馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋左叉懸索橋中塔設(shè)計(jì)及施工

鄒敏勇 張巨生

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 武漢 430056）

1 工程概況

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋位于長(zhǎng)江中下游的安徽省東部，連接馬鞍山和巢湖兩市。馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋左汊主橋?yàn)?×1 080m的三塔兩跨懸索橋，跨度布置為（360m＋2×1 080m＋360m，矢跨比1／9，加勁梁在中塔處采用塔梁墩固結(jié)［1］；中塔為鋼－混疊合塔。總體布置見(jiàn)圖1。

圖1 馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋三塔懸索橋總體布置（單位：m）

2 中塔結(jié)構(gòu)形式選取

2.1 結(jié)構(gòu)形式選取

為選取合理的中塔結(jié)構(gòu)形式，分別對(duì)縱向?yàn)锳形、人字形、I形的3種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究分析。通過(guò)對(duì)這3種結(jié)構(gòu)形式的研究發(fā)現(xiàn)，混凝土塔及A形鋼塔由于主塔本身剛度較大，主纜與鞍座間抗滑安全無(wú)法保證［2］，人字形結(jié)構(gòu)和I形結(jié)構(gòu)剛度適中，能較好地滿(mǎn)足受力需求。

中塔若采用鋼塔，不論是I形鋼塔、亦或人字形鋼塔，2個(gè)方案在技術(shù)上都不存在問(wèn)題，但考慮到馬鞍山長(zhǎng)江流域水位落差較大，選用鋼塔方案，下塔柱處于水位變動(dòng)區(qū)，影響結(jié)構(gòu)的耐久性，自身防撞能力較差。因此，中塔采用鋼－混疊合塔是合適的。鋼－混疊合塔剛度適中，上塔柱為鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)變形適應(yīng)能力較強(qiáng)，且鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，能很好地滿(mǎn)足受力需求；下塔柱為混凝土結(jié)構(gòu)，具有較大剛度和較好的防撞能力［3］。

若采用人字形鋼上塔柱，分叉點(diǎn)距離承臺(tái)高約76m，該處鋼塔柱截面較大，吊裝較困難并需在混凝土塔柱頂面叉開(kāi)約18m，使混凝土下塔柱頂面尺寸達(dá)32m，顯得過(guò)于粗重，與邊塔外形不協(xié)調(diào)，景觀效果較差。

而I形鋼上塔柱最重節(jié)段在疊合段，可以通過(guò)浮吊吊裝，有效地解決了節(jié)段吊裝難題；混凝土下塔柱截面相對(duì)較小，與邊塔外形協(xié)調(diào)，景觀效果較好。

經(jīng)過(guò)多方面比選，再結(jié)合馬鞍山大橋的工程建設(shè)條件，圍繞馬鞍山大橋設(shè)計(jì)所確定的技術(shù)控制指標(biāo)，馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋中塔采用I形鋼－混疊合塔方案。

2.2 疊合段接頭位置選取

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋采用塔梁固結(jié)體系，下橫梁為鋼箱梁。若疊合段接頭在下橫梁以上，需設(shè)置3個(gè)鋼－混接頭，塔梁固結(jié)體系活載作用下，該處主梁交變內(nèi)力較大，對(duì)鋼－混接頭受力不利，結(jié)構(gòu)構(gòu)造難處理。而疊合段接頭位置設(shè)在主梁以下，主梁材料單一，混合接頭數(shù)量較少，結(jié)構(gòu)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，因此疊合接頭設(shè)置在距離下橫梁底4.2 m處，高程為＋47.5m。

3 中塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為門(mén)式結(jié)構(gòu)，由上、下塔柱、塔頂裝飾及上、下橫梁組成，其中下塔柱為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，上塔柱、塔頂裝飾及上、下橫梁為鋼結(jié)構(gòu)。塔高（從塔座頂面算起）為175.8m。上塔柱高127.8m（從鋼－混疊合面算至鞍座底），橫橋向?qū)挾?.0m，順橋向?qū)挾?.0～11.0m。塔頂裝飾10.5m。塔柱間中心距：在塔頂處35m，承臺(tái)頂處43.5m，中塔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 中塔結(jié)構(gòu)圖（尺寸單位：cm）

