李偉    陳寧賢    李璘琳

摘  要：介紹了二七長(zhǎng)江大橋4#主塔橫梁澆筑施工方案的比選，著重介紹了施工中采用的新工藝、新技術(shù)。
關(guān)鍵詞：方案比選  整體吊裝  邊支點(diǎn)  預(yù)應(yīng)力  新工藝
1  概況
武漢二七長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)槿�塔雙索面斜拉橋，4#主塔為三塔斜拉橋的中塔，采用“花瓶形”混凝土結(jié)構(gòu)，承臺(tái)以上塔高209m。塔柱按外形從下至上可分為下塔柱、橫梁、中塔柱、上塔柱及塔帽五個(gè)部分。主塔橫梁設(shè)計(jì)為空腹的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁寬13.0m；橫梁直線段其底面標(biāo)高+49.000m（黃海高程，下同），頂面標(biāo)高+55.000m，橫梁高6.0m；從下塔柱與中塔柱外側(cè)交點(diǎn)處算起，橫梁總長(zhǎng)48.0m。橫梁采用單箱雙室（大室）截面，頂、底、腹板厚度為0.8m；兩邊為適應(yīng)頂面限位裝置的布置，采用單箱四室（小室）截面，與中間空腔以0.6m橫隔墻過(guò)渡。中間兩個(gè)大室內(nèi)腔尺寸為18.2m×5.3m×4.4m，兩端四個(gè)小室內(nèi)腔尺寸為4.1m×2.34m×4.4m，各室四周均設(shè)有倒角50×50cm。橫梁頂面與中塔柱設(shè)置倒角1.0×1.0m過(guò)渡連接,橫梁底面與下塔柱設(shè)置倒角3.0×2.0m過(guò)渡連接。橫梁頂面布置支座墊石及主梁限位裝置底板墊塊和橫向支撐擋塊裝置。
橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，砼等級(jí)為C50，梁內(nèi)縱向（橫橋向）設(shè)置91束19φj15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線束；采用19孔群錨，內(nèi)徑φ100mm波紋管成孔。橫梁結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1  4#墩橫梁結(jié)構(gòu)示意圖
2  橫梁施工關(guān)鍵技術(shù)
2.1  橫梁澆筑施工方案比選
4#主塔橫梁結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜、自重大，從下塔柱與中塔柱外側(cè)交點(diǎn)處算起，橫梁總長(zhǎng)48.0m，寬13.0m，橫梁段高6.0m，塔柱段高9.0m。相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1：
表1  橫梁技術(shù)參數(shù)表
底標(biāo)高（m） 頂標(biāo)高（m） C50砼（m3） 鋼筋（t） 鋼絞線（t）
+47.000 +56.000 3191 448.4 92.8
注：表中標(biāo)高為黃海高程，單位：m
目前國(guó)內(nèi)對(duì)于此種橫梁的澆筑方法應(yīng)用較為廣泛的有三種：一次性整體澆筑方案、豎直分段澆筑方案及水平分層澆筑方案三種。
2.1.1  一次性整體澆筑方案
整體澆筑可減少混凝土接縫及橫梁鋼筋的接頭數(shù)量，且鋼筋施工較為簡(jiǎn)單，可加快施工進(jìn)度。但是由于混凝土方量大，施工時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)澆筑橫梁上部混凝土?xí)r，橫梁底板混凝土已凝固，此時(shí)由于下塔柱是外傾結(jié)構(gòu)，垂直于塔身的自重分力會(huì)使橫梁底板產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致凝固的底板混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂。而且整體澆筑施工所需模板用量較大，施工困難，加大了施工成本。
2.1.2  豎直分段澆筑方案
這是公路部門(mén)用的比較多的一種方案，其方法是在橫梁與主塔交界處的根部將橫梁截?cái)啵�施工時(shí)，先澆筑塔柱，待施工至中塔柱以后，在回頭澆筑橫梁。分段施工可使塔梁同時(shí)施工，互不影響，可加快整體施工進(jìn)度。而且塔梁分開(kāi)施工，可避免施工外傾型塔柱混凝土?xí)r對(duì)橫梁底板產(chǎn)生拉應(yīng)力而導(dǎo)致的底板開(kāi)裂問(wèn)題。但是根據(jù)4#主塔橫梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，分段澆筑也有以下弊端：
⑴橫梁工期與塔柱第7、第8節(jié)工期基本匹配，沒(méi)有塔梁同時(shí)施工的工期優(yōu)勢(shì)。
⑵橫梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在下塔柱與橫梁底結(jié)合段有3.0×2.0m的倒角過(guò)渡連接，中塔柱與橫梁頂結(jié)合段有1.0×1.0m的倒角過(guò)渡連接，而且橫梁頂面布置有支座墊石及主梁限位裝置底板墊塊和橫向支撐擋塊裝置，分段處的鋼筋和預(yù)應(yīng)力管道都要切斷，加大了此段鋼筋及模板的施工難度。公路部門(mén)一般的做法是將鋼筋連接套留在混凝土面，將導(dǎo)致所有鋼筋接頭在同一截面上，規(guī)范不允許這樣操作。
⑶由于橫梁處在中下塔柱轉(zhuǎn)角處，爬模在該處本來(lái)就需要拆裝一次，塔梁分開(kāi)施工，沒(méi)有工期優(yōu)勢(shì)。
2.1.3  水平分層澆筑方案
橫梁、橫梁兩端上、下部的倒角部分以及相應(yīng)高度范圍內(nèi)的塔柱一起分二次澆注，標(biāo)高+47.000m～+56.000m，總高度9.0m。第一次澆注標(biāo)高+47.000m～+52.000m段，共5m高；第二次澆注標(biāo)高+52.000m～+56.000m段，共4m高。如圖2所示。在下塔柱與中塔柱分節(jié)處分層有以下優(yōu)點(diǎn)：
⑴此處塔身由外傾轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)傾，塔柱爬模系統(tǒng)需在此處進(jìn)行一次體系轉(zhuǎn)換，塔柱模板施工不影響橫梁模板的施工。
⑵下塔柱第7節(jié)、第8節(jié)工期正好與橫梁工期匹配，塔梁同時(shí)施工不會(huì)影響整體施工進(jìn)度。
根據(jù)以上分析，對(duì)三種方案進(jìn)行綜合比選，最終選用水平分層澆筑方案。此種方案橫梁鋼筋及模板施工簡(jiǎn)單，節(jié)約成本，不影響整體施工進(jìn)度。

