斜拉桥水滴形主塔钢混结合段施工技术

郑文飞,赵果,赵锐,梁斌,聂宁波

（1.中铁十五局集团有限公司一公司,陕西西安710018；2.河南科技大学土木工程学院,河南洛阳471023）

斜拉桥水滴形主塔钢混结合段施工技术

郑文飞1,赵果2,赵锐1,梁斌2,聂宁波1

（1.中铁十五局集团有限公司一公司,陕西西安710018；2.河南科技大学土木工程学院,河南洛阳471023）

以安徽涡河三桥工程为实例,介绍了斜拉桥水滴形主塔钢混结合段施工技术.针对水滴形主塔钢混结合段的施工特点,重点分析了T1-2节段固定、钢结构节段连接、钢混结合段测量、混凝土工程等工艺,为同类工程施工提供经验.

斜拉桥；水滴形主塔；钢混结合段；施工技术

随着人们对桥梁景观要求的不断提高,一系列造型新颖的异型斜拉桥得到迅速发展.在斜拉桥施工中,主塔施工是其关键技术[1].异型斜拉桥钢结构主塔基础一般由混凝土制成,在钢塔柱与钢筋混凝土结构之间设钢混结合段.钢混结合段的主要作用是将钢塔传递下来的荷载传递到混凝土中以及为钢塔安装提供高精度的基准面[2].由于混凝土与钢材的物理特性差别很大,给钢混结合段的施工带来了很大的困难.近年来部分学者对钢混结合段施工技术进行了研究[3-5],但总体来讲对钢混结合段施工技术的研究仍显不足.

安徽涡河三桥是国内首座水滴型钢结构主塔斜拉桥,将水滴形状赋予到主塔形状中,充分体现了人与自然的和谐统一.本文结合安徽省涡河三桥工程,介绍其主塔钢混结合段基本情况和施工工艺流程,重点分析了T1-2节段的固定、钢结构节段的连接、钢混结合段测量、混凝土工程等工艺,为同类工程施工提供经验.

1 工程概况

1.1 涡河三桥概况

涡河三桥为独塔双跨的双索面半漂浮体系斜拉桥,桥梁总长848 m,主桥为（124+124）m,立面布置见图1.斜拉索采用镀锌钢绞线,主梁采用预应力混凝土双边箱梁,主塔采用钢混组合水滴形桥塔,寓指“上善若水,水善利万物而不争”之意,如图2所示.主塔柱总高109 m,桥面以上高86 m,钢塔柱采用矩形断面,其中上塔柱采用全钢塔柱,高度为80 m,中塔柱为实心混凝土塔柱.全桥钢塔共划分37个节段,钢塔单节段构件最高8.4 m,最大节段重60 t,全桥钢塔总重2 350 t.

图2 涡河三桥主塔概貌及节段划分Fig.2 Main tower and segments division of Guohe Bridge

1.2 主塔钢混结合段构造

钢混结合段设在钢主塔下部混凝土墩柱与上部钢塔之间,是将钢塔荷载（小截面、高应力）向混凝土（大截面、低应力）中传递的枢纽,是塔柱从柔变刚的变截面点,也是钢塔的基础.钢混结合段传递的轴向力非常大,同时还伴随有弯矩和扭矩.如何将这些内力顺畅地由钢塔柱传递到混凝土墩柱是结合段设计必须解决的问题.本工程在结合段混凝土浇筑前安装底座定位件预埋件,同时在结合段内设置剪力钉来扩散应力和增加延性,剪力钉型号为Φ 22×140.为确保在不利荷载作用下钢混结合段处于受压状态,在结合段内设置锚固预应力钢束,规格为16股钢绞线.

钢混结合段由钢主塔的T1节段和T2组成,如图3和图4所示.结合现场吊装施工需要,将T1节段变更为两节施工,分别为T1-1节段和T1-2节段,以方便运输及吊装施工.

图3 钢混结合段示意 Fig.3 Steel-concrete combined section diagram

图4 钢混结合段纵断面Fig.4 Longitudinal section of steel-concrete combined section

2 钢混结合段施工流程

钢混结合段施工流程见图5.

图5 钢混结合段施工流程Fig.5 Construction process of steel-concrete combined section

3 钢混结合段施工的重点和难点

3.1 T1-2节段的固定

钢混结合段是钢塔柱的起始段,安装定位精度直接影响后续塔柱安装精度和整体线型,同时由于混凝土的施工可能形成的对结合段位置精度的影响,因此结合段在精确定位上必须采取可靠的固定措施[6].由于T1-2自重较大,现场圆弧段外模板无法达到T1-2节段所要求的承重能力,所以在圆弧段墩柱最后一次施工时采用了预埋槽钢的形式来保证T1-2节段有足够的支撑点,如图6和图7所示.