3.1 中塔鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上塔柱高127.8m，橫橋向?qū)?.0m，順橋向?qū)?～11m。

塔柱斷面為單箱多室布置，由四周壁板和兩道腹板構(gòu)成，根據(jù)受力要求，位于塔頂段局部范圍內(nèi)增加了數(shù)道腹板。為了減小塔柱截面風(fēng)阻系數(shù)，改善渦振性能，塔柱截面四角切去0.7m×0.7m4個(gè)矩形，將截面進(jìn)行鈍化。在塔柱斷面中室內(nèi)設(shè)置1.5m×2.0m的電梯通道及人行爬梯，電力管線(xiàn)也從該通道進(jìn)入。

上橫梁設(shè)計(jì)為具有徽派建筑特色的結(jié)構(gòu)，上橫梁由上、中、下梁3部分組成。上梁與中梁之間用5個(gè)有圓柱造型的結(jié)構(gòu)連接，中梁與下梁之間用3個(gè)有燈籠造型的結(jié)構(gòu)連接。

下橫梁為塔、梁固結(jié)的一部分，梁高中心為6.5m。

塔柱共劃分為21個(gè)節(jié)段，T1～T21，20個(gè)拼接接縫，J1～J20；節(jié)段長(zhǎng)度5.0～9.55m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度為6m。其中T1節(jié)段最重，約590t。塔柱節(jié)段連接傳力形式，設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)度螺栓傳力與端面金屬間接觸傳力相結(jié)合的方法。考慮到索塔安裝中誤差的調(diào)整，設(shè)計(jì)在J1，J5，J11，J16四處設(shè)置了調(diào)整接頭，即高強(qiáng)度螺栓傳遞100%內(nèi)力。

3.2 鋼－混疊合段連接設(shè)計(jì)

鋼上塔柱根部的壓力主要通過(guò)鋼上塔柱底座板傳遞到混凝土下塔柱中，而拉力則通過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)索傳遞到混凝土下塔柱中。考慮到預(yù)應(yīng)力的更換、維護(hù)方便，采用無(wú)粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力。中塔在主梁?jiǎn)慰鐫M(mǎn)載工況下最為不利，設(shè)計(jì)以該工況下疊合面無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)（底板不出現(xiàn)縫隙）來(lái)控制設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算需在單個(gè)塔柱疊合面布置110根Φss15.2－37無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)索。單根預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)索恒載時(shí)預(yù)應(yīng)力約5 000kN，考慮預(yù)拉力張拉的損失，施工張拉力為5 698kN。

無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力可通過(guò)在錨頭加設(shè)防護(hù)罩封閉然后灌注油脂來(lái)防腐，并且在上端即鋼塔側(cè)防護(hù)罩由不銹鋼和玻璃鋼2部分組成，通過(guò)透明的玻璃鋼可以隨時(shí)觀測(cè)。鋼－混結(jié)合段結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 鋼－混結(jié)合段結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

疊合塔墩接頭構(gòu)造及受力復(fù)雜，為保證結(jié)構(gòu)安全可靠，對(duì)該部分構(gòu)造進(jìn)行了空間仿真分析及模型試驗(yàn)。計(jì)算結(jié)果表明，鋼－混凝土界面摩擦抗剪有足夠余量，下橫梁及鋼混疊合段各板件最大應(yīng)力均在容許范圍，錨下承壓板件局部穩(wěn)定性能滿(mǎn)足規(guī)范要求，板件加勁肋設(shè)置合理，結(jié)構(gòu)安全。

3.3 混凝土下塔柱設(shè)計(jì)

下塔柱設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高37.5m，橫橋向?qū)?.2～12m，順橋向?qū)?7～25 m，塔柱頂設(shè)置7.5m高實(shí)體段，截面采用單箱單室結(jié)構(gòu)，橫橋向壁厚1.6m，順橋向壁厚2.0m，在根部及頂部交接范圍內(nèi)壁厚逐漸加厚。下塔柱四角設(shè)有3cm×3cm倒角。下塔柱按照預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，單個(gè)塔柱配有110束Φs15.2－19 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)束。

