武汉鹦鹉洲长江大桥人字形钢-混叠合塔施工技术

 李陆平，冯广胜，罗瑞华

 （中铁大桥局集团有限公司，湖北  武汉430050）

[摘要]武汉鹦鹉洲长江大桥2号中塔为国内首次采用纵向人字形钢-混叠合塔。下塔柱为钢筋混凝土结构，底节3m与承台混凝土一起浇筑；针对下塔柱截面尺寸大的特点，利用钢绞线作为模板拉杆。上段钢塔通过设置锚杆定位支架和限位装置、三向千斤顶等措施对T1节段进行精确定位；T1节段承压板下采取后压浆工艺，确保钢一混结合段密实、密贴；T3节段采用分块吊装、现场焊接技术；上横梁采用2节段无支架悬臂拼装技术。通过工厂预拼、现场测量和计算机模拟分析，提前对钢塔线形进行预控，并在调整接头设置合理的调整量，最终使钢塔安装线形满足设计和规范要求。

[关键词]桥梁工程；悬索桥；钢-混叠合塔；钢塔；吊装；线形控制；悬臂拼装；施工技术

[中图分类号]U445.4[文章编号]1002-8498(2016)11-0032-04

0  引言

 近几年以来，我国相继修建了泰州长江大桥、马鞍山长江大桥、武汉鹦鹉洲长江大桥3座三塔大跨度悬索桥。与一般的两塔悬索桥不同，三塔悬索桥多了一个中间塔，该体系在两主跨非对称荷载的不利作用下，其中塔的变形需要重点考虑两方面问题：①主缆与中塔鞍座之间的滑移和结构安全问题；②加劲梁及桥面变形问题。

 经分析可知，如果中塔的刚度选择过大，则在两主跨非对称荷载的不利作用下，由于主缆在鞍座处产生不平衡水平力较大，主缆相对于鞍座易出现滑移现象，这对于悬索桥而言是不允许的；如果中塔设置过“柔”，则在非对称荷载作用下会引起加劲梁及桥面的变形过大，从而影响桥面线形和行车的舒适度。上述两方面问题决定了三塔悬索桥中间塔的刚度选择要适当，既不能过“刚”也不能过“柔”，因此三塔悬索桥中塔往往选择钢塔（或钢-混叠合塔）。

 武汉鹦鹉洲长江大桥是目前世界上跨度最大的三塔四跨悬索桥结构，中塔设计为钢结构，同时由于中塔洪水期、枯水期水位落差达15m左右，这样位于水中部分采用混凝土塔。因此，武汉鹦鹉洲长江大桥中塔设计为钢-混叠合塔，也是国内首次采用纵向人字形的钢．混叠合塔。研究和总结该塔的施工技术，对于今后类似工程施工具有重要意义。

1  工程概况及重、难点分析

1.1  工程概况

 武汉鹦鹉洲长江大桥主桥采用( 200 +2×850+200)m三塔四跨悬索桥。该桥2号中塔总高152m，其中下塔柱采用钢筋混凝土结构，高45m;上塔柱采用纵向人字形钢塔柱，高105. 7m；下塔柱与钢塔柱之间设置1. 3m高混凝土塔座（见图1）。

 钢塔柱从下至上划分为T1~T15节段（T3为人字形合龙段），其中T1~T3各4段、T4~ T15及上横梁各2段，合计38个单元节段。塔柱单元节段高3.8~ 11. 5m，断面尺寸5m×(5.0~10. 6)m。塔柱单元节段重149~208t。钢塔T1首节段（平面尺寸6. 5m x6.5m、高3.8m，底座承压板厚150mm）与混凝土塔座通过28根、直径110mm的40CrNiMoA锚杆连接，T1节段底座板与塔座顶面间设置5cm压浆层，每根锚杆设计张拉力为2 500kN。塔柱节段采用高强度螺栓传力与端面接触传力相结合的方法，设计考虑端面金属接触传递压力：壁板、腹板50%，加劲肋40%。但在儿，J2，J3，J8，J13共5处设置了调整节头，即高强度螺栓传递100%内力。高强度螺栓采用M30摩擦型、ϕ33mm栓孔形式。

