滬蘇通長江公鐵大橋29號墩斜拉索掛設(shè)施工前置條件分析及對策

胡 勇

(中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

大跨度斜拉橋正朝大跨、重載、高速方向不斷邁進(jìn)[1]，更大更重斜拉索的安裝施工必然面臨更為艱巨的挑戰(zhàn)，因此做好超長超重斜拉索的安裝技術(shù)及振動控制研究[2]是推動我國橋梁施工技術(shù)發(fā)展的重要一環(huán)。

1 工程概況

1.1 主航道橋結(jié)構(gòu)概況

滬蘇通長江公鐵大橋主航道橋為公鐵兩用斜拉橋，采用雙塔三索面斜拉橋布置，全長2 296m，孔跨布置為(140+462+1 092+462+140)m，主跨1 092m，主跨兩側(cè)各設(shè)1個462m邊跨，邊跨兩側(cè)各增加1個140m輔助跨，以滿足斜拉橋結(jié)構(gòu)受力和梁端轉(zhuǎn)角要求。大橋結(jié)構(gòu)采用塔、梁豎向支承，縱向設(shè)阻尼器約束體系?？傮w布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位：m)

主塔采用C60自密實鋼筋混凝土，塔頂高程333.000m，塔高325m。主梁采用箱桁組合結(jié)構(gòu)，主桁設(shè)計為3片。標(biāo)準(zhǔn)段主梁邊桁桁高為16m，中桁桁高16.308m，桁寬2×17.5m，采用N形桁式，節(jié)間距為14m。每個主桁節(jié)點均設(shè)有橫聯(lián)。主梁上弦平面采用公路正交異性整體鋼橋面板，主梁下弦采用鋼箱作為鐵路整體橋面，公路橋面、鐵路橋面參與主桁共同受力。邊跨側(cè)252m范圍公路橋面采用帶有混凝土橋面板的組合截面，通過增大結(jié)構(gòu)自重平衡輔助墩處支座負(fù)反力。主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋼桁梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段三維結(jié)構(gòu)

1.2 斜拉索概況

大橋為空間三索面斜拉橋，全橋斜拉索共432根，每塔各布置36組斜拉索。斜拉索采用φ7平行鋼絲索，高強纏包帶纏繞后，用熱擠雙層高密度聚乙烯護(hù)套包裹，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度為2 000MPa。單根索最長576.2m、最重83.549t、最大索力13 330kN。斜拉索設(shè)計有10種規(guī)格，錨具為冷鑄錨。

2 施工組織及斜拉索安裝方案

2.1 總體施工組織安排

根據(jù)總體施工組織安排，主橋28號墩采用先塔后梁工藝，即上塔柱施工接近完成時開始架設(shè)墩頂鋼梁節(jié)段，主塔封頂后開始掛索[3]。29號墩因工期相對于28號墩滯后，在上塔柱施工至第39節(jié)時開始掛索，實施塔梁同步施工方案[4]。

主橋鋼梁采用大節(jié)段整體制造、架設(shè)[1]，全橋共164個節(jié)間。鋼梁節(jié)段在制造廠按1+3匹配制造，整節(jié)段船運至現(xiàn)場。墩頂節(jié)段采用1 800t浮式起重機(jī)分段架設(shè)。主塔墩頂5個單節(jié)段完成后，在鋼梁公路面對稱拼裝1 800t架梁起重機(jī)，然后對稱吊裝1個單節(jié)段，走行14m后，對稱懸臂拼裝1個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。拼裝完成后架梁起重機(jī)走行28m，掛2層斜拉索。此后，按每架設(shè)1對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段架梁起重機(jī)走行28m、掛設(shè)2層斜拉索的工藝進(jìn)行鋼梁懸臂對稱架設(shè)。

2.2 斜拉索安裝方案

橋梁斜拉索安裝牽引力和戴帽力統(tǒng)計如表1所示，由表1[5-7]可知，軟硬牽引及組合牽引工藝在以往橋梁拉索牽引施工中均有所應(yīng)用，關(guān)鍵是應(yīng)適合大橋自身結(jié)構(gòu)特點、施工工藝要求。因此，大橋經(jīng)過試算和比選，大橋拉索安裝思路為掛設(shè)先塔端后梁端，戴帽先梁端，再塔端硬牽引戴帽，最終在塔端進(jìn)行張拉。梁端牽引根據(jù)索的分類研究對應(yīng)軟牽引工藝。按此流程，依據(jù)設(shè)計提供的拉索長度、自重、張拉索力及安裝各階段的安裝索力等施工參數(shù)，大橋?qū)⑿崩靼惭b分為4種方式、3大類進(jìn)行施工，如表2所示。

