赤水河大橋索塔快速建造關(guān)鍵技術(shù)研究

聶 東，李清培，陶 龍，鄧亨長(zhǎng)，徐國(guó)挺

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000；2.四川路橋華東建設(shè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610200）

1 工程概況

赤水河大橋主橋?yàn)橹骺?200 m雙塔鋼桁梁懸索橋，索塔為門式框架結(jié)構(gòu)，包括塔冠、塔柱、上橫梁和下橫梁，如圖1所示，塔柱總高度233 m。塔柱標(biāo)準(zhǔn)尺寸8 m×6 m，下橫梁頂面處塔柱9 m×7 m塔柱底12.6 m×10.6 m。橋面以上塔柱壁厚1.0 m，下塔柱壁厚1.2 m。橫梁采用箱形斷面，為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。上橫梁長(zhǎng)21 m，截面11 m×6 m，頂、底、腹板壁厚1m。下橫梁長(zhǎng)29.5 m，腹板斜率同下塔柱順橋向斜率，頂寬7 m，底寬7.36 m，高9 m，頂、底和腹板壁厚1 m，設(shè)置2道隔板，隔板厚1 m。

圖1 索塔立面圖（單位：m）

2 索塔施工方案

2.1 塔柱總體方案

塔柱采用塔吊和電梯配合液壓爬模施工，內(nèi)外模采用整體大塊面組合模板。其中塔吊為2臺(tái)F0/23B附著式塔吊，電梯為2臺(tái)SC200型施工電梯。

液壓爬模節(jié)段高度關(guān)系到施工循環(huán)次數(shù)及工期。目前國(guó)內(nèi)4.5～6 m高節(jié)段是主流，武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋[1]、蘇通大橋[2]等采用4.5 m高節(jié)段，安慶長(zhǎng)江鐵路大橋[3]、黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋[4]等采用6 m高節(jié)段。另外已有學(xué)者開(kāi)展6.5 m節(jié)段研制，甚至提出9 m節(jié)段的設(shè)想。筆者認(rèn)為，當(dāng)液壓機(jī)械性能滿足時(shí)，節(jié)段高度會(huì)影響主筋、勁性骨架長(zhǎng)度劃分和人員的作業(yè)環(huán)境。非主流節(jié)段雖然高度大，但配套施工的主筋需定制，成本高；同時(shí)配套的勁性骨架高度大、重量重，定位困難。此外在封模澆筑混凝土?xí)r，人員需在模板內(nèi)振搗施工，作業(yè)環(huán)境惡劣。因此主流節(jié)段高度相對(duì)較好。

該工程塔柱若采用4.5 m節(jié)段，節(jié)段數(shù)為55；若采用6 m節(jié)段，節(jié)段數(shù)為41，節(jié)段數(shù)少，施工循環(huán)次數(shù)低，工期短。因此塔柱采用6 m節(jié)段，如圖2所示，同時(shí)配套12 m勁性骨架、12 m主筋施工，安裝一次勁性骨架和主筋，爬?？膳郎?次。

圖2 索塔節(jié)段劃分及主動(dòng)橫撐

2.2 塔梁異步及主動(dòng)橫撐配套施工

索塔施工可分為塔梁異步和塔梁同步。國(guó)內(nèi)采用塔梁異步的有九江長(zhǎng)江公路大橋[5]、廈漳跨海大橋[6]等；采用塔梁同步的有武漢二七長(zhǎng)江大橋[7]、安慶長(zhǎng)江鐵路大橋[8]等。表1從質(zhì)量、成本、工期、安全、施工組織等方面權(quán)衡了兩種工藝?yán)住?/p>

表1 塔梁同步與異步施工對(duì)比

塔梁異步最大優(yōu)勢(shì)是工期短，利于總體工期控制。在合理布置爬模軌跡的前提下，整個(gè)爬模系統(tǒng)可達(dá)到只進(jìn)行1次整裝整拆，降低高空施工爬模多次轉(zhuǎn)換的風(fēng)險(xiǎn)?？紤]大橋工期緊，索塔采用塔梁異步施工。

塔柱向內(nèi)傾斜，施工中處于單懸臂狀態(tài)，若無(wú)輔助措施，塔柱根部混凝土可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。為改善這種受力不利影響，需設(shè)置主動(dòng)橫撐來(lái)調(diào)節(jié)塔柱受力狀態(tài)。在塔柱之間設(shè)置5道主動(dòng)橫撐，如圖2所示，并施加頂撐力，主動(dòng)橫撐采用兩根 820mm×10 mm鋼管，同時(shí)在塔內(nèi)部對(duì)應(yīng)主動(dòng)橫撐位置安裝被動(dòng)橫撐。