1.2工程重、难点分析

 1)下塔柱为钢筋混凝土，需要解决塔柱根部与承台之间容易出现裂纹问题。另外，本工程下塔柱平面尺寸最大为31m，对于混凝土模板拉杆材料的选择，既要做到经济又要确保混凝土外观质量（重点是控制模板变形），因此采用传统圆钢或精轧螺栓钢筋作为拉杆已不理想，必须研究采用其他拉杆材料。

 2)钢塔高度方向划分为15节，节段之间连接仅设置5处调整接头，其余节段之间为端面接触；钢塔节段吊装涉及T3节段（人字形底部）、上横梁（分2节段吊装）两处合龙，因此钢塔线形控制难度大。

 3)钢一混结合段是钢塔将力传递给下塔柱和基础的关键受力部位。由于结合面倾斜度较大( 140)且结合面面积大(6. 3m×6.3m)，确保结合段密实、密贴是一大难点。

 4)钢塔最大节段重208t，如何实现大吨位钢塔节段的快速吊装是保证工期的重点。另外，T3节段为人字形合龙段，原设计为一个整体节段，重达392. 6t，需要采用1 000t浮吊吊装。但吊装时间正值高水位，受通航净高限制，1000t浮吊无法通过桥址附近的武汉长江大桥（设计通航净高18m），需要研究其他替代方案。

 5)钢塔上横梁分两节吊装，采用无支架“悬臂”拼装方案，需要重点研究吊装顺序和合龙口间隙问题。

2  总体施工方案及工艺流程

 总体施工方案为：2号中塔下塔柱采用翻模法施工，下塔柱底节3m与承台混凝土一起浇筑，下塔柱顶节设置定位支架以固定预埋锚杆。上段钢塔T1~T2用400t浮吊吊装，T3~T15及上横梁采用D5200平臂式塔式起重机（最大起吊能力240t）吊装，钢塔两肢之间设置4道水平横撑。钢塔上横梁分为两段吊装，采用无支架悬臂拼装技术。T1节段与塔柱之间通过后压浆工艺确保密实、密贴。

3关键施工技术

3.1下塔柱施工

 为防止塔柱出现裂纹，施工中采取以下综合防裂控制措施：①下塔柱底节3m与承台混凝土一起浇筑，使塔柱、承台接缝处的混凝土能同步收缩，减少因混凝土“龄期”差产生的裂纹；②优化混凝土配合比，采用高效减水剂降低水灰比，并提高粉煤灰掺量，降低水化热；③通过布置冷却水管，降低混凝土芯部温度，减少混凝土内外温差。

 下塔柱平面尺寸为14. 8m×31m，结构尺寸大，常规设置模板拉杆的方法不能解决拉杆变形量大的问题。通过研究，钢绞线用作长距离模板拉杆，其技术原理为：采用公称直径15. 2mm钢绞线作为拉杆，一端采用P锚，一端用单孔锚具张拉，利用27t单根穿心千斤顶进行钢绞线拉杆力控制。在混凝土浇筑前收紧钢绞线（约1MPa），在混凝土浇筑过程中根据拉杆轴力变化及模板变形情况及时动态补张拉。该技术大大节约了拉杆材料，并能控制模

板变形量，经济适用。

3.2T1首节段吊装及钢．混叠合段施工

3. 2.1锚杆安装及定位

 在下塔柱顶节混凝土浇筑前，预埋锚杆定位支架。锚杆定位支架安装完毕后，开始安装28根锚杆，安装前对锚杆逐根进行检查（有无扭曲、表层螺杆防护破坏等现象），发现问题后及时修整。最后用起重机起吊锚杆一端，缓慢使另一端插入定位梁与下锚梁锚杆孔内，同时上紧锚固端的锚杆垫圈及螺母。

 待锚杆底部固定完毕后，利用顶部定位梁上设置的微调装置，精确固定28根锚杆的空间位置，并逐根进行复测，实测坐标与理论坐标误差< 5mm后浇筑塔座混凝土。混凝土浇筑过程中注意对锚杆的保护，防止振动棒破坏锚杆外防护层，混凝土浇筑过程中，每浇筑一层便复核测量一次锚杆顶部中心坐标，若有变化，及时通过定位梁上设置的调整装置进行调整。