4 中塔施工

4.1 混凝土塔柱施工

下塔柱混凝土采用分層澆筑方式，每次灌注厚度為30～40cm。每個(gè)節(jié)段5m，除疊合段預(yù)留2m后澆外，最后一節(jié)高度為5.5m。

為固定定位鋼筋和預(yù)應(yīng)力孔道，在每個(gè)節(jié)段均設(shè)置勁性骨架。采用懸臂模板保證混凝土澆筑時(shí)塔柱平面尺寸及位置滿(mǎn)足要求。

通過(guò)連接器接長(zhǎng)，塔柱施工分節(jié)張拉預(yù)應(yīng)力。

4.1.1 T1、T2及下橫梁施工

中塔鋼塔柱T1、T2及下橫梁最大吊重約590t，采用大型浮吊吊裝。

T1，T2節(jié)段及下橫梁施工總體思路：先吊裝下橫梁→安裝T1節(jié)段→鋼混凝土疊合、張拉錨固→安裝T2節(jié)段→下橫梁與T1，T2固結(jié)。

下橫梁采用落地支架安裝，T1節(jié)段支撐在下塔柱頂?shù)?個(gè)鋼筋混凝土立柱上，安裝順序?yàn)橄冗M(jìn)行落地支架搭設(shè)及下塔柱頂?shù)?個(gè)鋼筋混凝土立柱施工，再吊裝下橫梁，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置調(diào)整下橫梁高程及平面位置，再吊裝T1節(jié)段，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置調(diào)整T1高程及平面位置，調(diào)整完成后對(duì)T1、下橫梁的整體位置進(jìn)行檢查，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后將T1節(jié)段與立柱進(jìn)行鎖定。

T1與立柱鎖定后，將無(wú)粘結(jié)接預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)束預(yù)埋鋼管接長(zhǎng)至設(shè)計(jì)位置，同時(shí)進(jìn)行疊合段鋼筋施工，安裝模板，澆筑自密實(shí)混凝土并完成表面壓漿處理，最后澆筑T1節(jié)段內(nèi)填充混凝土。

浮吊吊裝T2節(jié)段就位，利用四角所設(shè)調(diào)整裝置對(duì)T2高程、平面位置進(jìn)行精確調(diào)整，測(cè)量無(wú)誤后，匹配拼接板，完成J1接頭的安裝。待T2安裝完成后，通過(guò)下橫梁下調(diào)節(jié)裝置再次調(diào)整下橫梁平面位置及高程，匹配拼接板完成下橫梁與鋼塔的連接。

4.1.2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段施工

T3以上節(jié)段最大重量超過(guò)200t，目前國(guó)內(nèi)的吊裝設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足要求，采用新研發(fā)的塔吊D5200－240進(jìn)行本橋中塔標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段吊裝。

（1）非調(diào)整接頭安裝。運(yùn)輸船運(yùn)送鋼塔節(jié)段到中塔后，檢查節(jié)段情況，確認(rèn)測(cè)量基線(xiàn)并布置測(cè)量控制點(diǎn)。

塔吊緩慢起吊鋼塔，當(dāng)鋼塔下口四角高差控制在5mm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足要求后繼續(xù)起吊鋼塔，起吊到位后，旋轉(zhuǎn)起重臂至安裝位置，松鉤下落。下落到離接口約100cm時(shí)，將牽引系統(tǒng)安裝到位，作業(yè)人員在鋼塔內(nèi)拉緊牽引繩，調(diào)整鋼塔位置，使其落入導(dǎo)向及限位板內(nèi)。

下落到位后，測(cè)量人員對(duì)鋼塔進(jìn)行檢查，利用水平頂、側(cè)面限位板將鋼塔平面位置調(diào)整好，根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整豎向位置，并檢測(cè)鋼塔金屬接觸率情況，當(dāng)滿(mǎn)足要求后，打入沖釘初步定位，上螺栓并施擰。

螺栓終擰后，測(cè)量接縫端面的傾斜率、高程、塔柱相對(duì)位置及金屬接觸率等各項(xiàng)指標(biāo)。

（2）調(diào)整接頭安裝。調(diào)整接頭安裝前必須對(duì)上一節(jié)段的傾斜度、四角高差進(jìn)行測(cè)量，以明確接口調(diào)整量，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及驗(yàn)收要求時(shí)，可以將調(diào)整接頭按正常接頭進(jìn)行連接，此時(shí)拼接板可直接根據(jù)廠(chǎng)內(nèi)預(yù)拼情況進(jìn)行鉆孔。