2.3 橫梁現(xiàn)澆支架方案比選

（1）下橫梁

索塔下橫梁現(xiàn)澆支架一般采用落地支架和空中附壁支架，如圖3所示。赤水河大橋索塔下橫梁支架由鋼管支架體系和底模系統(tǒng)組成。鋼管支架體系包含鋼管立柱和平聯(lián)鋼管；底模系統(tǒng)包含支架頂分配梁、順橋向分配梁、貝雷梁、鋼板等。

圖3 下橫梁現(xiàn)澆支架

表2從安全性、質(zhì)量管控、工期、造價(jià)等方面對(duì)兩種支架進(jìn)行比較。落地支架，用鋼量大，工作量大，工期長(zhǎng)，成本高，施工風(fēng)險(xiǎn)高，且支架拼裝占用塔吊時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)不利。因此，下橫梁現(xiàn)澆支架選用空中附壁支架。

表2 下橫梁現(xiàn)澆支架施工對(duì)比

（2）上橫梁

上橫梁底距下橫梁頂達(dá)130.5 m，若上橫梁采用落地支架支撐在下橫梁頂施工，支架結(jié)構(gòu)龐大，施工風(fēng)險(xiǎn)高，工期長(zhǎng)，成本高。但若上橫梁現(xiàn)澆支架與下橫梁共用同一套材料，即可節(jié)省成本，又能縮短工期。因此上橫梁現(xiàn)澆支架也選用空中附壁支架。

3 索塔施工可行性驗(yàn)證

3.1 索塔施工過(guò)程仿真

施工步驟如圖4所示：（1）0～12#節(jié)段施工；（2）安裝第1道主動(dòng)橫撐；（3）施工至21#節(jié)段，同時(shí)安裝下橫梁現(xiàn)澆支架，安裝第2道主動(dòng)橫撐；（4）施工至27#節(jié)段，同時(shí)進(jìn)行下橫梁施工，安裝第3道主動(dòng)橫撐；（5）塔柱封頂，拆除第1道主動(dòng)橫撐及下橫梁支架，同時(shí)安裝第4、5道主動(dòng)橫撐；（6）安裝塔頂門架，同時(shí)安裝上橫梁現(xiàn)澆支架；（7）吊裝索鞍等上部施工，同時(shí)進(jìn)行上橫梁施工；（8）拆除主動(dòng)橫撐及下橫梁支架。

圖4 索塔施工流程

采用有限元軟件MIDAS/Civil對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行仿真，如圖5所示，構(gòu)件用梁?jiǎn)卧M，邊界條件為：塔底固結(jié)，主動(dòng)橫撐與塔柱采用剛性連接。

圖5索塔有限元模型

結(jié)果表明，整個(gè)施工階段塔柱無(wú)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力4.74 MPa，出現(xiàn)在所有支架拆除后，位于高度約75 m處；所有支架拆除，塔頂最大橫向位移4.965 mm，塔柱最大橫向位移8.419 mm，位于距離下橫梁約55 m處。塔柱封頂后，上橫梁施工與上部結(jié)構(gòu)同步施工，如塔頂門架安裝、主索鞍吊裝等。為驗(yàn)證施工可行性。選擇最不利工況，塔柱僅依靠下橫梁和4道主動(dòng)橫撐相連，單幅吊裝主索鞍（重量50 t，距離塔頂中心10 m）。結(jié)果顯示，塔頂最大位移4.95 mm，沒(méi)有拉應(yīng)力。分析結(jié)果滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50—2017）[9]要求。

3.2 空中附壁支架驗(yàn)算及靜載試驗(yàn)

空中附壁支架驗(yàn)算采用有限元軟件MIDAS/Civil進(jìn)行，如圖6所示。鋼板采用板單元，其他構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M。貝雷梁為16 Mn鋼，其余鋼材為Q235。邊界條件為支架與塔柱固接。貝雷梁容許彎曲應(yīng)力取1.3×210=273 MPa，容許剪應(yīng)力1.3×120=156 MPa。Q235鋼材強(qiáng)度容許值參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）[10]取值。剛度容許值參考文獻(xiàn)[9]取值。穩(wěn)定性方面要求結(jié)構(gòu)臨界荷載系數(shù)＞5。分析結(jié)果見(jiàn)表3，表明支架滿足施工需求。