圖2  4#墩橫梁分層澆筑示意圖
2.2  橫梁施工前下塔柱是否對(duì)拉
4#墩主塔下塔柱為外傾結(jié)構(gòu)，當(dāng)橫梁施工時(shí)，在橫梁荷載與下塔柱自重共同作用下，在下塔柱仰角柱腳位置將產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于下塔柱柱腳結(jié)構(gòu)尺寸龐大，為16m×12m,通過(guò)設(shè)計(jì)院計(jì)算得出此處拉應(yīng)力很小，且塔身變形也很小，可忽略不計(jì)，故不需要在橫梁施工前將下塔柱進(jìn)行對(duì)拉。為防止在澆筑橫梁第二節(jié)混凝土?xí)r，橫梁底板開(kāi)裂，根據(jù)計(jì)算，在澆筑橫梁第二節(jié)混凝土前，需張拉6束橫梁底板預(yù)應(yīng)力束。
2.3  橫梁承重結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工
塔座頂面至橫梁底面高35.5m，擬采用鋼管柱支架作為橫梁施工的的承重支架和施工平臺(tái)。鋼管支架整體結(jié)構(gòu)剛性大、受力明確，施工過(guò)程中的壓縮變形量很小，幾乎不產(chǎn)生其他變形，可有效保證施工完成后橫梁結(jié)構(gòu)的線型。
橫梁支架由鋼管立柱、邊支點(diǎn)、鋼箱梁和底模系統(tǒng)組成。鋼管立柱支承在塔座上，底部與塔座頂預(yù)埋件焊接。順橋向布置三桁，桁間距6.1m；邊支點(diǎn)利用拉桿錨固在主塔上；鋼箱梁支承在鋼管立柱和邊支點(diǎn)上，并在傾斜的的立柱頂斷開(kāi)；底模系統(tǒng)由竹膠板、140×140方木、HM588×300分配梁組成，HM588×300分配梁擱置在鋼箱梁頂部。橫梁支架系統(tǒng)總布置如圖3所示：