3.2.2 T1节段吊装及调整

 T1节段重152. 4t，采用400t浮吊和专用吊具吊装。为方便T1节段位置调整，事先在T1节段四周焊接调位反力牛腿，并在塔座上纵、横、竖3个方向设置液压千斤顶，如图2所示。

 T1节段穿人28根锚杆后先落到塔座上布置的三向千斤顶上，然后利用液压千斤顶对T1节段进行精确调整，并利用抄垫钢板和抄垫楔形块进行固定。待精调到位后进行体系转换，同时拧紧锚杆张拉螺母进行固定。

3.2.3钢-混结合面施工

 为确保传力可靠，钢塔与混凝土塔座结合段应做到密实、密贴，目前结合段的施工方法大致有3种：预埋承压板法、混凝土底座打磨法和承压板后压浆法。相比而言，承压板后压浆法具有施工方便、施工工期短且质量易保证的特点。

 后压浆具体工艺为：①压浆孔对称布置在承压板最低处的侧面位置。出气孔以一定间距布置于整个承压板表面及塔座最高处，承压板表面的出气孔用以排除区域内空气，保证浆液密实及观察浆液质量。承压板最低处侧面位置对称布置2个排水孔，用以在压浆前排除区域内积水。②压浆前将T1节段与塔座之间的空隙四周用∠100进行封堵。压浆材料采用具有高强度、自流平、无收缩性能的水泥浆，压浆方向从低往高，用压浆泵将M50水泥浆缓缓压入T1节段底板与塔座之间，直至所有出浆管均出浓浆为止。承压板最低处的2个主压浆孔焊接ϕ40mm钢管作为压浆孔道，并配置阀门，压浆机缓慢、匀速压浆，待出浓浆后，由低向高处依次关闭。③压浆后通过承压板上的出气孔和侧面检查压浆密实程度，并通过铁锤敲击声判断是否出现“空鼓”。

3.3 T3节段及上横梁吊装技术

3. 3.1  T3节段分块吊装

 T3节段原为一个整体节段，重达392. 6t，计划采用1000t浮吊吊装。经调查，1000t浮吊最低航行高度约25m，但吊装时长江水位已开始上涨，经计算浮吊已无法通过武汉长江大桥（通航净高18m）。经研究并经设计单位同意，将T3节段在工厂沿纵向切割为2块制造，分块运到现场后，直接采用D5200塔式起重机（力矩52000kN-m）进行吊装，最后在现场将2块T3予以焊接。

 因涉及T3节段合龙，吊装前，先在2号中塔下横梁顶塔设T3节段分块拼装的支撑架和千斤顶。然后用D5200塔式起重机先吊装武昌侧T3~1块（重208. 0t），后吊装汉阳侧T3~2块（重184. 6t）。2块T3初步对位完成后，通过调节装置和竖向管桩调整支架上的千斤顶对其进行精确定位，如图3所示。

 通过上述调整装置，使T3节段底口和T2节段顶口对接缝处无错台，同时确保两块T3顶口对接处无错台，然后在T2与T3接缝处利用临时拼接板对2块T3节段进行固定。2块T3经精确调整后进行工地焊接，并考虑焊接余量和变形问题。

3.3.2上横梁无支架悬臂拼装

 上横梁分2节段吊装，采用无支架悬臂拼装技术，节约了拼装支架，如图4所示。

 其主要步骤为：①先利用D5200塔式起重机完成上横梁短节（下游侧，长11. 99m）节段吊装（先吊装短节，主要是减少悬臂端挠度）；②根据钢塔的变位情况，在横撑M4上施加主动力，通过有限元计算软件MIDAS模拟上横梁吊装工况，计算得到在M4横撑处施加1440kN对顶力时上横梁合龙口处位移为20. 8mm，满足上横梁合龙口吊装净宽要求；③最后完成上横梁长节（上游侧，长15. 99m）节段吊装。

4钢塔制造及安装线形控制

4.1  工厂制造精度控制

 钢塔制造精度是保证钢塔安装线形的前提和基础，是线形控制体系最核心的部分。

 钢塔柱节段端面的机加工，又是确定钢塔柱每个节段成型尺寸及确保全部钢塔节段组装后整体线形的关键技术之一。根据钢塔架设精度要求，节段加工精度要求为：机加工后构件长度±1mm;平面度≤0. 08 mm/m，0.25 mm（全平面）；垂直度≤1/10000（纵横向）；表面粗糙度Ra=12.5μm。