图6 预埋件纵断面Fig.6 Longitudinal section of embedded anchors

图7 预埋件平面Fig.7 The plan of embedded anchors

砼塔座施工时,应提前将钢塔柱的结合段预埋在砼中.结合段预埋件在钢结构制作加工厂内要提前加工好.由于结合段T1-1,T1-2,T2段分别重52.3、46.0、51.67 t,为此安装时,采用350 t汽车吊,起重吊装就位固定.钢塔结合段安装前,先要将预埋件的砼塔柱内的型钢支撑预埋件按要求做好,为结合段预埋件安装提供一个操作平台.然后,将塔座结合段安放在预埋件顶部,位置基本确定之后,在劲性骨架顶部安装4个8～10 t的千斤顶,并在侧面水平位置安装2个8～10 t千斤顶,通过不断的测量,采用千斤顶调整预埋件的空间位置,达到精确定位的目的.吊装前应先对预埋件进行精密处理,根据实际高程对预埋件支撑点处理.

3.2 钢结构节段的连接

钢混结合段由T1-1节段、T1-2节段和T2节段组成,T1-1节段与T1-2节段采用焊接,T1节段与T2节段之间的连接采用高强度螺栓.

3.2.1 T1-1节段与T1-2节段的连接 T1-1与T1-2节段接口处为全焊结构,现场T1-1节段就位后,根据实际测量数据进行固定,随即进行箱室内部焊接.箱室内部的纵横向对接焊缝均为I级熔透焊缝,应尽量采用熔敷金属量少、焊后变形小的坡口.通过焊接性试验和焊接工艺评定试验确定焊前预热温度,测温在距焊缝30～50 mm范围内进行,预热范围一般为焊缝每侧100 mm以上.修补时,碳弧气刨前预热温度应该与施焊时温度一致.为防止T型接头出现层状撕裂,在焊前预热中,必须注意厚板一侧的预热效果[7].内外腹板以及内外面板的横向环焊缝的焊接工艺能使许可的焊缝间隙在一定范围内调整,从而可以减少部分制造、安装误差.

3.2.2 T1节段与T2段的连接 钢混结合段T1与T2节段之间的环口连接,采用10.9 S高强度螺栓.开始拼装时注意所有的高强度螺栓不能全部拧紧,待节段框架形成后,再用已经标定好的扭力扳手,严格按照规范和相关规定进行,严禁漏拧.同时派专人检查所有的高强度螺栓.

3.3 钢混结合段测量

3.3.1 钢混结合段定位测量 钢塔各节段经机加工、立式匹配后几何形态已经确定,现场拼装过程中侧重于控制钢塔的姿态和垂直度,对其线形不能进行局部调整.因此,钢混结合段的安装定位精度是保证钢塔成塔线形的关键所在.钢混结合段从下到上分为底座定位件、底座和锚固箱3部分,平面定位偏差和顶面标高定位偏差不得超过±2 mm.由于受场地的限制,只能在距离塔柱较近的控制点或在塔柱内部架设全站仪采用内控法进行定位测量.

底座定位件和底座的施工关键在于轴线点的测设和顶面倾斜度的调整.为了调整平面位置在底座顶面横轴线点上布设样冲眼,调整过程如下[8].

（1）在下横梁上控制点处架设全站仪,用极坐标法调整底座端口的平面位置,偏差控制在5 mm；

（2）在底座顶面几何中心处架设精密水准仪,用精密钢尺量取距离,测量特征点的高程,在此基础上计算顶面倾角,并对偏差进行调整；

（3）重复上述步骤,直至符合要求.

底座定位完成后开始浇筑底座混凝土,待混凝土凝固后可按照类似方法进行锚固箱的定位.

3.3.2 T2节段拼装测量 根据钢结构精度逐级递减原则,除钢塔T2段的平面拼装精度与钢混结合段要求一致外,T2段以上各节段的拼装测量精度按1∶4 000递减,即钢塔每升高1 m,平面定位精度要求降低0.25 mm[9].

随着塔的升高,视线受到阻碍,在下横梁处控制点上无法实施各节段的拼装测量.因此,采用内控法和外控法相结合的方法进行T2段以上各节段的拼装测量.具体内容如下[8].

（1）内侧壁板测量点坐标.采用内控法,在下横梁控制点处架设全站仪,以极坐标法测定上下游节段内侧壁板各测量点坐标.

（2）岸侧壁板测量点坐标及节段顶面纵横轴线点坐标.采用外控法,在辅助墩上控制点处架设全站仪,测定节段岸侧壁板上各测量点坐标.

（3）顶面端口顺桥向轴线间的水平距离.在节段顶面架设全站仪测量节段纵轴线端点的距离,以控制塔柱的平面相对姿态.

（4）顶面横桥向端面倾角和节段之间的相对高差.通过立式匹配预拼测量可以得到节段顶面倾角,但在实际拼装过程中,节段顶面最终倾角与预拼测量倾角值会有一定的出入,此时测得的倾角值可以指导后续节段加工.