表1 典型橋梁斜拉索安裝牽引力和戴帽力

表2 大橋斜拉索安裝方式分類

按架梁方案要求，1對懸臂節(jié)段架設(shè)全周期內(nèi)完成2層12根斜拉索安裝張拉施工，掛設(shè)步驟分2個階段：①1對懸臂節(jié)段架設(shè)前半周期內(nèi)，即每對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段吊裝的同時，完成斜拉索橋面展索和塔端掛設(shè)；②待鋼梁節(jié)段連接和架梁起重機(jī)走行完成后，即在架設(shè)后半周期實施梁端掛設(shè)和塔端張拉。

3 29號墩斜拉索安裝施工特點

根據(jù)總體施工組織安排和斜拉索安裝方案，29號墩斜拉索掛設(shè)施工前置條件如下：①因主塔未封頂，拉索掛設(shè)時，需確認(rèn)主塔混凝土結(jié)構(gòu)安全，并結(jié)合施工設(shè)施、設(shè)備環(huán)境條件，明確拉索塔端掛設(shè)時機(jī)；②主塔尚未封頂，需解決斜拉索塔端掛設(shè)動力來源問題；③由于采用大節(jié)段雙節(jié)間整體制造架設(shè)工藝，架梁施工荷載巨大，鋼梁主體結(jié)構(gòu)必須處于安全狀態(tài)，并保證架梁有關(guān)操作與拉索掛設(shè)施工無沖突。因此，明確拉索梁端掛設(shè)及解決施工沖突的工藝要求，為完成掛索任務(wù)的前置條件。

4 29號墩斜拉索掛設(shè)施工前置條件分析及對策

4.1 塔端掛設(shè)時機(jī)

依據(jù)設(shè)計原則，索體掛設(shè)張拉后，傳遞給主塔的為豎向荷載，水平荷載由塔內(nèi)鋼錨梁承受。由于主塔尚未封頂，此時29號墩主塔結(jié)構(gòu)并非嚴(yán)格意義上的封閉結(jié)構(gòu)，處于提前承受鋼錨梁張拉荷載狀態(tài)，必須明確在此條件下的掛索前提條件，以確保主塔結(jié)構(gòu)安全。由于29號墩1～3號索直接錨固于主塔35號節(jié)的混凝土實體齒塊上，故以4號索張拉(位于主塔36號節(jié)段)工況為例。此時主塔施工至40號節(jié)，拉索張拉完成至4號索，架梁至Z36′-37′，Z49′-50′即第1對標(biāo)準(zhǔn)大節(jié)段雙節(jié)間梁段完成。建立30m高上塔柱有限元模型，4號索位于中間部位，4號索以下塔柱包含34，35號節(jié)段，以上包含37，38號節(jié)段，對主塔結(jié)構(gòu)變形做偏保守計算(施工實際工況4號索以上有37～39號節(jié)段)。主塔截面采用實體單元模擬，鋼錨梁采用梁單元模擬，模型底部固結(jié)約束。經(jīng)計算，該工況下，拉索張拉后，主塔模型頂面順橋向、橫橋向變形均<1mm。因此，在主塔未封頂?shù)臈l件下，確保主塔結(jié)構(gòu)安全的前置條件即為斜拉索張拉時，對應(yīng)的塔柱節(jié)段混凝土性能必須達(dá)到設(shè)計要求，即強度達(dá)到設(shè)計值100%且齡期≥1個月。

從施工角度分析，爬模自身高度約19m，覆蓋3個主塔節(jié)段。斜拉索掛設(shè)施工只能在爬模下放實施，故欲保證施工作業(yè)順暢，施工前提條件為當(dāng)前張拉的斜拉索上方至少完成3個塔柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段[4]，與安全檢算結(jié)果不矛盾。

