千米跨公铁两用斜拉桥超高主塔施工关键技术

张文斌

(1.中铁大桥局集团有限公司 武汉 430050； 2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室 武汉 430034)

借着国家大量投资基础建设的东风，国内桥梁建设的发展日新月异，自2009年天兴洲长江大桥建成至2019年年底，大跨度公铁两用斜拉桥跨径就已突破千米大关。随着跨度的增大，斜拉桥主塔高度随之不断攀升[1-5]，塔柱受力、轮廓尺寸成倍增加，主塔的施工难度也在相应加大。汇总近10年建成(在建)大跨度公铁两用斜拉桥主要参数见表1。本文以在建沪通长江大桥为例，对大跨度公铁两用斜拉桥超高主塔施工关键技术进行总结介绍。

表1 近10年建成(在建)大跨度公铁两用斜拉桥

1 工程概况

沪通长江大桥(以下简称沪通桥)位于江苏省，大桥北岸为南通市，南岸为张家港市，主桥为双塔斜拉桥，孔跨布置：142 m+462 m+1 092 m+462 m+192 m=2 300 m，是世界上主跨首次超越千米级的公铁两用斜拉桥，上层布置六车道高速公路，下层布置四线铁路。

沪通桥主塔高320 m(塔座以上高度)，为钢筋混凝土结构，塔座采用C50混凝土，塔身采用C60混凝土。下横梁以上塔柱呈倒Y形，下横梁以下塔柱内收为钻石形，主塔结构见图1。上塔柱采用八边形截面，中塔柱由上塔柱八边形渐变至六边形，下塔柱为单箱双室的六边形截面，主塔各部位截面尺寸见表2。主塔上塔柱120 m范围为索塔锚固区段，4号～36号斜拉索采用钢锚梁作为斜拉索锚固结构，钢锚梁三维示意图见图2，钢锚梁水平放置于上塔柱内侧钢牛腿上，承受斜拉索水平力，竖向间距从上到下依次为26×2.8 m，2×3 m，2×3.2 m，2×3.4 m。1号～3号斜拉索直接锚固于中、上塔柱交汇处实心段上。

表2 主塔各部位截面尺寸 m

图1 主塔结构(单位：m)

图2 钢锚梁三维示意图

2 主塔施工总体方案

塔柱总高320 m，分为55个节段施工，标准节段高6.0 m，内外模板均采用爬模，为确保塔座与下塔柱连接处混凝土质量，防止截面突变出现收缩裂缝，塔座浇筑完成后，即施工下塔柱底部1.0 m左右高度，缩短下塔柱与塔座混凝土浇筑间隔。下塔柱底部1.0 m以上至横梁底范围分7个节段，下横梁与对应高度的塔柱一起分2层施工，中塔柱24个节段、上塔柱22个节段。下横梁采用落地钢管支架施工，中上塔柱交汇段采用“不落地支架+预埋爬锥牛腿”的方式施工。上塔柱索塔锚固区钢锚梁利用大吨位塔吊分批次安装。塔柱钢筋由型钢焊接的劲性骨架进行定位，劲性骨架在车间分片加工，运输至桥位后，由塔吊分片吊装；钢筋接头采用滚轧直螺纹机械连接。主塔C60高性能混凝土由水上固定式混凝土工厂泵送，下横梁施工时由水上固定式混凝土工厂和2艘“海天号”搅拌船同时供应。

3 主塔施工关键技术

3.1 塔吊配置

沪通桥主塔体量巨大，塔柱混凝土工程量达61 899 m3，钢筋质量约10 000 t。主塔施工用的钢筋、劲性骨架、横撑、支架等构件的吊装均需依靠塔吊，根据上、中、下塔柱各部位工程量的大小，按阶段配置相应能力的塔吊，塔吊配置见表3、下横梁及下塔柱施工现场照片见图3、中塔柱施工现场照片见图4、上塔柱施工现场照片见图5。

表3 塔吊配置

图3 下塔柱及横梁施工现场照片

图4 中塔柱施工现场照片

图5 上塔柱施工现场照片

该桥上塔柱4号～36号斜拉索钢锚梁需整节段安装，最大重量约850 kN，为解决其吊装问题，巧妙利用了中塔柱内倾的结构特点，在中上塔柱交汇段附近设置支承托架作为2 700 t·m塔吊的基础。将塔吊完全设置在塔身上，区别于塔吊基础放在承台上的方案，将钢锚梁吊装幅度由34.4 m缩短至17.2 m，减小塔吊起重力矩约50%，同时还减小了塔吊本体的高度及附墙的设计长度，仅此一项，就为该项目节省施工成本上千万元。由于2 700 t·m塔吊是附着在200 m高度的塔身上，其本身需要另外的吊机进行安装，为此在主塔横桥向的另一侧设置了1台1 500 t·m塔吊，负责2 700 t·m塔吊的安装及拆除。2台大型塔机的起重能力由超重构件的吊装要求决定，此外也要兼顾其它构件的竖向运输或安装，该桥29号墩采用塔梁同步施工，主塔未封顶不能设置塔顶吊架，因此，斜拉索的塔端挂设也需要2 700 t·m塔吊的辅助。

