赤水河大桥索塔快速建造关键技术研究

聂 东，李清培，陶 龙，邓亨长，徐国挺

（1.四川公路桥梁建设集团有限公司，四川 成都 610000；2.四川路桥华东建设有限责任公司，四川 成都 610200）

1 工程概况

赤水河大桥主桥为主跨1200 m双塔钢桁梁悬索桥，索塔为门式框架结构，包括塔冠、塔柱、上横梁和下横梁，如图1所示，塔柱总高度233 m。塔柱标准尺寸8 m×6 m，下横梁顶面处塔柱9 m×7 m塔柱底12.6 m×10.6 m。桥面以上塔柱壁厚1.0 m，下塔柱壁厚1.2 m。横梁采用箱形断面，为全预应力混凝土结构。上横梁长21 m，截面11 m×6 m，顶、底、腹板壁厚1m。下横梁长29.5 m，腹板斜率同下塔柱顺桥向斜率，顶宽7 m，底宽7.36 m，高9 m，顶、底和腹板壁厚1 m，设置2道隔板，隔板厚1 m。

图1 索塔立面图（单位：m）

2 索塔施工方案

2.1 塔柱总体方案

塔柱采用塔吊和电梯配合液压爬模施工，内外模采用整体大块面组合模板。其中塔吊为2台F0/23B附着式塔吊，电梯为2台SC200型施工电梯。

液压爬模节段高度关系到施工循环次数及工期。目前国内4.5～6 m高节段是主流，武汉天兴洲公铁两用长江大桥[1]、苏通大桥[2]等采用4.5 m高节段，安庆长江铁路大桥[3]、黄冈公铁两用长江大桥[4]等采用6 m高节段。另外已有学者开展6.5 m节段研制，甚至提出9 m节段的设想。笔者认为，当液压机械性能满足时，节段高度会影响主筋、劲性骨架长度划分和人员的作业环境。非主流节段虽然高度大，但配套施工的主筋需定制，成本高；同时配套的劲性骨架高度大、重量重，定位困难。此外在封模浇筑混凝土时，人员需在模板内振捣施工，作业环境恶劣。因此主流节段高度相对较好。

该工程塔柱若采用4.5 m节段，节段数为55；若采用6 m节段，节段数为41，节段数少，施工循环次数低，工期短。因此塔柱采用6 m节段，如图2所示，同时配套12 m劲性骨架、12 m主筋施工，安装一次劲性骨架和主筋，爬模可爬升2次。

图2 索塔节段划分及主动横撑

2.2 塔梁异步及主动横撑配套施工

索塔施工可分为塔梁异步和塔梁同步。国内采用塔梁异步的有九江长江公路大桥[5]、厦漳跨海大桥[6]等；采用塔梁同步的有武汉二七长江大桥[7]、安庆长江铁路大桥[8]等。表1从质量、成本、工期、安全、施工组织等方面权衡了两种工艺利弊。

表1 塔梁同步与异步施工对比

塔梁异步最大优势是工期短，利于总体工期控制。在合理布置爬模轨迹的前提下，整个爬模系统可达到只进行1次整装整拆，降低高空施工爬模多次转换的风险。考虑大桥工期紧，索塔采用塔梁异步施工。

塔柱向内倾斜，施工中处于单悬臂状态，若无辅助措施，塔柱根部混凝土可能出现拉应力。为改善这种受力不利影响，需设置主动横撑来调节塔柱受力状态。在塔柱之间设置5道主动横撑，如图2所示，并施加顶撑力，主动横撑采用两根 820mm×10 mm钢管，同时在塔内部对应主动横撑位置安装被动横撑。

2.3 横梁现浇支架方案比选

（1）下横梁

索塔下横梁现浇支架一般采用落地支架和空中附壁支架，如图3所示。赤水河大桥索塔下横梁支架由钢管支架体系和底模系统组成。钢管支架体系包含钢管立柱和平联钢管；底模系统包含支架顶分配梁、顺桥向分配梁、贝雷梁、钢板等。

图3 下横梁现浇支架

表2从安全性、质量管控、工期、造价等方面对两种支架进行比较。落地支架，用钢量大，工作量大，工期长，成本高，施工风险高，且支架拼装占用塔吊时间长，对生产不利。因此，下横梁现浇支架选用空中附壁支架。

表2 下横梁现浇支架施工对比

（2）上横梁

上横梁底距下横梁顶达130.5 m，若上横梁采用落地支架支撑在下横梁顶施工，支架结构庞大，施工风险高，工期长，成本高。但若上横梁现浇支架与下横梁共用同一套材料，即可节省成本，又能缩短工期。因此上横梁现浇支架也选用空中附壁支架。