4.2 塔端掛設(shè)動力

因29號墩主塔尚未封頂，故塔頂?shù)跫芊桨笩o法實施，則拉索塔端掛設(shè)需解決2個動力問題，即牽引動力與掛設(shè)承載動力需另尋他途。根據(jù)大橋掛索工況計算，拉索塔端掛設(shè)承重荷載≤400kN，牽引動力采用75kN卷揚機(jī)系統(tǒng)即可解決。

在設(shè)置塔頂?shù)跫艿那疤嵯?，掛索由塔頂?shù)跫?、塔式起重機(jī)與塔頂卷揚機(jī)及轉(zhuǎn)向滑輪[8]共同配合，調(diào)整錨杯、張拉桿、索導(dǎo)管三者角度一致，而后將張拉桿牽引出塔端錨墊板，安裝張拉桿副螺母至平扣，完成塔端掛設(shè)。

由于29號墩主塔未封頂，原置于塔頂?shù)摹⑴c塔式起重機(jī)配合施工的7.5t卷揚機(jī)無處安置，因此需解決卷揚機(jī)的安置場地問題。根據(jù)塔端掛設(shè)時機(jī)，主塔節(jié)段超前掛索≥3個節(jié)段，鋼錨梁超前掛索≥3個節(jié)段。因此，29號墩利用超前安裝的鋼錨梁作為施工平臺，在全塔高度范圍內(nèi)，選擇ML4，ML14，ML26各預(yù)設(shè)1個卷揚機(jī)平臺，以便安置卷揚機(jī)，在解決牽引動力問題的同時，將自身轉(zhuǎn)場次數(shù)降至最低。

牽引動力解決后，大橋?qū)λ藪煸O(shè)承載動力考慮2個方案進(jìn)行比選。

首先，大橋考慮在爬模下方，在塔柱南、北兩面各單獨布置1套爬壁式起重機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖3，4所示。爬壁式起重機(jī)以型鋼組拼為三角形架構(gòu)，在架構(gòu)頂面平臺布設(shè)額定起重量2×60t卷揚機(jī)系統(tǒng)，18t卷揚機(jī)在橫向左、右對稱布置2臺。卷揚機(jī)系統(tǒng)可在頂面平臺上縱移至塔柱邊界外側(cè)10m，橫向也可移動滑輪組覆蓋三桁斜拉索4m的寬度空間，以滿足全方位斜拉索掛設(shè)施工需求。爬壁式起重機(jī)上、下掛點通過塔柱內(nèi)設(shè)置預(yù)埋件附著于塔柱上，以形成空中施工平臺。需要爬升時，通過電控液壓升降系統(tǒng)實現(xiàn)架體與導(dǎo)軌互爬功能，從而實現(xiàn)爬壁式起重機(jī)跟隨爬模并按并行施工節(jié)奏掛設(shè)拉索。該方案可基本實現(xiàn)掛索作業(yè)與主塔施工互不影響，但存在以下缺陷：①爬模和爬壁平臺在豎向總高度約30m，與15 000kN·m塔式起重機(jī)扶墻結(jié)構(gòu)存在空間沖突。為避免沖突，上塔柱施工時塔式起重機(jī)扶墻附著桿間距必須由原30m縮減為24m，原計劃只需8道扶墻，現(xiàn)需增加到9道。因此，15 000kN·m塔式起重機(jī)自身施工工序增加，直接影響上塔柱施工進(jìn)度。②塔柱結(jié)構(gòu)在34節(jié)合龍，即34節(jié)塔柱下方無混凝土實體結(jié)構(gòu)，因此爬壁式起重機(jī)必須等到爬模爬升至39節(jié)方可安裝，則1～3號斜拉索仍需15 000kN·m塔式起重機(jī)參與掛設(shè)，對應(yīng)塔柱節(jié)段施工周期必因塔式起重機(jī)吊裝次數(shù)增多而增加；③爬壁式起重機(jī)本身必須借助15 000kN·m塔式起重機(jī)安裝，安裝周期也無法縮短，而且施工費用需額外投入；④爬壁式起重機(jī)頂面施工平臺與爬模底層修飾平臺尚有4m垂直距離，因此從爬模到平臺的人員通行存在極高安全風(fēng)險，不利于保證施工工效。

