滬蘇通長江公鐵大橋29號墩斜拉索掛設施工前置條件分析及對策

胡 勇

(中鐵大橋局集團有限公司，湖北 武漢 430050)

大跨度斜拉橋正朝大跨、重載、高速方向不斷邁進[1]，更大更重斜拉索的安裝施工必然面臨更為艱巨的挑戰，因此做好超長超重斜拉索的安裝技術及振動控制研究[2]是推動我國橋梁施工技術發展的重要一環。

1 工程概況

1.1 主航道橋結構概況

滬蘇通長江公鐵大橋主航道橋為公鐵兩用斜拉橋，采用雙塔三索面斜拉橋布置，全長2 296m，孔跨布置為(140+462+1 092+462+140)m，主跨1 092m，主跨兩側各設1個462m邊跨，邊跨兩側各增加1個140m輔助跨，以滿足斜拉橋結構受力和梁端轉角要求。大橋結構采用塔、梁豎向支承，縱向設阻尼器約束體系。總體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位：m)

主塔采用C60自密實鋼筋混凝土，塔頂高程333.000m，塔高325m。主梁采用箱桁組合結構，主桁設計為3片。標準段主梁邊桁桁高為16m，中桁桁高16.308m，桁寬2×17.5m，采用N形桁式，節間距為14m。每個主桁節點均設有橫聯。主梁上弦平面采用公路正交異性整體鋼橋面板，主梁下弦采用鋼箱作為鐵路整體橋面，公路橋面、鐵路橋面參與主桁共同受力。邊跨側252m范圍公路橋面采用帶有混凝土橋面板的組合截面，通過增大結構自重平衡輔助墩處支座負反力。主梁標準節段三維結構如圖2所示。

圖2 鋼桁梁標準節段三維結構

1.2 斜拉索概況

大橋為空間三索面斜拉橋，全橋斜拉索共432根，每塔各布置36組斜拉索。斜拉索采用φ7平行鋼絲索，高強纏包帶纏繞后，用熱擠雙層高密度聚乙烯護套包裹，鋼絲標準抗拉強度為2 000MPa。單根索最長576.2m、最重83.549t、最大索力13 330kN。斜拉索設計有10種規格，錨具為冷鑄錨。

2 施工組織及斜拉索安裝方案

2.1 總體施工組織安排

根據總體施工組織安排，主橋28號墩采用先塔后梁工藝，即上塔柱施工接近完成時開始架設墩頂鋼梁節段，主塔封頂后開始掛索[3]。29號墩因工期相對于28號墩滯后，在上塔柱施工至第39節時開始掛索，實施塔梁同步施工方案[4]。

主橋鋼梁采用大節段整體制造、架設[1]，全橋共164個節間。鋼梁節段在制造廠按1+3匹配制造，整節段船運至現場。墩頂節段采用1 800t浮式起重機分段架設。主塔墩頂5個單節段完成后，在鋼梁公路面對稱拼裝1 800t架梁起重機，然后對稱吊裝1個單節段，走行14m后，對稱懸臂拼裝1個標準節段。拼裝完成后架梁起重機走行28m，掛2層斜拉索。此后，按每架設1對標準節段架梁起重機走行28m、掛設2層斜拉索的工藝進行鋼梁懸臂對稱架設。

2.2 斜拉索安裝方案

橋梁斜拉索安裝牽引力和戴帽力統計如表1所示，由表1[5-7]可知，軟硬牽引及組合牽引工藝在以往橋梁拉索牽引施工中均有所應用，關鍵是應適合大橋自身結構特點、施工工藝要求。因此，大橋經過試算和比選，大橋拉索安裝思路為掛設先塔端后梁端，戴帽先梁端，再塔端硬牽引戴帽，最終在塔端進行張拉。梁端牽引根據索的分類研究對應軟牽引工藝。按此流程，依據設計提供的拉索長度、自重、張拉索力及安裝各階段的安裝索力等施工參數，大橋將斜拉索安裝分為4種方式、3大類進行施工，如表2所示。

表1 典型橋梁斜拉索安裝牽引力和戴帽力

表2 大橋斜拉索安裝方式分類

按架梁方案要求，1對懸臂節段架設全周期內完成2層12根斜拉索安裝張拉施工，掛設步驟分2個階段：①1對懸臂節段架設前半周期內，即每對標準節段吊裝的同時，完成斜拉索橋面展索和塔端掛設；②待鋼梁節段連接和架梁起重機走行完成后，即在架設后半周期實施梁端掛設和塔端張拉。

