiàn)場(chǎng)焊接成整體，上橫梁分2節(jié)采用無(wú)支架懸臂拼裝技術(shù)，均取得了良好效果。
4)通過設(shè)置錨桿定位支架和T1節(jié)段調(diào)位三向千斤頂，確保T1首節(jié)段精確定位，為鋼塔線形控制奠定了基礎(chǔ)；對(duì)于鋼一混疊合段，采取后壓漿工藝措施，既方便操作，又能保證鋼一混結(jié)合面密實(shí)、密貼，傳力可靠。
5)本工程中建立了“鋼塔安裝精度控制系統(tǒng)”，結(jié)合工廠預(yù)拼和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提前預(yù)判和及時(shí)調(diào)整安裝線形，最終鋼塔線形滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。