3 索塔施工可行性验证

3.1 索塔施工过程仿真

施工步骤如图4所示：（1）0～12#节段施工；（2）安装第1道主动横撑；（3）施工至21#节段，同时安装下横梁现浇支架，安装第2道主动横撑；（4）施工至27#节段，同时进行下横梁施工，安装第3道主动横撑；（5）塔柱封顶，拆除第1道主动横撑及下横梁支架，同时安装第4、5道主动横撑；（6）安装塔顶门架，同时安装上横梁现浇支架；（7）吊装索鞍等上部施工，同时进行上横梁施工；（8）拆除主动横撑及下横梁支架。

图4 索塔施工流程

采用有限元软件MIDAS/Civil对施工过程进行仿真，如图5所示，构件用梁单元模拟，边界条件为：塔底固结，主动横撑与塔柱采用刚性连接。

图5索塔有限元模型

结果表明，整个施工阶段塔柱无拉应力，最大压应力4.74 MPa，出现在所有支架拆除后，位于高度约75 m处；所有支架拆除，塔顶最大横向位移4.965 mm，塔柱最大横向位移8.419 mm，位于距离下横梁约55 m处。塔柱封顶后，上横梁施工与上部结构同步施工，如塔顶门架安装、主索鞍吊装等。为验证施工可行性。选择最不利工况，塔柱仅依靠下横梁和4道主动横撑相连，单幅吊装主索鞍（重量50 t，距离塔顶中心10 m）。结果显示，塔顶最大位移4.95 mm，没有拉应力。分析结果满足《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50—2017）[9]要求。

3.2 空中附壁支架验算及静载试验

空中附壁支架验算采用有限元软件MIDAS/Civil进行，如图6所示。钢板采用板单元，其他构件采用梁单元模拟。贝雷梁为16 Mn钢，其余钢材为Q235。边界条件为支架与塔柱固接。贝雷梁容许弯曲应力取1.3×210=273 MPa，容许剪应力1.3×120=156 MPa。Q235钢材强度容许值参照《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）[10]取值。刚度容许值参考文献[9]取值。稳定性方面要求结构临界荷载系数＞5。分析结果见表3，表明支架满足施工需求。

图6空中附壁支架有限元模型

对支架进行静载试验，消除支架非弹性变形，为设置支架预拱度提供实测值，同时检验安全性能。试验时，按荷载的50%、75%、100%、110%分级加载及卸载，每级加载及卸载完成后测量支架变形，根据实测弹性变形值计算预拱度，对支架进行预抬高设置。

表3 支架仿真分析结果

以下横梁空中附壁支架静载试验为例，将静载实测值与仿真分析值对比，如图7所示。结果显示，下横梁支架跨中最大挠度值20 mm，弹性变形量10 mm，非弹性变形量10 mm。实测弹性变形值与理论值吻合较好，验证了支架安全性。

图7 支架静载试验值与仿真值对比

4 索塔施工关键技术

4.1 高性能混凝土研制及施工

索塔高度大，壁厚，钢筋密集，混凝土强度高，对混凝土性能要求较高：兼具大流动度、低泌水、高强、低收缩、高抗裂性和外观质量高。对此提出3条针对性技术措施。

4.1.1专用低含气量、超分散减缩、高保坍调黏型聚羧酸减水剂

（1）在聚羧酸减水剂大单体中接枝和剪裁超分散基团、保坍基团，提高其超分散保坍性能；

（2）在具有减水功能的大单体中引入具有减缩功能的官能团，提高其减缩性能；

（3）采用聚醚类消泡剂和双子表面活性剂型引气剂，提升混凝土工作性和外观质量；

（4）通过控制用水量、掺入利用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保水增粘剂，抑制混凝土离析泌水和粉煤灰上浮。

4.1.2 基于密实骨架堆积的索塔低热高抗裂高抛机制砂混凝土配合比设计

混凝土配合比设计核心思想是：使胶凝材料和集料达到最紧密堆积状态，降低水泥和胶凝材料用量，配制高流动性、低热高抗裂高抛机制砂混凝土。

如图8所示，通过试验获得混凝土配合比设计值，水泥∶粉煤灰∶砂：石∶水=367∶147∶736∶1058∶147。表4为设计配合比混凝土性能，可见制备的混凝土初始工作性能能够达到《自密实混凝土应用技术规程》（JGJT 283—2012）规范[11]中SF1等级，各项性能指标满足设计和施工要求。