圖3  4#墩橫梁支架總布置圖
2.3.1 鋼管支架的設(shè)計(jì)
鋼管立柱選用φ1.0m×22mm的焊管。立柱間連接系共分兩層，除上層連接系上弦橫橋向?yàn)?[40a外,其余都為2[28b。鋼箱梁梁高1.5m，上下翼緣板厚24mm，腹板厚22mm。鋼箱梁間連接系為∠75×8角鋼焊接的雙排桁片結(jié)構(gòu)，桁片高1.2m，排間距1m，共12個(gè)連接系。采用ANSYS建立鋼管立柱、鋼管立柱間連接系、鋼箱梁、鋼箱梁連接系和HM588×300分配梁整體模型，對(duì)支架系統(tǒng)進(jìn)行受力計(jì)算。整體計(jì)算模型如圖4所示：

圖4  4#墩橫梁支架整體計(jì)算模型示意圖
通過(guò)計(jì)算和分析，鋼管立柱、鋼管立柱間連接系、鋼箱梁、鋼箱梁連接系和HM588×300分配梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定均滿(mǎn)足要求，結(jié)構(gòu)安全。此鋼管支架剛性大，鋼管柱柱腳與塔座頂部預(yù)埋件焊接牢靠，在橫梁施工荷載作用下幾乎沒(méi)有豎向非彈性變形，彈性變形也很小，經(jīng)設(shè)計(jì)院與監(jiān)理單位同意后不需對(duì)鋼管支架進(jìn)行預(yù)壓。
2.3.2  鋼管支架的施工
為了加快施工進(jìn)度及減少現(xiàn)場(chǎng)焊接量，鋼管支架的施工采用整體吊裝的方法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)浮吊(200t)的起重能力，將鋼管支架按橫橋向分為4片桁片，其中兩片直立柱，兩片斜立柱。每片桁片由順橋向的3根鋼管柱及其連接系組成。首先在鋼結(jié)構(gòu)車(chē)間將單根鋼管焊接至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度后運(yùn)至碼頭，然后在碼頭1600t駁船上組拼成桁片，組拼焊接完成后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)整體吊裝。整體吊裝如圖5所示，吊裝步驟如下：
⑴吊裝上游側(cè)直立柱桁片，并拉纜風(fēng)調(diào)整柱頂位置；
⑵吊裝下游側(cè)直立柱桁片，并拉纜風(fēng)調(diào)整柱頂位置；
⑶焊接兩片直立柱間連接系，解除纜風(fēng)；
⑷吊裝下游側(cè)斜立柱桁片，并拉纜風(fēng)調(diào)整柱頂位置；
⑸焊接下游側(cè)直立柱桁片與斜立柱桁片間連接系，解除纜風(fēng)；
⑹吊裝上游側(cè)斜立柱桁片，并拉纜風(fēng)調(diào)整柱頂位置；
⑺焊接上游側(cè)直立柱桁片與斜立柱桁片間連接系，解除纜風(fēng)。