3 29號墩斜拉索安裝施工特點

根據總體施工組織安排和斜拉索安裝方案，29號墩斜拉索掛設施工前置條件如下：①因主塔未封頂，拉索掛設時，需確認主塔混凝土結構安全，并結合施工設施、設備環境條件，明確拉索塔端掛設時機；②主塔尚未封頂，需解決斜拉索塔端掛設動力來源問題；③由于采用大節段雙節間整體制造架設工藝，架梁施工荷載巨大，鋼梁主體結構必須處于安全狀態，并保證架梁有關操作與拉索掛設施工無沖突。因此，明確拉索梁端掛設及解決施工沖突的工藝要求，為完成掛索任務的前置條件。

4 29號墩斜拉索掛設施工前置條件分析及對策

4.1 塔端掛設時機

依據設計原則，索體掛設張拉后，傳遞給主塔的為豎向荷載，水平荷載由塔內鋼錨梁承受。由于主塔尚未封頂，此時29號墩主塔結構并非嚴格意義上的封閉結構，處于提前承受鋼錨梁張拉荷載狀態，必須明確在此條件下的掛索前提條件，以確保主塔結構安全。由于29號墩1～3號索直接錨固于主塔35號節的混凝土實體齒塊上，故以4號索張拉(位于主塔36號節段)工況為例。此時主塔施工至40號節，拉索張拉完成至4號索，架梁至Z36′-37′，Z49′-50′即第1對標準大節段雙節間梁段完成。建立30m高上塔柱有限元模型，4號索位于中間部位，4號索以下塔柱包含34，35號節段，以上包含37，38號節段，對主塔結構變形做偏保守計算(施工實際工況4號索以上有37～39號節段)。主塔截面采用實體單元模擬，鋼錨梁采用梁單元模擬，模型底部固結約束。經計算，該工況下，拉索張拉后，主塔模型頂面順橋向、橫橋向變形均<1mm。因此，在主塔未封頂的條件下，確保主塔結構安全的前置條件即為斜拉索張拉時，對應的塔柱節段混凝土性能必須達到設計要求，即強度達到設計值100%且齡期≥1個月。

從施工角度分析，爬模自身高度約19m，覆蓋3個主塔節段。斜拉索掛設施工只能在爬模下放實施，故欲保證施工作業順暢，施工前提條件為當前張拉的斜拉索上方至少完成3個塔柱標準節段[4]，與安全檢算結果不矛盾。

4.2 塔端掛設動力

因29號墩主塔尚未封頂，故塔頂吊架方案無法實施，則拉索塔端掛設需解決2個動力問題，即牽引動力與掛設承載動力需另尋他途。根據大橋掛索工況計算，拉索塔端掛設承重荷載≤400kN，牽引動力采用75kN卷揚機系統即可解決。

在設置塔頂吊架的前提下，掛索由塔頂吊架、塔式起重機與塔頂卷揚機及轉向滑輪[8]共同配合，調整錨杯、張拉桿、索導管三者角度一致，而后將張拉桿牽引出塔端錨墊板，安裝張拉桿副螺母至平扣，完成塔端掛設。

由于29號墩主塔未封頂，原置于塔頂的、與塔式起重機配合施工的7.5t卷揚機無處安置，因此需解決卷揚機的安置場地問題。根據塔端掛設時機，主塔節段超前掛索≥3個節段，鋼錨梁超前掛索≥3個節段。因此，29號墩利用超前安裝的鋼錨梁作為施工平臺，在全塔高度范圍內，選擇ML4，ML14，ML26各預設1個卷揚機平臺，以便安置卷揚機，在解決牽引動力問題的同時，將自身轉場次數降至最低。