圖6空中附壁支架有限元模型

對(duì)支架進(jìn)行靜載試驗(yàn)，消除支架非彈性變形，為設(shè)置支架預(yù)拱度提供實(shí)測(cè)值，同時(shí)檢驗(yàn)安全性能。試驗(yàn)時(shí)，按荷載的50%、75%、100%、110%分級(jí)加載及卸載，每級(jí)加載及卸載完成后測(cè)量支架變形，根據(jù)實(shí)測(cè)彈性變形值計(jì)算預(yù)拱度，對(duì)支架進(jìn)行預(yù)抬高設(shè)置。

表3 支架仿真分析結(jié)果

以下橫梁空中附壁支架靜載試驗(yàn)為例，將靜載實(shí)測(cè)值與仿真分析值對(duì)比，如圖7所示。結(jié)果顯示，下橫梁支架跨中最大撓度值20 mm，彈性變形量10 mm，非彈性變形量10 mm。實(shí)測(cè)彈性變形值與理論值吻合較好，驗(yàn)證了支架安全性。

圖7 支架靜載試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

4 索塔施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高性能混凝土研制及施工

索塔高度大，壁厚，鋼筋密集，混凝土強(qiáng)度高，對(duì)混凝土性能要求較高：兼具大流動(dòng)度、低泌水、高強(qiáng)、低收縮、高抗裂性和外觀質(zhì)量高。對(duì)此提出3條針對(duì)性技術(shù)措施。

4.1.1專用低含氣量、超分散減縮、高保坍調(diào)黏型聚羧酸減水劑

（1）在聚羧酸減水劑大單體中接枝和剪裁超分散基團(tuán)、保坍基團(tuán)，提高其超分散保坍性能；

（2）在具有減水功能的大單體中引入具有減縮功能的官能團(tuán)，提高其減縮性能；

（3）采用聚醚類消泡劑和雙子表面活性劑型引氣劑，提升混凝土工作性和外觀質(zhì)量；

（4）通過(guò)控制用水量、摻入利用AMPS（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）和NNDMA（N，N-2甲基丙烯酰胺）合成的AMPS-NNDMA保水增粘劑，抑制混凝土離析泌水和粉煤灰上浮。

4.1.2 基于密實(shí)骨架堆積的索塔低熱高抗裂高拋機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)核心思想是：使膠凝材料和集料達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)，降低水泥和膠凝材料用量，配制高流動(dòng)性、低熱高抗裂高拋機(jī)制砂混凝土。

如圖8所示，通過(guò)試驗(yàn)獲得混凝土配合比設(shè)計(jì)值，水泥∶粉煤灰∶砂：石∶水=367∶147∶736∶1058∶147。表4為設(shè)計(jì)配合比混凝土性能，可見(jiàn)制備的混凝土初始工作性能能夠達(dá)到《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJT 283—2012）規(guī)范[11]中SF1等級(jí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)和施工要求。

圖8 混凝土性能測(cè)試

表4 設(shè)計(jì)配合比混凝土性能參數(shù)

4.1.3 機(jī)制砂高拋?zhàn)悦軐?shí)混凝土泵送施工質(zhì)量控制措施

4.1.3.1 對(duì)施工原材料控制

（1）粉料：進(jìn)場(chǎng)前，性能測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)格滿足相應(yīng)規(guī)范及項(xiàng)目前期配比試驗(yàn)要求。礦物摻和料應(yīng)置于陰涼、干燥處，勿受潮。

（2）細(xì)集料：機(jī)制砂中的石粉對(duì)外加劑吸附量大，石粉含量高會(huì)降低混凝土工作性能，影響抗壓強(qiáng)度，本項(xiàng)目通過(guò)配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)和專用外加劑，可放大機(jī)制砂中石粉含量限值，但仍應(yīng)限制石粉含量在10%以內(nèi)，MB值＜1.4。

（3）粗集料：粗集料粒型應(yīng)盡量規(guī)整，粗集料的骨架堆積和自身強(qiáng)度對(duì)混凝土強(qiáng)度影響顯著，因此，粗集料要嚴(yán)格檢測(cè)其針片狀含量和壓碎值。

4.1.3.2 施工過(guò)程質(zhì)量控制：

（1）拌合前應(yīng)檢測(cè)集料含水率，每2 h復(fù)測(cè)1次，并依據(jù)實(shí)際含水率調(diào)整砂石及用水量，機(jī)制砂混凝土拌合時(shí)間宜≥150 s。