當(dāng)需調(diào)整時(shí)，拼接板一側(cè)需后鉆孔，現(xiàn)場(chǎng)利用豎向調(diào)整裝置調(diào)整鋼塔位置，測(cè)量檢查合格后，放出拼接板孔樣，鉆孔后進(jìn)行連接。

實(shí)際施工時(shí)，為了加快鋼塔架設(shè)進(jìn)度，根據(jù)廠(chǎng)內(nèi)預(yù)拼數(shù)據(jù)結(jié)合橋位實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)接口狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，提前進(jìn)行鉆孔作業(yè)。通過(guò)加強(qiáng)鋼塔制做和架設(shè)過(guò)程中的測(cè)量監(jiān)控工作，本橋?qū)嶋H架設(shè)時(shí)調(diào)整接頭加墊量最大只有3mm。

4.2 鋼塔線(xiàn)形控制

塔柱架設(shè)是再現(xiàn)工廠(chǎng)制造精度的過(guò)程，核心問(wèn)題是采取有效措施恢復(fù)工廠(chǎng)匹配制造時(shí)相連節(jié)段的相對(duì)幾何位置和相連節(jié)段端面的金屬接觸率。

（1）鋼塔節(jié)段廠(chǎng)內(nèi)制造時(shí)端面機(jī)加工完成后進(jìn)行逐段預(yù)拼，檢查金屬接觸率、接頭相對(duì)幾何位置，符合驗(yàn)收要求后做出控制基線(xiàn)，做為架設(shè)時(shí)測(cè)量控制基點(diǎn)。

（2）鋼塔架設(shè)前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員對(duì)基線(xiàn)進(jìn)行確認(rèn)，保證測(cè)量點(diǎn)間通視。

（3）塔柱端面在進(jìn)行測(cè)量前，檢查測(cè)量?jī)x器，使儀器精度滿(mǎn)足精度要求。

（4）首節(jié)段鋼塔架設(shè)定位前測(cè)量精度按工廠(chǎng)制造精度控制，確保首節(jié)段鋼塔平面位置、高程、傾斜度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（5）鋼塔架設(shè)后對(duì)接口金屬接觸率、錯(cuò)邊量進(jìn)行檢查，金屬接觸率采用0.04mm塞尺檢查，滿(mǎn)足要求后方可進(jìn)行連接。

圖4為中塔塔吊施工圖。

圖4 中塔塔吊施工圖

（6）鋼塔測(cè)量工作在環(huán)境溫度相對(duì)恒定時(shí)段進(jìn)行，一般在凌晨進(jìn)行測(cè)量檢查。

（7）調(diào)整接頭安裝時(shí)空間位置必須調(diào)整至設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，使鋼塔架設(shè)重新有一個(gè)良好的基準(zhǔn)面，消除累積誤差。

（8）設(shè)置3道主動(dòng)橫撐以保持設(shè)計(jì)線(xiàn)形。中塔架設(shè)完成后測(cè)量：鋼塔中心點(diǎn)最大偏差值8.9mm，塔相對(duì)間距小于4mm，傾斜度小于1／10 000，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋左汊主橋鋼塔首次采用鋼混疊合構(gòu)造，鋼－混結(jié)合部位首次采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力錨固，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段首次采用新研制的D5200塔吊進(jìn)行安裝，在設(shè)計(jì)及施工方面有不少的創(chuàng)新點(diǎn)。

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋鋼塔施工開(kāi)始時(shí)間為2010年6月，2012年4月全部施工完成，中塔架設(shè)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)（垂直度、塔柱中心距、接觸率等）均很好地滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

［1］安徽省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)院，中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司.馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋及接線(xiàn)工程初步設(shè)計(jì)［Z］.合肥：安徽省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2008.

［2］萬(wàn)田保，王忠彬，韓大章，等.泰州長(zhǎng)江公路大橋三塔懸索橋中塔結(jié)構(gòu)形式的選取［J］.世界橋梁，2008（1）：1－4.

［3］高康平，張 強(qiáng)，唐賀強(qiáng)，等.馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋三塔懸索橋中塔剛度研究［J］.橋梁建設(shè)，2011（5）：1－5.