异型钢(斜拉桥异形拱塔钢混结合段施工关键技术)
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异型钢(斜拉桥异形拱塔钢混结合段施工关键技术)
彭波 吴校全
中铁四局集团第二工程有限公司
摘 要：南京花山大桥主桥为100 m+50 m+100 m斜拉桥，采用纵立面向一侧倾斜的心形钢拱塔，钢混结合段是整个拱塔施工的关键部位。为了保证异形拱塔钢混结合段的施工质量和效率，采用专门设计的组合式钢模板和钢结构制造工艺控制拱塔几何形态；采用定位胎架和手拉葫芦(或千斤顶)对钢混结合段钢结构进行精确定位和调整；采用补偿收缩混凝土，并采取分层浇筑、附着式振捣与插入式振捣结合、易脱空部位压浆等工艺保证钢混结合段混凝土浇筑密实。花山大桥主桥钢混结合段的顺利施工，验证了相关施工技术的可行性。
关键词：斜拉桥;拱塔;钢混结合段;钢结构安装;桥梁施工;
基金：中铁四局集团有限公司科技项目，项目编号2021-06;
随着我国经济和社会的发展，桥梁建设日益重视美学应用，造型优美、气势恢弘的斜拉桥日益受到青睐。索塔造型是增强斜拉桥美感的重要环节，拱塔因曲线优美而在城市桥梁和公路桥梁中得到较多应用。目前已建成的拱塔斜拉桥有数十座，拱塔结构形式多种多样，主要有竖直拱塔(杭州之江大桥)、单斜拱塔(宿迁泗阳大桥)、X形双拱塔(宜兴荆邑大桥)及V形双拱塔(沈阳三好桥);拱面线形以抛物线、椭圆曲线或圆曲线为主，也有网球拍形、蝴蝶形、马蹄形及花瓣形等特殊形状[1,2]。近年来，拱塔斜拉桥在铁路桥梁中也得到一定应用，例如常益长铁路沅江特大桥[3]。因景观造型需要，拱塔斜拉桥的索塔大多采用异形钢结构，在拱脚处设置钢混结合段与混凝土基础相连接。相对于混合梁钢混结合段和一般索塔钢混结合段而言，拱塔钢混结合段呈空间倾斜状态，结构异形，构造复杂，因此施工难度往往较大。
1 工程概况
1.1花山大桥主桥概况
南京花山大桥位于南京市高淳区南部，跨越固城湖，连接湖区两侧的砖墙镇和固城镇，是高淳区环湖线的重要节点。该桥位于旅游线路，景观要求高，主桥设计为倾斜心形拱塔斜拉桥，跨径组合为100 m+50 m+100 m, 立面布置如图1所示[4,5]。
桥塔设计为纵立面向一侧倾斜的心形拱塔，分上拱塔及下拱圈两部分，拱轴线均为空间样条曲线。横桥向分左、右塔柱，两塔柱横向内倾，塔顶设横梁连接，塔柱下部设3道横梁连接。上拱塔、下拱圈及横梁为钢结构，上拱塔、下拱圈与基础台座相交节点为混凝土结构，上拱塔、下拱圈钢结构与混凝土结构之间设置钢混结合段进行过渡。
1.2拱塔钢混结合段构造
上拱塔和下拱圈各设有4个钢混结合段，其基本构造如图2所示，采用钢结构外包混凝土，钢结构和混凝土结构之间通过高强钢绞线和剪力钉共同连接，以保证钢混结合段截面均匀过渡并具有足够的强度和良好的受力性能。上拱塔钢混结合面位置设置60 mm承压板，承压板以上壁板厚32 mm, 加劲肋厚24 mm, 加劲肋与承压板顶紧焊接，以扩散钢塔壁传至混凝土面的压应力；承压板以下壁板厚32 mm, 套在混凝土塔柱外侧，壁板内侧焊接抗剪栓钉，剪力钉直径22 mm, 高200 mm, 使钢结构和混凝土结构连接成整体。承压面上沿断面四周设置预应力钢绞线，以抵抗主塔的纵、横向弯矩。预应力钢绞线上端锚固在承压面以上0.6 m处，通过锚箱与塔壁相连，下端预埋于承台内。下拱圈钢混结合段壁板为板厚24 mm+3 mm的不锈钢复合钢板，加劲肋厚20 mm, 其余构造基本相同。
图1 南京花山大桥主桥立面布置 下载原图
单位：m
图2 南京花山大桥主桥拱塔钢混结合段构造 下载原图
2 拱塔钢混结合段施工特点及难点