牽引動力解決后，大橋對塔端掛設承載動力考慮2個方案進行比選。

首先，大橋考慮在爬模下方，在塔柱南、北兩面各單獨布置1套爬壁式起重機，結構如圖3，4所示。爬壁式起重機以型鋼組拼為三角形架構，在架構頂面平臺布設額定起重量2×60t卷揚機系統，18t卷揚機在橫向左、右對稱布置2臺。卷揚機系統可在頂面平臺上縱移至塔柱邊界外側10m，橫向也可移動滑輪組覆蓋三桁斜拉索4m的寬度空間，以滿足全方位斜拉索掛設施工需求。爬壁式起重機上、下掛點通過塔柱內設置預埋件附著于塔柱上，以形成空中施工平臺。需要爬升時，通過電控液壓升降系統實現架體與導軌互爬功能，從而實現爬壁式起重機跟隨爬模并按并行施工節奏掛設拉索。該方案可基本實現掛索作業與主塔施工互不影響，但存在以下缺陷：①爬模和爬壁平臺在豎向總高度約30m，與15 000kN·m塔式起重機扶墻結構存在空間沖突。為避免沖突，上塔柱施工時塔式起重機扶墻附著桿間距必須由原30m縮減為24m，原計劃只需8道扶墻，現需增加到9道。因此，15 000kN·m塔式起重機自身施工工序增加，直接影響上塔柱施工進度。②塔柱結構在34節合龍，即34節塔柱下方無混凝土實體結構，因此爬壁式起重機必須等到爬模爬升至39節方可安裝，則1～3號斜拉索仍需15 000kN·m塔式起重機參與掛設，對應塔柱節段施工周期必因塔式起重機吊裝次數增多而增加；③爬壁式起重機本身必須借助15 000kN·m塔式起重機安裝，安裝周期也無法縮短，而且施工費用需額外投入；④爬壁式起重機頂面施工平臺與爬模底層修飾平臺尚有4m垂直距離，因此從爬模到平臺的人員通行存在極高安全風險，不利于保證施工工效。

圖3 斜拉索掛設用爬壁式起重機側面

圖4 斜拉索掛設用爬壁式起重機立面

為克服上述缺陷，大橋研究第2套方案，即采用原計劃用于上塔柱重型鋼錨梁與鋼牛腿整體高精度吊裝施工的27 000kN·m塔式起重機[9]，替代塔頂吊架，配合既有的15 000kN·m塔式起重機實施掛索作業。相比于爬壁式起重機、塔頂吊架，該方案優點如下：①27 000kN·m塔式起重機安裝于中塔柱下游側東面塔肢上，安裝總高144m，與主塔間共設置5道扶墻附著桿。5道附著桿與15 000kN·m塔式起重機的8道附著桿無空間沖突，因此15 000kN·m塔式起重機附著桿間距不變，可按原計劃作業，不影響施工進度；②27 000kN·m塔式起重機安裝時間介于主塔35號節段鋼筋綁扎完成至36號節段鋼錨梁安裝前，而29號墩從主塔39號節段開始，對應掛設1，2號索，因此27 000kN·m塔式起重機自安裝完畢后，即可參與拉索掛設施工；③27 000kN·m塔式起重機為原施工組織計劃內容，且29號墩使用的27 000kN·m塔式起重機由28號墩轉場而來，施工安全風險管控已積累足夠經驗，是保證施工工效的基礎；④由于索體始終處于爬模下方，因此如采用塔頂吊架方案，3m寬的爬模實體結構成為索體從下向上掛設的障礙。由于27 000kN·m塔式起重機站位于塔柱東側面(非掛索面)，且可360°靈活旋轉，吊鉤可自由伸入爬模下方，從而解決29號墩塔端掛設時爬模結構造成的障礙。因此，大橋最后選擇27 000kN·m塔式起重機作為29號墩的塔端掛設動力設備。

4.3 梁端掛設工藝要求

大橋為實現雙節間鋼桁梁1 800t級的吊裝施工，架梁起重機設計自重達1 022t[10]，其中涉及架梁工況(掛索后)、架梁起重機走行工況、空載錨固工況(掛索前)。為保證大橋架梁方案的可操作性，必須明確各工況對斜拉索梁端掛設工藝要求：①鋼梁主體結構安全對梁端掛索工藝要求，3個工況均涉及；②根據明確后的工況條件解決斜拉索施工與所處施工環境的沖突問題。

架梁工況中主體結構安全問題，即斜拉索錨固位置選擇問題。由于架梁起重機前支腿必須站位于梁面錨拉板空間內，故架梁時斜拉索無法在前支點安裝張拉。于是對斜拉索安裝于吊機中支點處的典型工況進行篩選并計算[11](見圖5)。