圖3 斜拉索掛設(shè)用爬壁式起重機(jī)側(cè)面

圖4 斜拉索掛設(shè)用爬壁式起重機(jī)立面

為克服上述缺陷，大橋研究第2套方案，即采用原計劃用于上塔柱重型鋼錨梁與鋼牛腿整體高精度吊裝施工的27 000kN·m塔式起重機(jī)[9]，替代塔頂?shù)跫埽浜霞扔械?5 000kN·m塔式起重機(jī)實施掛索作業(yè)。相比于爬壁式起重機(jī)、塔頂?shù)跫?，該方案?yōu)點如下：①27 000kN·m塔式起重機(jī)安裝于中塔柱下游側(cè)東面塔肢上，安裝總高144m，與主塔間共設(shè)置5道扶墻附著桿。5道附著桿與15 000kN·m塔式起重機(jī)的8道附著桿無空間沖突，因此15 000kN·m塔式起重機(jī)附著桿間距不變，可按原計劃作業(yè)，不影響施工進(jìn)度；②27 000kN·m塔式起重機(jī)安裝時間介于主塔35號節(jié)段鋼筋綁扎完成至36號節(jié)段鋼錨梁安裝前，而29號墩從主塔39號節(jié)段開始，對應(yīng)掛設(shè)1，2號索，因此27 000kN·m塔式起重機(jī)自安裝完畢后，即可參與拉索掛設(shè)施工；③27 000kN·m塔式起重機(jī)為原施工組織計劃內(nèi)容，且29號墩使用的27 000kN·m塔式起重機(jī)由28號墩轉(zhuǎn)場而來，施工安全風(fēng)險管控已積累足夠經(jīng)驗，是保證施工工效的基礎(chǔ)；④由于索體始終處于爬模下方，因此如采用塔頂?shù)跫芊桨福?m寬的爬模實體結(jié)構(gòu)成為索體從下向上掛設(shè)的障礙。由于27 000kN·m塔式起重機(jī)站位于塔柱東側(cè)面(非掛索面)，且可360°靈活旋轉(zhuǎn)，吊鉤可自由伸入爬模下方，從而解決29號墩塔端掛設(shè)時爬模結(jié)構(gòu)造成的障礙。因此，大橋最后選擇27 000kN·m塔式起重機(jī)作為29號墩的塔端掛設(shè)動力設(shè)備。

4.3 梁端掛設(shè)工藝要求

大橋為實現(xiàn)雙節(jié)間鋼桁梁1 800t級的吊裝施工，架梁起重機(jī)設(shè)計自重達(dá)1 022t[10]，其中涉及架梁工況(掛索后)、架梁起重機(jī)走行工況、空載錨固工況(掛索前)。為保證大橋架梁方案的可操作性，必須明確各工況對斜拉索梁端掛設(shè)工藝要求：①鋼梁主體結(jié)構(gòu)安全對梁端掛索工藝要求，3個工況均涉及；②根據(jù)明確后的工況條件解決斜拉索施工與所處施工環(huán)境的沖突問題。

架梁工況中主體結(jié)構(gòu)安全問題，即斜拉索錨固位置選擇問題。由于架梁起重機(jī)前支腿必須站位于梁面錨拉板空間內(nèi)，故架梁時斜拉索無法在前支點安裝張拉。于是對斜拉索安裝于吊機(jī)中支點處的典型工況進(jìn)行篩選并計算[11](見圖5)。

圖5 鋼桁梁懸臂架設(shè)工況

得到的架梁起重機(jī)前支點下方H形豎桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力值如表3所示。如斜拉索錨固于架梁起重機(jī)后方，鋼梁主體結(jié)構(gòu)安全得不到保障。因此，選擇Sn+1號斜拉索必須在架梁前于架梁起重機(jī)中支點處錨固張拉，即應(yīng)始終保持斜拉索前方鋼桁梁懸臂≤3.5節(jié)間。在此工況中，斜拉索牽引作業(yè)將與架梁起重機(jī)產(chǎn)生空間沖突。為此在架梁起重機(jī)設(shè)計時，考慮如下措施：①邊桁斜拉索根據(jù)拉索與架梁起重機(jī)尾部后錨梁結(jié)構(gòu)的沖突，采取后錨梁高度局部降低并加強措施，以避讓邊桁斜拉索；②中桁斜拉索將架梁起重機(jī)機(jī)架設(shè)計為4桁片結(jié)構(gòu)形式(由4個菱形桁片連接成整體)，中間2個桁片預(yù)留600mm寬間隙，中桁斜拉索便可通行。