3.2 下横梁分层浇筑

由于主塔下横梁规模较大，为减少单次混凝土浇筑量，下横梁分2层(8 m+6 m)进行浇筑。下横梁施工采用落地钢管支架，第一层混凝土浇筑高度8 m，根据监控计算，第一层混凝土达到强度后张拉18束钢绞线，再浇筑第二层混凝土。下横梁和同一高度范围内的塔柱同时浇筑，2层混凝土浇筑方量分别为6 637，4 997 m3(均含塔柱)，为避免出现冷缝、色差等质量病害，保证混凝土的浇筑质量，混凝土的初凝时间调整为30 h。

下横梁支架由钢管立柱、牛腿、砂筒、纵横向分配梁及底模组成。下横梁支架立面布置见图6。

图6 下横梁支架立面布置(单位：cm)

支架立柱顺桥向布置4行，横桥向布置5列，共20根，其设计原则是：①立柱受力尽量均匀；②适应横向分配梁“以直代曲”转折点的布置；③浇筑第二层混凝土时立柱与第一层混凝土之间的荷载分配，需保证已浇筑横梁结构应力满足要求；④下塔柱施工时可以同步进行横梁支架的安装，即保证立柱结构安装时与塔柱内侧爬模不冲突。

根据计算，第二层混凝土浇筑传递至支架的荷载仅占该次混凝土自重的12%；第一层已浇筑横梁底板最大拉应力0.64 MPa，发生在横梁跨中；横梁与塔柱交界处腹板顶面出现最大拉应力0.8 MPa，混凝土应力满足要求。

下横梁混凝土自重约1.4×105kN，支架承受2次浇筑的荷载合计7.6×104kN，仅为总重的54.3%，由此可见，混凝土分层浇筑充分利用已浇筑混凝土的强度，有效降低了支架承受的荷载。

3.3 中塔柱横撑

中塔柱内倾角度约81.118°，为控制施工过程中的应力及线形，使其悬臂浇筑过程中在塔柱自重及施工荷载作用下不出现结构裂缝并具备足够的安全储备，在中塔柱相应高度布置4道水平横撑，中塔柱横撑布置见图7，并进行主动预顶。横撑预顶力在有限元模型中采用单元温度进行模拟；单塔柱顶端施工荷载包含内外爬模、人群荷载、劲性骨架及钢筋自重等，共计约4.4×103kN，按集中荷载考虑。因塔柱自身刚度较大，顶推产生的塔柱横桥向位移一般较小，水平横撑预顶力的确定遵循“内力控制为主，变形控制为辅”的原则[6-7]。

图7 中塔柱横撑布置(单位：m)

根据中塔柱施工阶段计算分析结果，第一道横撑预顶力3.2×103kN，第二道横撑预顶力1.8×103kN，第三道横撑预顶力3.8×103kN，第四道横撑预顶力3.2×103kN，施工过程中，中塔柱塔根处截面最大应力0.42 MPa，满足混凝土应力要求；4道横撑为压弯构件，最大轴向力发生在高温工况，其大小由下往上依次为：14 548，13 518，13 466，11 328 kN，每道横撑均由2根钢管组成，钢管直径为1.2 m、壁厚20 mm、材质Q345B，单根构件最大吊重约200 kN，由1 500 t·m塔吊负责其安装，待中上塔柱合龙后拆除。

3.4 中上塔柱交汇段施工

交汇段分节施工高度6.0 m，顶高程+218.0 m，距下横梁顶面达150 m，采用不落地支架现浇施工。交汇段施工支架示意见图8，支架由承重牛腿、垫梁、对拉分配梁、支撑排架及底模组成，设计总重648 kN。支撑排架顺桥向共15道，间距1.0 m。为减少高空作业风险，同时考虑1 500 t·m塔吊的吊重能力，将支撑排架与底模一体化设计，并分成3块加工，单块最大重量192 kN，吊装到位后各分块之间通过底模加劲肋上的螺栓连接固定形成整体。

图8 交汇段施工支架(单位：高程，m；尺寸，cm)

每道排架均通过设置在两侧塔肢上的牛腿将荷载传递至已浇筑主塔节段上。交汇段支架支承牛腿结构见图9，单个牛腿最大反力528 kN，通过6个预埋爬锥M42/D20固定在塔身上，方便拆装、有利于高空作业，能够有效控制受力结构的施工质量。

图9 交汇段支架支承牛腿结构(单位：mm)

