武汉二七长江大桥4#主塔横梁施工关键技术

李伟    陈宁贤    李璘琳

摘  要：介绍了二七长江大桥4#主塔横梁浇筑施工方案的比选，着重介绍了施工中采用的新工艺、新技术。
关键词：方案比选  整体吊装  边支点  预应力  新工艺
1  概况
武汉二七长江大桥主桥为三塔双索面斜拉桥，4#主塔为三塔斜拉桥的中塔，采用“花瓶形”混凝土结构，承台以上塔高209m。塔柱按外形从下至上可分为下塔柱、横梁、中塔柱、上塔柱及塔帽五个部分。主塔横梁设计为空腹的预应力混凝土结构，横梁宽13.0m；横梁直线段其底面标高+49.000m（黄海高程，下同），顶面标高+55.000m，横梁高6.0m；从下塔柱与中塔柱外侧交点处算起，横梁总长48.0m。横梁采用单箱双室（大室）截面，顶、底、腹板厚度为0.8m；两边为适应顶面限位装置的布置，采用单箱四室（小室）截面，与中间空腔以0.6m横隔墙过渡。中间两个大室内腔尺寸为18.2m×5.3m×4.4m，两端四个小室内腔尺寸为4.1m×2.34m×4.4m，各室四周均设有倒角50×50cm。横梁顶面与中塔柱设置倒角1.0×1.0m过渡连接,横梁底面与下塔柱设置倒角3.0×2.0m过渡连接。横梁顶面布置支座垫石及主梁限位装置底板垫块和横向支撑挡块装置。
横梁为预应力混凝土结构，砼等级为C50，梁内纵向（横桥向）设置91束19φj15.2预应力钢绞线束；采用19孔群锚，内径φ100mm波纹管成孔。横梁结构如图1所示：

图1  4#墩横梁结构示意图
2  横梁施工关键技术
2.1  横梁浇筑施工方案比选
4#主塔横梁结构庞大、复杂、自重大，从下塔柱与中塔柱外侧交点处算起，横梁总长48.0m，宽13.0m，横梁段高6.0m，塔柱段高9.0m。相应的技术参数见表1：
表1  横梁技术参数表
底标高（m） 顶标高（m） C50砼（m3） 钢筋（t） 钢绞线（t）
+47.000 +56.000 3191 448.4 92.8
注：表中标高为黄海高程，单位：m
目前国内对于此种横梁的浇筑方法应用较为广泛的有三种：一次性整体浇筑方案、竖直分段浇筑方案及水平分层浇筑方案三种。
2.1.1  一次性整体浇筑方案
整体浇筑可减少混凝土接缝及横梁钢筋的接头数量，且钢筋施工较为简单，可加快施工进度。但是由于混凝土方量大，施工时间长，当浇筑横梁上部混凝土时，横梁底板混凝土已凝固，此时由于下塔柱是外倾结构，垂直于塔身的自重分力会使横梁底板产生拉应力，从而导致凝固的底板混凝土产生开裂。而且整体浇筑施工所需模板用量较大，施工困难，加大了施工成本。
2.1.2  竖直分段浇筑方案
这是公路部门用的比较多的一种方案，其方法是在横梁与主塔交界处的根部将横梁截断，施工时，先浇筑塔柱，待施工至中塔柱以后，在回头浇筑横梁。分段施工可使塔梁同时施工，互不影响，可加快整体施工进度。而且塔梁分开施工，可避免施工外倾型塔柱混凝土时对横梁底板产生拉应力而导致的底板开裂问题。但是根据4#主塔横梁的结构特点分析，分段浇筑也有以下弊端：
⑴横梁工期与塔柱第7、第8节工期基本匹配，没有塔梁同时施工的工期优势。
⑵横梁结构复杂，在下塔柱与横梁底结合段有3.0×2.0m的倒角过渡连接，中塔柱与横梁顶结合段有1.0×1.0m的倒角过渡连接，而且横梁顶面布置有支座垫石及主梁限位装置底板垫块和横向支撑挡块装置，分段处的钢筋和预应力管道都要切断，加大了此段钢筋及模板的施工难度。公路部门一般的做法是将钢筋连接套留在混凝土面，将导致所有钢筋接头在同一截面上，规范不允许这样操作。
⑶由于横梁处在中下塔柱转角处，爬模在该处本来就需要拆装一次，塔梁分开施工，没有工期优势。
2.1.3  水平分层浇筑方案
横梁、横梁两端上、下部的倒角部分以及相应高度范围内的塔柱一起分二次浇注，标高+47.000m～+56.000m，总高度9.0m。第一次浇注标高+47.000m～+52.000m段，共5m高；第二次浇注标高+52.000m～+56.000m段，共4m高。如图2所示。在下塔柱与中塔柱分节处分层有以下优点：
⑴此处塔身由外倾转变为内倾，塔柱爬模系统需在此处进行一次体系转换，塔柱模板施工不影响横梁模板的施工。
⑵下塔柱第7节、第8节工期正好与横梁工期匹配，塔梁同时施工不会影响整体施工进度。
根据以上分析，对三种方案进行综合比选，最终选用水平分层浇筑方案。此种方案横梁钢筋及模板施工简单，节约成本，不影响整体施工进度。