 基于上述钢塔节段的外形尺寸以及加工制造的精度要求，采用大型落地镗铣床完成断面加工工作。另外，采用API高精度的激光跟踪测量系统（简称“跟踪仪”）完成加工前画线及加工后的测量检测工作，采用计算机控制的数控液压控力系统结合跟踪仪对节段进行找正调整。

4.2工厂预拼方案

 钢塔预拼装是制造精度和桥位安装精度的联系纽带，预拼装主要为检查钢塔柱接口的匹配情况、金属接触情况、钢塔柱线形、配置节段间连接拼接板以及两节段的拼装长度。为确保钢塔安装线形，以及T3节段顺利合龙，在节段端面机加工完成后，对节段进行“1 +1”立式或卧式预拼。其中，T1~T4，T14~ T15和上横梁采用卧式预拼，其余采用立式预拼。①卧式预拼时，在预拼场地中根据线形及理论尺寸标记永久地标点。节段卧拼以预拼场地中永久地标点定位，在调整对位完毕后进行配孔施工。转运前在胎架上对节段刻画测量标记点，便于现场吊装施工。②立式预拼时，匹配台座实际是能同时承受两节钢塔节段自重的平台，它的支撑平面精度很高（平面度误差≤0. 25 mm），胎架周围装有操作平台和防护栏杆。使用250t门式起重机主要用来完成节段立式匹配作业中的吊装和解体。

4.3  现场安装线形控制

 1)普通接头  即磨光顶紧接头，其最大的特点在于在施工现场能很好地还原厂内的预拼状态，因此结合这一特点，在节段对接轴线上设置了4个定位销，待钢塔节段起吊至理论位置后，通过定位销的设置，很好地固定了钢塔节段的平面位置，快速完成了钢塔节段的定位。

 2)调整接头  在J1~J3调节接头位置设置调整装置，调整装置由调位牛腿及限位板组成。可以方便调节节段的标高和水平位移，对相对位置实行精确调整。根据塔柱最大倾斜度限值< 1/4000的目标（即最大轴线偏差为26. 4mm），经过计算机提前预判和模拟分析，将J13调整接头上游加垫片调整2.5 mm、下游加垫片调整2.3mm，经过现场实际测量，后续钢塔T14，T15安装到位后，有效控制了钢塔节段的线形，最终钢塔顶偏位< 25mm，倾斜度满足设计和规范要求。

5  结语

 武汉鹦鹉洲长江大桥2号中塔为国内首次采用纵向人字形钢-混叠合塔，具有设计新颖、施工规模大、技术复杂等特点。该塔于2012年5月20日吊装首个钢塔节段，于2012年11月26日顺利完成上横梁吊装，经统计纯吊装时间为113h，平均每2.97h吊装1个节段。在该塔施工过程中有以下几点体会：

 1)下塔柱底节3m与承台混凝土一起浇筑，并采取低水化热混凝土配合比、布置冷却水管等综合防裂控制措施，有效解决了塔柱根部易出现裂纹的问题。

 2)长距离模板拉杆通常采用加大拉杆截面积以减少变形量，本工程采用钢绞线作为模板拉杆，并在混凝土浇筑过程中动态张拉是一次成功的尝试。

 3)本桥钢塔最大节段重208t，采用D5200平臂式塔式起重机、400t浮吊等大型起重设备吊装，达到了钢塔快速吊装的目的。T3节段根据起吊设备分成2块吊装后在现场焊接成整体，上横梁分2节采用无支架悬臂拼装技术，均取得了良好效果。

 4)通过设置锚杆定位支架和T1节段调位三向千斤顶，确保T1首节段精确定位，为钢塔线形控制奠定了基础；对于钢一混叠合段，采取后压浆工艺措施，既方便操作，又能保证钢一混结合面密实、密贴，传力可靠。

 5)本工程中建立了“钢塔安装精度控制系统”，结合工厂预拼和现场实测数据，提前预判和及时调整安装线形，最终钢塔线形满足设计和规范要求。