圖5  鋼管支架整體吊裝圖
2.3.3  邊支點(diǎn)牛腿的設(shè)計(jì)與施工 
以往的牛腿設(shè)計(jì)一般是在塔柱上預(yù)埋大型預(yù)埋件，然后在其上焊接牛腿，以此作為邊支點(diǎn)的支撐底座。此種結(jié)構(gòu)有以下弊端：
⑴預(yù)埋件較大，主塔鋼筋較密，預(yù)埋件現(xiàn)場(chǎng)定位安裝較困難；
⑵牛腿既要抵抗豎向荷載產(chǎn)生的彎矩，又要抵抗剪力，本身結(jié)構(gòu)大；預(yù)埋件現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大，費(fèi)工費(fèi)時(shí)；
⑶由于預(yù)埋鋼板在混凝土表面，此塊混凝土的外表修補(bǔ)很難處理，將長(zhǎng)期影響混凝土的外觀質(zhì)量。
為了解決以上弊端，此邊支點(diǎn)牛腿的設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力體系，利用事先加載的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩來(lái)平衡豎向荷載所產(chǎn)生的彎矩，牛腿本身只承載豎向荷載所產(chǎn)生的剪力，此種結(jié)構(gòu)小巧輕便，便于施工。牛腿示意圖如圖6所示。此結(jié)構(gòu)受力明確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，只需在塔柱相關(guān)位置埋設(shè)預(yù)應(yīng)力管道及空出牛腿位置。施工中大大減少了現(xiàn)場(chǎng)焊接量以及混凝土外表修補(bǔ)工作，而且對(duì)今后混凝土的外觀質(zhì)量沒(méi)有任何影響。牛腿的施工步驟如下：
⑴在管道中穿φ32預(yù)應(yīng)力鋼筋；
⑵安裝后錨點(diǎn)，吊裝牛腿；
⑶對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉，根據(jù)計(jì)算張拉力為40t。
通過(guò)以上三步驟，依次完成邊支點(diǎn)牛腿的安裝。

圖6  鋼箱梁邊支點(diǎn)牛腿示意圖
2.4  橫梁外模的施工
橫梁外模分為兩大部分，即塔柱部分與橫梁部分。塔柱部分外模由塔柱爬模組成，橫梁部分外模需另外制作安裝。以下著重介紹橫梁部分外模的施工。
橫梁部分外模每側(cè)共分為8塊，為木模板，面板為δ=18mm維薩板，面板的背面豎直設(shè)置H20木工字梁，在木工字梁背面水平設(shè)置2［14背肋。為了固定外模，需在每塊模板外側(cè)安裝兩個(gè)支撐架支撐，支撐架焊接在橫梁支架底模分配梁HM588×300的外挑部分上。支撐架如圖7所示：

圖7  鋼箱側(cè)模支撐架示意圖
施工時(shí)首先利用HM588×300分配梁的外挑部分搭設(shè)施工平臺(tái)，然后在HM588×300的外挑部分上焊接外模支撐架，待支撐架焊接完成后，首先安裝橫梁中段的外模，自中間向兩邊依次安裝，最后在橫梁與塔柱交接處與爬模合攏。橫梁部分側(cè)模施工為一次立模6m。一次立模的原因有二：
⑴橫梁側(cè)模有部分利用塔座模板，塔座模板高6m。
⑵省去施工第二節(jié)橫梁時(shí)，拆模裝模的步驟，加快施工進(jìn)度。
注意：為了混凝土外觀質(zhì)量美觀，需保持側(cè)模面板的干凈。這樣就需在澆筑橫梁第一節(jié)混凝土前將第二層側(cè)模面板用塑料布包裹，以免在澆筑第一節(jié)混凝土?xí)r，污染側(cè)模面板。
3  結(jié)束語(yǔ)
二七長(zhǎng)江大橋4#主塔墩橫梁施工，通過(guò)采用先進(jìn)的施工工藝和多項(xiàng)有效的技術(shù)措施，施工過(guò)程十分順利，保證了設(shè)計(jì)要求的精度，同時(shí)加快了施工進(jìn)度，僅用一個(gè)月就完成了橫梁施工，節(jié)約了施工成本。其中邊支點(diǎn)牛腿的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分值得推廣的新工藝、新技術(shù)。