图2  4#墩横梁分层浇筑示意图
2.2  横梁施工前下塔柱是否对拉
4#墩主塔下塔柱为外倾结构，当横梁施工时，在横梁荷载与下塔柱自重共同作用下，在下塔柱仰角柱脚位置将产生拉应力。由于下塔柱柱脚结构尺寸庞大，为16m×12m,通过设计院计算得出此处拉应力很小，且塔身变形也很小，可忽略不计，故不需要在横梁施工前将下塔柱进行对拉。为防止在浇筑横梁第二节混凝土时，横梁底板开裂，根据计算，在浇筑横梁第二节混凝土前，需张拉6束横梁底板预应力束。
2.3  横梁承重结构的设计与施工
塔座顶面至横梁底面高35.5m，拟采用钢管柱支架作为横梁施工的的承重支架和施工平台。钢管支架整体结构刚性大、受力明确，施工过程中的压缩变形量很小，几乎不产生其他变形，可有效保证施工完成后横梁结构的线型。
横梁支架由钢管立柱、边支点、钢箱梁和底模系统组成。钢管立柱支承在塔座上，底部与塔座顶预埋件焊接。顺桥向布置三桁，桁间距6.1m；边支点利用拉杆锚固在主塔上；钢箱梁支承在钢管立柱和边支点上，并在倾斜的的立柱顶断开；底模系统由竹胶板、140×140方木、HM588×300分配梁组成，HM588×300分配梁搁置在钢箱梁顶部。横梁支架系统总布置如图3所示：

图3  4#墩横梁支架总布置图
2.3.1 钢管支架的设计
钢管立柱选用φ1.0m×22mm的焊管。立柱间连接系共分两层，除上层连接系上弦横桥向为2[40a外,其余都为2[28b。钢箱梁梁高1.5m，上下翼缘板厚24mm，腹板厚22mm。钢箱梁间连接系为∠75×8角钢焊接的双排桁片结构，桁片高1.2m，排间距1m，共12个连接系。采用ANSYS建立钢管立柱、钢管立柱间连接系、钢箱梁、钢箱梁连接系和HM588×300分配梁整体模型，对支架系统进行受力计算。整体计算模型如图4所示：