表3 架梁典型工況中承載最大桿件應(yīng)力

架梁起重機(jī)走行工況和空載錨固工況可歸屬為一類，即無梁段荷載工況。在此工況下，結(jié)構(gòu)安全問題表現(xiàn)為架梁起重機(jī)向前移動后，拉索安裝是否需跟進(jìn)。仍按架梁工況中斜拉索的錨固位置繼續(xù)檢算，鋼梁有關(guān)桿件受力如表4所示。在上一輪架梁循環(huán)結(jié)束后，架梁起重機(jī)可持續(xù)走行28m，拉索不必尾隨跟進(jìn)造成停頓。因此，每輪懸臂架梁作業(yè)均處于不間斷作業(yè)狀態(tài)，可提高施工工效。

表4 架梁起重機(jī)走行及空載錨固工況中承載最大桿件應(yīng)力

走行工況和空載錨固工況存在施工沖突，架梁起重機(jī)前、后支腿與既有梁端錨拉板和已張拉的拉索空間沖突。因此，架梁起重機(jī)前支腿被設(shè)計為可豎向翻轉(zhuǎn)式構(gòu)造，豎向旋轉(zhuǎn)至支點最低點超過梁面錨拉板高度即可。架梁起重機(jī)后支腿被設(shè)計為可水平翻轉(zhuǎn)式構(gòu)造。架梁時，后錨梁通過錨拉板錨固于梁上后錨點。鋼桁梁拼裝完成后，架梁起重機(jī)走行前，先松開后錨點，而后解開后錨點與后錨梁的法蘭連接，利用100t液壓千斤頂收縮將后錨點水平旋轉(zhuǎn)90°，即可避讓前方錨拉板和斜拉索。走行到位且中支點處斜拉索梁端安裝完成后，再將后錨點旋轉(zhuǎn)回來，錨固后方可架梁。翻轉(zhuǎn)用水平液壓千斤頂如圖6所示。

圖6 后錨避讓拉索措施

5 結(jié)語

1)由于主塔尚未封頂，因此斜拉索塔端掛設(shè)施工需解決牽引動力、掛設(shè)承載動力、掛設(shè)前置條件的問題。結(jié)構(gòu)建模和施工條件分析明確掛索前置條件，保證主塔結(jié)構(gòu)安全。塔內(nèi)卷揚機(jī)布置優(yōu)化解決牽引動力問題，應(yīng)用既有27 000kN·m塔式起重機(jī)解決掛設(shè)承載問題。

2)由于18 000kN架梁起重機(jī)的應(yīng)用，對斜拉索梁端安裝施工提出嚴(yán)苛要求，既要保證鋼梁主體結(jié)構(gòu)安全，又要保證施工可操作性和連續(xù)性。通過研究，首先明確架梁施工各工況，進(jìn)而分析斜拉索安裝對各工況的影響，找到既保證施工安全性又保證連續(xù)性的關(guān)鍵措施，即在架梁工況中，斜拉索必須延伸至架梁起重機(jī)中支點，完成Sn+1號錨固張拉，后方可實施整節(jié)段鋼梁架設(shè)、走行、錨固再架梁的循環(huán)。因此，導(dǎo)致架梁起重機(jī)與斜拉索空間沖突，包括后錨梁與拉索沖突，架梁起重機(jī)支腿與錨拉板、已張拉拉索沖突，應(yīng)提前在架梁起重機(jī)設(shè)計時予以考慮。

滬蘇通大橋于2019年1月12日其29號墩開始塔梁索并行施工，至7月19日輔助跨合龍，再至9月27日全橋合龍，施工過程中29號墩的216根斜拉索無論在三者還是輔助跨合龍后的梁索并行條件下，均完成安裝。索體塔端掛設(shè)、梁端安裝、塔端張拉均安全可靠，張拉完成后，主塔豎直度和主梁線形均滿足監(jiān)控、設(shè)計和規(guī)范要求，因此大橋?qū)?9號墩斜拉索施工前置條件分析科學(xué)，采取的對策合理有效，在保證施工精度和安全的同時，實現(xiàn)了全橋合龍計劃目標(biāo)。