图8 混凝土性能测试

表4 设计配合比混凝土性能参数

4.1.3 机制砂高抛自密实混凝土泵送施工质量控制措施

4.1.3.1 对施工原材料控制

（1）粉料：进场前，性能测试，各项指标严格满足相应规范及项目前期配比试验要求。矿物掺和料应置于阴凉、干燥处，勿受潮。

（2）细集料：机制砂中的石粉对外加剂吸附量大，石粉含量高会降低混凝土工作性能，影响抗压强度，本项目通过配合比优化设计和专用外加剂，可放大机制砂中石粉含量限值，但仍应限制石粉含量在10%以内，MB值＜1.4。

（3）粗集料：粗集料粒型应尽量规整，粗集料的骨架堆积和自身强度对混凝土强度影响显著，因此，粗集料要严格检测其针片状含量和压碎值。

4.1.3.2 施工过程质量控制：

（1）拌合前应检测集料含水率，每2 h复测1次，并依据实际含水率调整砂石及用水量，机制砂混凝土拌合时间宜≥150 s。

（2）混凝土在出拌合站及运送到现场均应进行检测，确保混凝土符合泵送要求，混凝土罐车运输至浇筑现场，应高速搅拌30～60 s，然后将拌合物卸出。

（3）浇筑时采用串筒控制下料高度小于2 m。

4.2 钢筋安装新工艺

4.2.1 主筋“帘式吊装”

塔柱主筋直径Φ36 mm，长度12 m，单根重量95.96 kg，最大截面处294根，标准截面处174根。主筋采用机械连接套筒接长。

现阶段在常规起吊设备下，高塔钢筋传统工艺是借助“钢兜”进行，如图9所示，10～15根绑扎成捆→塔吊提升至操作平台→人工逐根搬运至对应位置→完成安装。传统工艺需人工二次搬运，作业强度大，安装效率相对低。

图9主筋借助“钢兜”安装

将主筋安装优化为单侧主筋利用塔吊整体吊装。根据主筋自重、间距设计出专用吊具，如图10所示，吊具由主分配梁、连接板、钢绳和卸扣组成。主分配梁选用型钢。钢绳选用符合吊重要求。根据主筋直径Φ36 mm，连接套筒外径Φ53 mm，及《一般起重用D形和弓形锻造卸扣》（GB/T 2584—2010）[12]，卸扣选择U型内径40 mm卸扣。

图10主筋“帘式吊装”

表5为传统工艺与“帘式吊装”工效对比。“帘式吊装”具有单次钢筋起吊数量大、工效高、作业人员数量少和劳动强度低等优势。

表5主筋“帘式吊装”与传统工艺对比

4.2.2 箍筋“整体安装”

塔柱箍筋标准间距15 cm，6 m节段范围内共有40层。传统施工是施工人员逐根安装，效率低，劳动强度大，且悬空作业时间长。将箍筋传统“单根安装”优化为“整体安装”。即将单侧箍筋在地面按设计间距组装成型，采用塔吊整体提升安装，如图11所示。

图11 箍筋“整体安装”

根据文献[9]，先对箍筋重新配筋，确保箍筋连接接头间距满足要求；然后在组装平台上作好标记线；将箍筋按标记线摆放，用三根连接钢筋将箍筋逐根进行焊接，形成整体；最后整体安装。

箍筋“整体安装”，作业人员抬升安装频率减少，悬空施工风险降低；同时箍筋安装质量更有效保障。根据实施结果，箍筋“整体安装”工效比常规工艺提高近1倍，赤水河大桥索塔施工现场如图12所示。

图12 赤水河大桥索塔施工

5结论

以赤水河大桥索塔建造为工程背景，详细介绍了索塔建造的关键技术。采用6 m节段液压爬模、塔梁异步及主动横撑配套施工工艺，并利用有限元数值仿真技术，论证了该工艺的可行性。同时，横梁采用空中腹壁支架现浇施工，节省了支架用钢量，缩短了横梁施工周期，减少了占用塔吊的时间，提高了空间交叉施工的安全性；高性能混凝土的成功应用，以及钢筋安装新型工艺的实施，极大提高了索塔的建造质量和建造效率。上述施工工艺，实现了塔柱施工是整座索塔建造的唯一关键工作的成效，并实现了233 m索塔仅用8个半月完成。此外，该工程并没有采用特制的施工设备，均是在常规设备下进行的，因此该工艺在高墩建造方面具有极大的推广价值。