圖5 鋼桁梁懸臂架設工況

得到的架梁起重機前支點下方H形豎桿結構應力值如表3所示。如斜拉索錨固于架梁起重機后方，鋼梁主體結構安全得不到保障。因此，選擇Sn+1號斜拉索必須在架梁前于架梁起重機中支點處錨固張拉，即應始終保持斜拉索前方鋼桁梁懸臂≤3.5節間。在此工況中，斜拉索牽引作業將與架梁起重機產生空間沖突。為此在架梁起重機設計時，考慮如下措施：①邊桁斜拉索根據拉索與架梁起重機尾部后錨梁結構的沖突，采取后錨梁高度局部降低并加強措施，以避讓邊桁斜拉索；②中桁斜拉索將架梁起重機機架設計為4桁片結構形式(由4個菱形桁片連接成整體)，中間2個桁片預留600mm寬間隙，中桁斜拉索便可通行。

表3 架梁典型工況中承載最大桿件應力

架梁起重機走行工況和空載錨固工況可歸屬為一類，即無梁段荷載工況。在此工況下，結構安全問題表現為架梁起重機向前移動后，拉索安裝是否需跟進。仍按架梁工況中斜拉索的錨固位置繼續檢算，鋼梁有關桿件受力如表4所示。在上一輪架梁循環結束后，架梁起重機可持續走行28m，拉索不必尾隨跟進造成停頓。因此，每輪懸臂架梁作業均處于不間斷作業狀態，可提高施工工效。

表4 架梁起重機走行及空載錨固工況中承載最大桿件應力

走行工況和空載錨固工況存在施工沖突，架梁起重機前、后支腿與既有梁端錨拉板和已張拉的拉索空間沖突。因此，架梁起重機前支腿被設計為可豎向翻轉式構造，豎向旋轉至支點最低點超過梁面錨拉板高度即可。架梁起重機后支腿被設計為可水平翻轉式構造。架梁時，后錨梁通過錨拉板錨固于梁上后錨點。鋼桁梁拼裝完成后，架梁起重機走行前，先松開后錨點，而后解開后錨點與后錨梁的法蘭連接，利用100t液壓千斤頂收縮將后錨點水平旋轉90°，即可避讓前方錨拉板和斜拉索。走行到位且中支點處斜拉索梁端安裝完成后，再將后錨點旋轉回來，錨固后方可架梁。翻轉用水平液壓千斤頂如圖6所示。

圖6 后錨避讓拉索措施

5 結語

1)由于主塔尚未封頂，因此斜拉索塔端掛設施工需解決牽引動力、掛設承載動力、掛設前置條件的問題。結構建模和施工條件分析明確掛索前置條件，保證主塔結構安全。塔內卷揚機布置優化解決牽引動力問題，應用既有27 000kN·m塔式起重機解決掛設承載問題。

2)由于18 000kN架梁起重機的應用，對斜拉索梁端安裝施工提出嚴苛要求，既要保證鋼梁主體結構安全，又要保證施工可操作性和連續性。通過研究，首先明確架梁施工各工況，進而分析斜拉索安裝對各工況的影響，找到既保證施工安全性又保證連續性的關鍵措施，即在架梁工況中，斜拉索必須延伸至架梁起重機中支點，完成Sn+1號錨固張拉，后方可實施整節段鋼梁架設、走行、錨固再架梁的循環。因此，導致架梁起重機與斜拉索空間沖突，包括后錨梁與拉索沖突，架梁起重機支腿與錨拉板、已張拉拉索沖突，應提前在架梁起重機設計時予以考慮。

滬蘇通大橋于2019年1月12日其29號墩開始塔梁索并行施工，至7月19日輔助跨合龍，再至9月27日全橋合龍，施工過程中29號墩的216根斜拉索無論在三者還是輔助跨合龍后的梁索并行條件下，均完成安裝。索體塔端掛設、梁端安裝、塔端張拉均安全可靠，張拉完成后，主塔豎直度和主梁線形均滿足監控、設計和規范要求，因此大橋對29號墩斜拉索施工前置條件分析科學，采取的對策合理有效，在保證施工精度和安全的同時，實現了全橋合龍計劃目標。