斜拉桥采用钢索塔，一般都需设置钢混结合段，如太原摄乐大桥、大榭第二大桥主桥、南京长江第三大桥、泰州大桥等[6,7,8,9]。索塔钢混结合段构造较复杂，截面刚度变化较大，局部传力、受力也较复杂，因此钢混结合段施工难度往往较大，同时也是索塔施工的重点环节[10,11]。花山大桥主桥拱塔钢混结合段施工难点主要有3个方面。
2.1拱塔几何形态控制难度大
花山大桥主桥拱塔断面为带倒角的四边形，采用变截面设计，上拱塔、下拱圈混凝土部分为实心截面，钢结构部分为箱形截面。由于心形拱塔纵向向一侧倾斜，左右两塔柱横向内倾，各拱轴线为空间样条曲线，塔柱表面呈扭转的空间曲面，因此拱塔几何形态复杂，施工控制难度大。
2.2钢结构制造和安装精度要求高
花山大桥主桥拱塔主要为钢结构，钢混结合段是拱塔钢结构部分安装的基础，其安装精度直接影响上拱塔、下拱圈的线形。钢拱塔、钢拱圈节段在工厂内加工制造，经工厂预拼装后运输至现场安装，钢混结合段顶面的空间误差会随着后续钢拱塔、钢拱圈节段安装逐渐被放大。因此，在钢混结合段安装时必须严格控制轴线偏差，并保证其顶面各控制点的空间位置偏差在容许范围内。
2.3填芯混凝土浇筑难度大
花山大桥主桥拱塔钢混结合段内部剪力钉、普通钢筋及预应力管道密集，作业人员不能进入其内部进行振捣作业。此外，钢混结合段呈空间倾斜状态，承压板也呈倾斜状，因此其顶角部位混凝土无法填充密实。拱塔混凝土的质量直接影响整个结构的安全性和耐久性，因此必须采取措施保证钢混结合段内部混凝土振捣和填充密实[12]。
3 拱塔钢混结合段施工关键技术
3.1钢混结合段施工流程
花山大桥主桥拱塔钢混结合段施工流程如图3所示。上拱塔、下拱圈钢结构(包括钢混结合段钢结构)在工厂制造，并进行预拼装。上拱塔、下拱圈混凝土结构采用定制大块组合式钢模板原位立模浇筑。在塔柱四周搭设盘扣支架作为施工作业平台，采用80 t浮吊船吊装钢混结合段钢结构，并利用底模桁架及定位胎架与混凝土结构段进行三维高精度匹配。待内部钢筋及预应力束安装完成后，在钢混结合段四周设置附着式振捣器，并利用浇筑孔插入振捣棒进行混凝土施工。考虑钢混结合段呈三维倾斜状态，对顶角部易脱空位置处进行灌浆处理，利用超声阵列技术对其内部密实度进行实时检测，确保钢混结合段混凝土密实。待混凝土强度及弹性模量达到设计值的90%以上，张拉钢混结合段预应力，并采用真空辅助压浆工艺进行预应力管道压浆。
图3 拱塔钢混结合段施工流程 下载原图
3.2拱塔几何形态控制技术
花山大桥主桥拱塔混凝土结构段浇筑高度最高达13 m, 采用定制大块组合式钢模板原位立模浇筑，分3次浇筑成型。模板设计采用BIM软件进行高精度模拟拼装得到最优设计，保证拱塔混凝土结构段几何形态控制精度[13]。为避免浇筑混凝土时发生胀模、跑模等问题从而影响混凝土结构段的几何形态，在两个方向各设置1道M27对穿拉杆，模板四角采用M27角拉杆拉结固定，并通过计算确保模板强度、刚度均满足规范要求。
花山大桥主桥上拱塔、下拱圈钢结构部分采用箱形截面，为带倒角的四边形，其几何形态通过制造工艺进行控制。拱塔钢结构(包括钢混结合段钢结构)制造工艺流程为：专用平板机进行钢板平板→计算机放样→数控精密切割→边缘加工→胎架上进行部件组装→焊接→倒棱、消除应力→专用胎架上试拼装→除锈、涂装。
3.3钢混结合段钢结构安装技术
