高海拔寒冷地區(qū)矮塔斜拉橋施工關(guān)鍵技術(shù)

嚴偉飛，楊濤，郭智剛

(浙江省大成建設(shè)集團有限公司，浙江 杭州 310012)

矮塔斜拉橋以其獨特的優(yōu)勢，近些年來，在多地被廣泛采用，但是絕大多數(shù)橋梁所處位置海拔較低，晝夜溫差不大，氣候適宜，質(zhì)量易于控制。隨著中國綜合國力顯著增強，西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和橋梁技術(shù)的發(fā)展，很多矮塔斜拉橋相繼在高海拔、寒冷地區(qū)出現(xiàn)，在特殊地理環(huán)境下修建橋梁，材料性能受地理環(huán)境影響顯著，對結(jié)構(gòu)的耐久性及運營安全性構(gòu)成了極大威脅，嚴重影響橋梁在西部的發(fā)展進程，現(xiàn)已成為社會各界關(guān)注和研究的焦點。

矮塔斜拉橋處于高寒高海拔地區(qū)，在晝夜溫差大、日照時間長、太陽輻射強烈、干旱少雨和寒潮等惡劣的氣象因素作用下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生非線性的溫度分布，這種非線性溫差會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和變形，混凝土受到日照輻射、溫差大、低溫干燥作用，其收縮徐變發(fā)展迅速，在影響混凝土結(jié)構(gòu)本身性能的同時，對結(jié)構(gòu)線形、索力產(chǎn)生不利影響，且由于收縮徐變量計算理論較多、收縮徐變計算不準等因素，往往會超過荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)，從而造成結(jié)構(gòu)破壞。因此對高寒高海拔地區(qū)塔梁同步施工及施工控制帶來了極大的難度，如何能把此極端環(huán)境對橋梁結(jié)構(gòu)的危害降到最低，解決收縮徐變對結(jié)構(gòu)線形、索力產(chǎn)生不利影響，制定有效可行的混凝土施工工藝和方案已迫在眉睫。

現(xiàn)階段，塔梁同步施工在高寒高海拔地區(qū)應(yīng)用研究處于探索階段，在設(shè)計和施工方面可提供的經(jīng)驗和資料十分欠缺，故該文將對高海拔、高寒地區(qū)矮塔斜拉橋塔梁同步施工進行研究，明確同步施工中混凝土收縮徐變的變化規(guī)律，對各梁段線形、內(nèi)力和索力的影響，研究結(jié)論可為后續(xù)在高寒高海拔地區(qū)矮塔斜拉橋同步施工提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

柳東大橋位于拉薩市的西南，拉薩河下游，主橋為中國高寒高海拔地區(qū)首座預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土正圓形拱塔斜拉橋，主橋跨徑采用(70+120+70) m，塔梁固結(jié)，塔墩分離的雙索面矮塔斜拉橋，橋型布置立面如圖1所示。主橋橋塔采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的正圓形塔，橋塔高26.60 m，圓直徑為36.4 m，壁厚2.5 m，縱橋向?qū)挾?.0 m。橋塔外壁設(shè)置了太陽能光伏板。主梁為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土單箱四室直腹板箱梁結(jié)構(gòu)，橋面寬31 m，箱底寬24.5 m，頂板懸臂寬3.25 m，縱橋向共分為21個節(jié)段。墩頂處箱梁斷面高度5 m，跨中處箱梁斷面高為3 m，梁高按二次拋物線變化，箱梁混凝土采用C50。主墩采用U形實體墩，過渡墩采用雙柱接蓋梁形式，單柱橋墩采用花瓶形墩，分離式矩形承臺，基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)。

1.2 主橋施工難點

(1) 主橋橋塔為正圓形拱塔，設(shè)計造型美觀，但空間效應(yīng)明顯，結(jié)構(gòu)空間受力復(fù)雜，施工難度大。

(2) 正圓形拱塔為空間曲面結(jié)構(gòu)，由于操作空間狹小，豎向預(yù)應(yīng)力鋼束穿束困難及壓漿密實度難以保證。

(3) 由于矮塔斜拉橋施工工期緊，掛籃懸澆是工程工期的控制性工序，若按照矮塔斜拉橋施工工序先施工橋塔，再懸臂掛籃施工梁體，則無法滿足工期要求。而目前已實現(xiàn)塔梁同步施工的斜拉橋均是獨柱式與H形塔等直立式橋塔較多，而正圓形拱塔矮塔斜拉橋塔梁同步的施工工藝存在空白。

(4) 項目位于高寒高海拔地區(qū)，且工期緊，混凝土質(zhì)量難保證。拉薩地區(qū)氣溫為多年平均7.8 ℃，最高27 ℃，最低-15.7 ℃，海拔 3 620～3 680 m，其特征表現(xiàn)為溫度低、風(fēng)蝕影響大，施工期對混凝土養(yǎng)護、抗凍融性能、抗裂性能要求高。