3.4 混凝土工艺

3.4.1 混凝土技术要求 钢混结合段混凝土强度等级C50,易收缩开裂,加强混凝土的保湿养生格外重要,若浇筑不密实或收缩开裂将会导致混凝土与钢塔结合不密实,将影响混凝土的耐久性,从而不能满足钢混结合段的设计要求.为保障钢混结合段浇筑密实,满足工程施工需要,该混凝土技术指标要求是.

（1）强度要求：设计强度50 MPa；

（2）拌合物性能要求：塌落度≥200 mm,扩展度≥600 mm；

（3）混凝土的膨胀性应满足混凝土与钢板贴合紧密,无收缩缝；

（4）在自密实情况下,150×150×150立方体试件达到自密实要求；

（5）施工工艺：泵送.

3.4.2 配合比设计 自密实混凝土受原材料影响显著,选材比普通混凝土严格[10],结合当地具体情况,钢混结合段混凝土采用的原材料主要为水泥（山东申丰P.O 52.5）,细集料（河沙,细度模数为2.68）,粗集料（碎石,级配5-20 mm）以及地下水.减水剂采用高效减水剂,减水率大于25%.膨胀剂采用U型膨胀剂,外掺料采用Ⅰ级粉煤灰.

根据采用的原材料并通过试验后,确定了每立方米C50微膨胀混凝土基础配比为：水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水=410∶130∶720∶980∶172,单位为kg/m3.本配比所配制混凝土塌落度大于200mm,扩展度大于600mm,收缩试验符合国家相关标准规范,时间为60 d以上.设计抗压强度50 MPa,28 d的抗压强度要求不小于50 MPa,微膨胀混凝土泌水率小、和易性好、易于泵送.

3.4.3 混凝土施工 砼采用拌和站集中拌制,在进行混凝土拌和时要保证有足够的拌和时间,还应保证膨胀剂应与混凝土其他原材料一起投入搅拌机,拌和时间应延长30 s.混凝土拌合物应颜色一致,拌和均匀,不得有离析和泌水现象.

钢混结合段空间狭小,结构复杂,给浇筑带来了很大困难.浇筑混凝土前,应仔细检查钢筋、模板及预埋件等,将先期浇筑的混凝土表面清理干净,并充分湿润.经验收合格后,方可进行砼浇筑.混凝土采用集中拌和,砼输送泵泵送,直接入模的浇筑方式.砼浇筑时,采用左右钢塔节段分批浇筑,左右高差不可超过1 m,避免出现单侧浇筑过多,出现偏压的情况.砼采用水平分层浇注,每层浇筑厚度不应大于30 cm,应在下层混凝土初凝前或能重塑前浇筑完上层混凝土.

钢混结合段为C50微膨胀砼,加强混凝土的保湿养生非常重要,尤其是要注意其早期养生.C50混凝土极易由于早期养生不到位导致前期失水产生早期收缩裂缝,影响砼的耐久性.因此应该进行洒水养护,顶面覆盖土工布.洒水养护时间一般为7 d,可根据空气的湿度、温度和水泥品种及掺加的外加剂等情况,酌情延长或缩短.掺加粉煤灰混凝土养生期应不小于14 d,这主要是由于掺合料的水化速度较慢.

4 小结

涡河三桥主塔工程规模较大,水滴型的塔柱结构设计也属国内首创,施工工艺与常规的桥梁施工工艺有一定的区别.钢混结合段是钢塔柱与混凝土墩柱之间的过渡段,也是主塔施工的重要环节.该钢混结合段现已完工,其顺利实施表明所采用的施工技术是合理可行的,精度控制满足设计、施工要求,为该桥的顺利完工打下坚实基础,也为类似工程提供良好的借鉴.

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[[4]张利,张彦,唐博学,等.大榭第二大桥主塔钢混结合段施工关键技术研究[J].公路,2013（9）：317-320.

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[9]魏浩翰.特大型桥梁钢索塔施工测量关键技术研究[D].南京：河海大学,2005.

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（责任编辑：卢奇）

Construction technology of steel-concrete composite section of waterdrop-shaped main tower of cable-stayed bridge

Zheng Wenfei1,Zhao Guo2,Zhao Rui1,Liang Bin2,Nie Ningbo1
（1.The First subsidiary of China Railway 15th Construction Bureau Group Corporation,Xi’an 710018, China；2.School of Civil Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023, China）

Construction technology of steel-concretecompositesection of water-drop-shaped maintower of cablestayed bridge was introduced.Based on the characteristics of the construction for Guohe Bridge in Anhui Province,the basic conditions and construction technological process of steel-concrete composite section have been introduced, with being focused on the fixing of T1-2 segment,the connection of steel structural segments,the measuring of steelconcrete composite section and concrete engineering,which could provide experience for similar projects construction. Key words:cable-stayed bridge；water-drop-shaped main tower；steel-concrete composite section；construction technology

U445

A

：1008-7516（2015）02-0071-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.02.016

2015-03-20

河南省重点科技攻关项目（082102230026）

郑文飞（1978―）,男,陕西西安人,工程师.主要从事桥梁工程建设研究.