（2）混凝土在出拌合站及運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)均應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)，確保混凝土符合泵送要求，混凝土罐車運(yùn)輸至澆筑現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)高速攪拌30～60 s，然后將拌合物卸出。

（3）澆筑時(shí)采用串筒控制下料高度小于2 m。

4.2 鋼筋安裝新工藝

4.2.1 主筋“簾式吊裝”

塔柱主筋直徑Φ36 mm，長(zhǎng)度12 m，單根重量95.96 kg，最大截面處294根，標(biāo)準(zhǔn)截面處174根。主筋采用機(jī)械連接套筒接長(zhǎng)。

現(xiàn)階段在常規(guī)起吊設(shè)備下，高塔鋼筋傳統(tǒng)工藝是借助“鋼兜”進(jìn)行，如圖9所示，10～15根綁扎成捆→塔吊提升至操作平臺(tái)→人工逐根搬運(yùn)至對(duì)應(yīng)位置→完成安裝。傳統(tǒng)工藝需人工二次搬運(yùn)，作業(yè)強(qiáng)度大，安裝效率相對(duì)低。

圖9主筋借助“鋼兜”安裝

將主筋安裝優(yōu)化為單側(cè)主筋利用塔吊整體吊裝。根據(jù)主筋自重、間距設(shè)計(jì)出專用吊具，如圖10所示，吊具由主分配梁、連接板、鋼繩和卸扣組成。主分配梁選用型鋼。鋼繩選用符合吊重要求。根據(jù)主筋直徑Φ36 mm，連接套筒外徑Φ53 mm，及《一般起重用D形和弓形鍛造卸扣》（GB/T 2584—2010）[12]，卸扣選擇U型內(nèi)徑40 mm卸扣。

圖10主筋“簾式吊裝”

表5為傳統(tǒng)工藝與“簾式吊裝”工效對(duì)比?！昂熓降跹b”具有單次鋼筋起吊數(shù)量大、工效高、作業(yè)人員數(shù)量少和勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)。

表5主筋“簾式吊裝”與傳統(tǒng)工藝對(duì)比

4.2.2 箍筋“整體安裝”

塔柱箍筋標(biāo)準(zhǔn)間距15 cm，6 m節(jié)段范圍內(nèi)共有40層。傳統(tǒng)施工是施工人員逐根安裝，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且懸空作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。將箍筋傳統(tǒng)“單根安裝”優(yōu)化為“整體安裝”。即將單側(cè)箍筋在地面按設(shè)計(jì)間距組裝成型，采用塔吊整體提升安裝，如圖11所示。

圖11 箍筋“整體安裝”

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，先對(duì)箍筋重新配筋，確保箍筋連接接頭間距滿足要求；然后在組裝平臺(tái)上作好標(biāo)記線；將箍筋按標(biāo)記線擺放，用三根連接鋼筋將箍筋逐根進(jìn)行焊接，形成整體；最后整體安裝。

箍筋“整體安裝”，作業(yè)人員抬升安裝頻率減少，懸空施工風(fēng)險(xiǎn)降低；同時(shí)箍筋安裝質(zhì)量更有效保障。根據(jù)實(shí)施結(jié)果，箍筋“整體安裝”工效比常規(guī)工藝提高近1倍，赤水河大橋索塔施工現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

圖12 赤水河大橋索塔施工

5結(jié)論

以赤水河大橋索塔建造為工程背景，詳細(xì)介紹了索塔建造的關(guān)鍵技術(shù)。采用6 m節(jié)段液壓爬模、塔梁異步及主動(dòng)橫撐配套施工工藝，并利用有限元數(shù)值仿真技術(shù)，論證了該工藝的可行性。同時(shí)，橫梁采用空中腹壁支架現(xiàn)澆施工，節(jié)省了支架用鋼量，縮短了橫梁施工周期，減少了占用塔吊的時(shí)間，提高了空間交叉施工的安全性；高性能混凝土的成功應(yīng)用，以及鋼筋安裝新型工藝的實(shí)施，極大提高了索塔的建造質(zhì)量和建造效率。上述施工工藝，實(shí)現(xiàn)了塔柱施工是整座索塔建造的唯一關(guān)鍵工作的成效，并實(shí)現(xiàn)了233 m索塔僅用8個(gè)半月完成。此外，該工程并沒(méi)有采用特制的施工設(shè)備，均是在常規(guī)設(shè)備下進(jìn)行的，因此該工藝在高墩建造方面具有極大的推廣價(jià)值。