(5) 矮塔斜拉橋主塔處設(shè)置轉(zhuǎn)索鞍，如何將斜拉索穿過索鞍分絲管，是矮塔斜拉橋的共性難點。

圖1 柳東大橋橋型立面布置圖(除標高為m外，其余單位：cm)

2 主橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 橋塔施工技術(shù)研究

正圓形橋塔采用翻模施工，但由于塔柱為正圓形，不僅施工過程中模板固定困難，而且在混凝土澆筑時因其自重的水平分力及混凝土側(cè)向沖擊力使拱塔向外傾斜，使塔柱橫向變形難以控制，同時也使得橋塔支架體系的橫向穩(wěn)定性設(shè)計成為關(guān)鍵。

為了克服橋塔和支架體系橫向水平受力問題，通過鋼管柱+排架的少支架拱架體系，并根據(jù)橋塔結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果將塔柱分3次進行左右對稱澆筑，其中第3段剩余拱頂為14.4 m長，作為合龍段。

少支架拱架體系采用鋼管立柱、柱間連接系、樁頂分配梁(2H488×300)、砂筒、排架及模板系統(tǒng)，鋼管立柱橫橋向采用5道φ630×12 mm鋼管，橫橋向間隔為6.025 m，縱橋向間隔為4.5 m，鋼管連接系采用φ278×6 mm鋼管。排架采用HN200×100和HW200×100型鋼，排架A共4排，排架B共10排，排架C共10排，排架A與鋼管柱用分配梁抄緊，排架B低端支撐在鋼管柱上橫向分配梁上，另外一端支撐在排架C上，由于排架B上存在較大水平力，為此，對排架C局部構(gòu)件進行加固，排架B與排架C之間用鋼板進行抄緊，將水平力直接傳到排架C上。排架與拱架間采用砂筒連接，便于后續(xù)的橋塔體系轉(zhuǎn)化及脫模作用，主橋少支架拱架體系布置如圖2所示。

圖2 主橋少支架拱架體系布置(單位：mm)

2.2 正圓形橋塔預(yù)應(yīng)力施工體系及壓漿工藝研究

柳東大橋橋塔為正圓形拱塔，屬于空間曲面結(jié)構(gòu)，進行預(yù)應(yīng)力張拉的施工難度在于受操作空間和結(jié)構(gòu)限制不能從一端向另一端穿束，因此考慮通過橋塔拱頂開孔，分別向橋塔兩端穿束的方式，有效地解決了鋼絞線穿索困難問題。不足之處是施工中存在波紋管破損，在實際施工過程中將拱頂破開處的波紋管開口位置設(shè)置朝上，通過用小于1/3弧的高密度聚乙烯波紋管膠黏結(jié)或者熱熔方式封閉；預(yù)應(yīng)力張拉結(jié)束后全覆蓋檢查波紋管的完好性，并于上塔柱最頂端設(shè)置出漿口。張拉前采用機械輕微牽引預(yù)應(yīng)力束的一端來檢查是否漏漿，如存在漏漿可采用張拉伸長量來判斷漏漿點后進行處理。

橋塔預(yù)應(yīng)力管道采用智能張拉壓漿工藝，為了保證孔道內(nèi)漿液飽滿，防止管道內(nèi)形成空洞，常規(guī)壓漿無足夠壓力保證從下往上壓漿到位。該文采用類似于鋼管拱橋壓漿工藝技術(shù)，將壓漿機置于橋塔頂部，用鋼管接至橋塔底部壓漿孔，橋塔頂部設(shè)置排氣孔，采用連通器的方式以漿液自身水壓加壓漿機壓力將孔道壓漿飽滿。

2.3 塔梁同步施工關(guān)鍵技術(shù)研究

主橋箱梁縱橋向0#～3#塊及邊跨現(xiàn)澆段采用支架體系現(xiàn)澆，4#～18#節(jié)段采用三角掛籃懸臂澆筑，合龍段采用吊架施工。由于箱梁寬度較大，對掛籃的設(shè)計要求較高，尤其是掛籃的橫向剛度成為設(shè)計關(guān)鍵。此外柳東大橋位于高寒高海拔地區(qū)，通過塔梁同步立體交叉施工有效解決了施工工期問題。

2.3.1 寬幅掛籃設(shè)計

圖3 三角斜拉式掛籃設(shè)計圖(單位：mm)

2.3.2 塔梁同步施工技術(shù)研究

塔梁同步施工方法即在橋塔施工完成前就開始分段對主梁進行掛籃懸臂施工，并同步進行索塔施工，待主梁懸臂施工達到臨界狀態(tài)以及主塔施工完畢后，安裝和張拉斜拉索，再繼續(xù)懸澆至全橋合龍的過程。