图4  4#墩横梁支架整体计算模型示意图
通过计算和分析，钢管立柱、钢管立柱间连接系、钢箱梁、钢箱梁连接系和HM588×300分配梁的强度和稳定均满足要求，结构安全。此钢管支架刚性大，钢管柱柱脚与塔座顶部预埋件焊接牢靠，在横梁施工荷载作用下几乎没有竖向非弹性变形，弹性变形也很小，经设计院与监理单位同意后不需对钢管支架进行预压。
2.3.2  钢管支架的施工
为了加快施工进度及减少现场焊接量，钢管支架的施工采用整体吊装的方法。根据现场浮吊(200t)的起重能力，将钢管支架按横桥向分为4片桁片，其中两片直立柱，两片斜立柱。每片桁片由顺桥向的3根钢管柱及其连接系组成。首先在钢结构车间将单根钢管焊接至设计长度后运至码头，然后在码头1600t驳船上组拼成桁片，组拼焊接完成后运至现场整体吊装。整体吊装如图5所示，吊装步骤如下：
⑴吊装上游侧直立柱桁片，并拉缆风调整柱顶位置；
⑵吊装下游侧直立柱桁片，并拉缆风调整柱顶位置；
⑶焊接两片直立柱间连接系，解除缆风；
⑷吊装下游侧斜立柱桁片，并拉缆风调整柱顶位置；
⑸焊接下游侧直立柱桁片与斜立柱桁片间连接系，解除缆风；
⑹吊装上游侧斜立柱桁片，并拉缆风调整柱顶位置；
⑺焊接上游侧直立柱桁片与斜立柱桁片间连接系，解除缆风。

图5  钢管支架整体吊装图
2.3.3  边支点牛腿的设计与施工 
以往的牛腿设计一般是在塔柱上预埋大型预埋件，然后在其上焊接牛腿，以此作为边支点的支撑底座。此种结构有以下弊端：
⑴预埋件较大，主塔钢筋较密，预埋件现场定位安装较困难；
⑵牛腿既要抵抗竖向荷载产生的弯矩，又要抵抗剪力，本身结构大；预埋件现场焊接工作量大，费工费时；
⑶由于预埋钢板在混凝土表面，此块混凝土的外表修补很难处理，将长期影响混凝土的外观质量。
为了解决以上弊端，此边支点牛腿的设计采用预应力体系，利用事先加载的预应力产生的弯矩来平衡竖向荷载所产生的弯矩，牛腿本身只承载竖向荷载所产生的剪力，此种结构小巧轻便，便于施工。牛腿示意图如图6所示。此结构受力明确，结构简单，施工方便，只需在塔柱相关位置埋设预应力管道及空出牛腿位置。施工中大大减少了现场焊接量以及混凝土外表修补工作，而且对今后混凝土的外观质量没有任何影响。牛腿的施工步骤如下：
⑴在管道中穿φ32预应力钢筋；
⑵安装后锚点，吊装牛腿；
⑶对预应力钢筋进行张拉，根据计算张拉力为40t。
通过以上三步骤，依次完成边支点牛腿的安装。

图6  钢箱梁边支点牛腿示意图
2.4  横梁外模的施工
横梁外模分为两大部分，即塔柱部分与横梁部分。塔柱部分外模由塔柱爬模组成，横梁部分外模需另外制作安装。以下着重介绍横梁部分外模的施工。
横梁部分外模每侧共分为8块，为木模板，面板为δ=18mm维萨板，面板的背面竖直设置H20木工字梁，在木工字梁背面水平设置2［14背肋。为了固定外模，需在每块模板外侧安装两个支撑架支撑，支撑架焊接在横梁支架底模分配梁HM588×300的外挑部分上。支撑架如图7所示：

图7  钢箱侧模支撑架示意图
施工时首先利用HM588×300分配梁的外挑部分搭设施工平台，然后在HM588×300的外挑部分上焊接外模支撑架，待支撑架焊接完成后，首先安装横梁中段的外模，自中间向两边依次安装，最后在横梁与塔柱交接处与爬模合拢。横梁部分侧模施工为一次立模6m。一次立模的原因有二：
⑴横梁侧模有部分利用塔座模板，塔座模板高6m。
⑵省去施工第二节横梁时，拆模装模的步骤，加快施工进度。
注意：为了混凝土外观质量美观，需保持侧模面板的干净。这样就需在浇筑横梁第一节混凝土前将第二层侧模面板用塑料布包裹，以免在浇筑第一节混凝土时，污染侧模面板。
3  结束语
二七长江大桥4#主塔墩横梁施工，通过采用先进的施工工艺和多项有效的技术措施，施工过程十分顺利，保证了设计要求的精度，同时加快了施工进度，仅用一个月就完成了横梁施工，节约了施工成本。其中边支点牛腿的设计是一项十分值得推广的新工艺、新技术。