拱塔混凝土结构段施工完成后，在塔柱四周搭设盘扣支架作为施工作业平台，并安装钢混结合段钢结构定位胎架。为解决拱塔节段拼装高精度匹配难题，在双主钩基础上设置双滑轮、四吊点组成的吊装体系，可实现三维空间就位姿态调整。在吊装钢混结合段钢结构时，首先应计算重心位置并确定吊点位置，采用80 t浮吊船起吊后，通过设置在吊装钢丝上的手拉葫芦调整钢混结合段钢结构的空中姿态至接近拼接姿态，然后将钢混结合段钢结构起吊至底模桁架及定位胎架并通过对线初步就位。如图4所示，钢混结合段钢结构初步就位后，对控制点进行复测，得出轴线、标高的偏差。根据测量结果，通过手拉葫芦或千斤顶对钢混结合段的轴线、标高进行微调，直至钢混结合段与混凝土结构段的轴线匹配精度满足要求，钢混结合段顶面各控制点的空间位置也同时满足施工精度要求。
图4 钢混结合段钢结构安装及调整 下载原图
需要注意的是，日照温差对塔偏有一定影响。为避免因此带来安装误差，测量和调整工作应选在凌晨0:00～6:00进行。经复测验收，钢混结合段轴线及顶面各控制点空间位置均满足设计要求，可将钢混结合段钢结构与定位胎架、定位预埋件焊接固定。
3.4钢混结合段钢筋混凝土施工技术
钢混结合段钢结构安装就位后，接下来是其内部钢筋混凝土施工，主要工作内容包括钢筋施工、混凝土施工及预应力施工等。由于钢混结合段内部剪力钉、普通钢筋及预应力管道密集，钢筋混凝土施工相对较复杂。
3.4.1钢筋施工
由于花山大桥主桥拱塔钢混结合段内部剪力钉、普通钢筋及预应力管道密集，为避免各钢筋构造施工冲突，应对钢筋安装顺序进行策划。上拱塔、下拱圈钢混结合段内部钢筋施工的主要工序为：主筋连接→箍筋安装(钢结构进场后)→钢结构安装→预应力筋定位→顶部网片钢筋安装→锚下加强筋安装。钢混结合段主筋与混凝土结构段主筋采用机械连接，箍筋与主筋采用绑扎固定，必要时辅以点焊固定。
3.4.2混凝土施工
混凝土采用C60补偿收缩混凝土，从钢混结合段钢结构预留灌注孔泵送注入，分层浇筑，每层混凝土厚1 m, 并采用附着式高频振捣器和插入式振捣棒振捣，将混凝土振捣密实。对于边角等钢筋密集或不易振捣的部位，采用插入式振捣棒加强振捣。混凝土浇筑期间，视浇筑进程对相关灌注孔进行，灌注孔封堵采用竹胶板配合拉杆进行封堵。钢混结合段混凝土工作性能满足以下要求：坍落扩展度(mm)≥SF1,扩展时间T500(s)达到VS1,坍落扩展度与J形扩展度差值≥PA1,离析率(%)≥SR1。
压浆填充顶部空隙。对顶部无法浇筑混凝土的空隙，注入与混凝土同等级的水泥浆液。注浆流程为：清除孔道杂物→压力注浆→关闭管道保压→密实度检测。注浆时，利用超声波阵列技术对注浆密实度进行实时检测。若检测发现不密实，则需进一步进行压力注浆，确保顶部空隙压浆填充密实。钢混结合段压力注浆及密实度检测如图5所示。
3.4.3预应力施工
待混凝土强度及弹性模量达到设计值的90%以上后，分两次张拉钢混结合段预应力，并在48 h内采用真空辅助压浆工艺进行预应力管道压浆。预应力筋为单端张拉，采用张拉力与伸长量双控，以张拉力控制为主，测量的钢束伸长量允许6%的误差。预应力施工流程为：安装张拉端→张拉至初应力→张拉至控制应力→张拉持荷5 min锚固→卸下张拉设备→切除多余钢绞线→预应力管道真空辅助压浆→封锚。
图5 钢混结合段压力注浆及密实度检测 下载原图
4 结语
南京花山大桥主桥倾斜心形拱塔钢混结合段的顺利施工，证明了相关施工技术的科学性和合理性。采用精心设计的大块组合式钢模板及钢结构制造工艺，保证了拱塔混凝土结构段及钢混结合段的几何形态的控制精度；采取钢混结合段钢结构精确定位和调整措施，保证了钢混结合段与混凝土结构段的轴线匹配精度满足要求，钢混结合段顶面各控制点的空间位置也同时满足施工精度要求；采用补偿收缩混凝土，选择正确的浇筑振捣及压浆工艺，保证了钢混结合段填芯混凝土的施工质量。南京花山大桥主桥异形拱塔钢混结合段的施工关键技术可供类似工程参考。
参考文献
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