3.5 钢锚梁施工

钢锚梁组件由受拉锚梁、锚固构造(钢牛腿)组成，在钢结构制造基地采用“零件→单元→整体→组拼→节段预拼”程序生产制造，钢锚梁经过“2+1”节段共16轮次立式预拼后，整节段运输至桥位处，使用1 500 kN浮吊吊装至承台南、北侧两侧钢锚梁存放区内，然后根据上塔柱施工节段使用2 700 t·m塔吊分批次定位安装，钢锚梁吊装现场照片见图10。首节钢锚梁为基准节段，必须利用定位调整装置进行精确定位，其安装需要重点预控钢牛腿预埋壁板的高程、平面位置，以及壁板之间的相对高差。后续节段则以首节钢锚梁为基准，根据主塔分节分批次安装，每批次安装1个或者2个节段。

图10 钢锚梁吊装现场照片

由于钢锚梁制造及安装的倾斜度不可避免地会存在偏差，随着锚梁的不断接高，预偏差逐渐累积加大，因此，当锚梁安装到一定高度后必须进行纠偏[8]。根据现场锚梁和安装批次，在每批中设置一层纠偏垫板，在钢锚梁分组对接牛腿位置进行设置。钢锚梁制造时，将每个垫片上侧钢锚梁的高度相应减小，使垫片厚度与减小后钢锚梁高度的和同原设计钢锚梁高度相等。在一批锚梁安装定位前，测量锚梁实际倾斜情况，根据实际测量数据确定调整值，对垫板进行切削，并随下批钢锚梁一起安装。

钢锚梁与钢牛腿整体安装过程中需严格控制锚固点位置、高程、轴线偏向、面板垂直度偏差，做到安装前的精确放线定位、过程连续微调、完成后安装精度复测，保证安装精度符合设计要求，钢锚梁与钢牛腿整体安装精度要求见表4。

表4 钢锚梁与钢牛腿整体安装精度要求

3.6 黏度改性材料的应用

沪通桥主塔高达320 m，为减轻自重采用高标号C60混凝土，最大浇筑高度超过330 m，对混凝土泵送工作性能要求很高。

通过TK-MP型黏度改性材料的应用，对超高泵送混凝土配合比进行优化[9]。首先，黏度改性材料发挥了微细活性填料效应，降低了孔隙率，提高了胶凝材料水化产物的致密程度，显著改善了混凝土的孔隙特征，确保了掺黏度改性材料、低胶凝材料混凝土的力学性能和耐久性；另一方面，由于黏度改性材料的高胶凝活性，塔柱单方混凝土胶凝材料掺入质量降低近40 kg，混凝土绝热温升降低6 ℃，开裂温度降低近7 ℃，混凝土收缩值降低10%，显著降低了塔柱用C60高性能混凝土的开裂风险；最关键一点在于，黏度改性材料发挥了物理滚珠填充效应，使混凝土拌合物的塑性黏度降低了39%～47%，在不增加泵压的条件下，混凝土排量可提高15%，显著提高了混凝土的可泵性。

该桥主塔施工最终采用“一级泵送，一泵到顶”的方案，选取2台三一HBT9035CH-5D型拖泵，泵送设备技术参数见表5，泵管为直径125 mm高压泵管，附着于塔柱侧面，上下游塔肢交替施工，每个塔肢布置2台分料器进行布料。主塔施工中高度200 m以上部位，泵压为18～20 MPa的条件下，单泵实际效率可达到理论输出量的40%～45%，实施效果良好。

表5 泵送设备技术参数

3.7 超高塔线形控制

高塔施工需要确定塔柱在各种状态和时间段的变形情况。当塔柱施工高度超过下横梁时，每隔50 m高度埋设1组棱镜，选择天气晴朗，昼夜温差大的时间，进行36 h连续观测，观测频率为1次/2 h，同步测量大气温度、塔柱四面温度、日照方向、风向等环境因素，绘制纵横桥向的变形曲线，确定塔柱“零变形”状态时棱镜的坐标值和观测时间。

在中上塔柱施工过程中，塔柱施工高度每增加 50 m 时，在塔柱“零变形”状态时间段，采用全站仪天顶测量方法进行一次基准传递测量，测量复核塔柱实际竣工位置偏差，根据测量结果，调整后续塔柱节段施工测量定位。

4 结语

沪通长江大桥是世界上首座主跨超越千米级的公铁两用斜拉桥，该桥大跨重载的特点使其主塔规模也达到了一个新的高度。通过多台大吨位塔吊的组合配置，解决了320 m高主塔钢筋及劲性骨架、中塔柱横撑、85 t钢锚梁等构件的吊装问题，并通过下横梁分层浇筑、合理布置中塔柱横撑、一体化交汇段支架、钢锚梁整体制造安装等一系列技术及措施的应用，保证了主塔施工的顺利进行，尤其是黏度改性材料的应用，改善了C60高性能混凝土的可泵性及抗裂性能，以及超高塔线形控制技术，都为今后300 m以上超高主塔的施工提供了有力的借鉴。