該文采用正圓形拱塔分段澆筑施工的同時，掛籃懸臂澆筑1#～6#節(jié)段，待整個橋塔澆筑完畢，達到設(shè)計強度后，安裝并張拉第1道斜拉索，掛籃繼續(xù)懸臂澆筑7#～9#節(jié)段，安裝并張拉第2道斜拉索，依次循環(huán)至施工完成節(jié)段梁，邊跨梁段合龍，再中跨合龍。通過塔梁同步施工，實現(xiàn)了主塔、主梁同步施工的立體化作業(yè)方式，合理組織安排了人機料等交叉作業(yè)，有效地縮短了施工工期，提高了經(jīng)濟效益。

影響塔梁同步施工的主要因素有：結(jié)構(gòu)剛度誤差、澆筑混凝土誤差、橋面臨時荷載影響、斜拉索張拉力誤差、預(yù)應(yīng)力束張拉力誤差、掛籃及模板定位誤差、掛籃變形誤差等。針對這些影響因素，采取的施工控制對策如下：

(1) 梁段混凝土的澆筑、鋼束的張拉、掛籃和機具的移動等均應(yīng)遵循對稱、均衡、同步進行的原則。

(2) 對原材料嚴格把關(guān)，優(yōu)化配合比，確保各梁段的結(jié)構(gòu)尺寸和自重滿足設(shè)計要求。

(3) 對稱張拉斜拉索，監(jiān)測結(jié)構(gòu)的受力情況。

(4) 控制懸臂施工過程中的不平衡荷載。

(5) 加強對拱塔以及主梁偏位的監(jiān)測。

(6) 對掛籃剛度進行驗算。

(7) 建立誤差糾偏機制，對每個節(jié)段進行誤差分析和誤差糾偏。

塔梁同步施工過程中，交叉作業(yè)多，安全風(fēng)險大，盡量避免塔梁荷載同時發(fā)生變化，禁止塔梁同時進行混凝土的澆注。

2.4 高寒高海拔地區(qū)混凝土質(zhì)量控制技術(shù)研究

通過對混凝土進行熱工計算分析研究，對混凝土溫度全過程進行監(jiān)控。從混凝土拌和溫度、攪拌機中傾出時的溫度、經(jīng)運輸成型后溫度、因鋼筋及模板吸熱后的溫度、蓄熱法養(yǎng)護過程溫度等進行熱工計算分析，并對混凝土原材料進行如下溫控措施：混凝土采用加-40 ℃防凍劑，鍋爐燒熱水拌和混凝土，保證混凝土出機溫度不低于5 ℃，現(xiàn)場實際混凝土入模溫度10～15 ℃?；炷涟韬驼舅喙藜肮捃嚥捎妹薇话?混凝土澆筑過程中搭設(shè)保溫棚,內(nèi)設(shè)蒸氣管道，通過棚布與保溫棉覆蓋養(yǎng)生，同時蒸養(yǎng)過程中分3個階段進行溫度控制:升溫階段→恒溫階段→ 降溫階段，確保高寒高海拔地區(qū)混凝土質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

2.5 斜拉索安裝工藝研究

柳東大橋采用填充型環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索，每側(cè)主塔設(shè)6對斜拉索，斜拉索采用平行鋼絞線斜拉索體系。橋塔處以散索鞍中心點處設(shè)置定位骨架，精確定位導(dǎo)管預(yù)埋兩端錨點的切向方向和導(dǎo)管安裝角度，再將散索鞍與橋塔澆筑成一體。斜拉索穿索采用臨時支架和轉(zhuǎn)向滑輪等組成的機械方式穿索，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)索鞍定位及機械穿索布置圖

首先在橋塔附近設(shè)置臨時型鋼支架體系，將卷揚機繞過轉(zhuǎn)向滑輪，與穿索板兩端用卸扣連接，穿入HDPE管內(nèi)，使其成為閉合回路，通過塔內(nèi)卷揚機，使用牽引繩帶動鋼絞線上行，直至鋼絞線穿過塔內(nèi)錨具，接著卸除鋼絞線與塔內(nèi)卷揚機連接器的連接，安裝夾片并打緊，然后在掛籃上將鋼絲引棒向上傳出直至其露出預(yù)埋管出口，再將鋼絲引棒與連接頭連接，將鋼絞線穿入梁下錨具直至鋼絞線穿過梁內(nèi)錨具，安裝夾片并打緊，最后在張拉端安裝單孔反力架，用單孔千斤頂對鋼絞線按設(shè)計或監(jiān)控給定的張拉力進行張拉并頂壓錨固。

3 結(jié)語

根據(jù)柳東大橋施工過程中的實際情況，針對正圓形拱塔施工難度大、橋塔處豎向預(yù)應(yīng)力鋼束穿束困難及壓漿密實度難以保證、施工工期緊、斜拉索穿索難度大等技術(shù)難點，分別采用正圓形橋塔及少支架拱架體系結(jié)合排架體系，塔梁同步技術(shù)立體化作業(yè)方式，高寒高海拔地區(qū)混凝土質(zhì)量控制、斜拉索穿索臨時支架與滑輪體系等技術(shù)措施，解決了上述難點，取得了較好的經(jīng)濟和社會效應(yīng)，可為類似的矮塔斜拉橋施工提供參考。