熊 琦，郭 輝，劉愛林，蘇朋飛，戴福忠

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中鐵大橋局集團(tuán)有限公司，安徽 蕪湖 241001)

1 工程概況

蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋是商合杭(商丘—合肥—杭州)高速鐵路的控制性工程，通行兩線客運(yùn)專線、兩線市域軌道交通線、雙向八車道城市主干路，主橋采用有砟軌道，其中客運(yùn)專線設(shè)計(jì)行車速度250 km/h，ZK活載。主橋采用(98+238+588+224+84)m雙塔雙索面高低塔鋼桁梁斜拉橋，全長(zhǎng) 1 232 m。主塔為門式結(jié)構(gòu)，2#塔塔高155.0 m,3#塔塔高130.5 m,主梁采用兩片主桁結(jié)構(gòu),鐵路主梁采用箱桁組合結(jié)構(gòu)，斜拉索錨固在下弦，每側(cè)布置兩根斜拉索[1-2]。大橋立面如圖1所示。

圖1 蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋立面示意(單位：m)

設(shè)計(jì)原要求主塔封頂、上橫梁施工完成后，再進(jìn)行主梁架設(shè)和斜拉索安裝。由于項(xiàng)目工期緊，故需在上塔柱施工時(shí)(上橫梁施工前)同步進(jìn)行主梁架設(shè)。根據(jù)項(xiàng)目工期安排，2#塔梁須同步施工8道斜拉索，3#塔梁須同步施工5道斜拉索。

采用塔梁同步施工的方法，主塔在封頂之前就開始承受斜拉索荷載，會(huì)造成塔柱的實(shí)際形狀、內(nèi)力、應(yīng)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)理論狀態(tài)(按先塔后梁的常規(guī)工序進(jìn)行施工)出現(xiàn)偏差。塔梁同步施工控制目標(biāo)與普通斜拉橋相同,即達(dá)到合理成橋狀態(tài),同時(shí)確保施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的安全[3]。

因此需要通過詳細(xì)的計(jì)算，找出塔梁同步施工過程中各因素對(duì)塔柱縱橫向偏位產(chǎn)生的影響，并針對(duì)性地提出各項(xiàng)控制、調(diào)整措施，從技術(shù)上確保塔梁索同步施工的可行性和安全性。通過詳排工期、細(xì)分步驟，整理出同步施工過程中同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)交叉進(jìn)行的工序并進(jìn)行合理的施工組織，從施工工序、工藝方面確保塔梁同步施工在滿足技術(shù)要求的前提下順利進(jìn)行。

2 塔梁同步施工可行性分析與控制措施

本橋塔梁同步施工階段，對(duì)主梁較輕的一側(cè)進(jìn)行壓重，同時(shí)斜拉索張拉力按兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行控制。待主塔封頂后再卸除壓重，以主梁線形為目標(biāo)調(diào)整一次索力。結(jié)合本橋主梁為鋼桁梁的特點(diǎn)，塔梁同步施工對(duì)主梁應(yīng)力、位移以及拉索索力的影響通過塔梁同步施工結(jié)束后的索力調(diào)整消除。因此，只需對(duì)原設(shè)計(jì)和塔梁同步施工這2種方案主塔的受力與位移進(jìn)行分析對(duì)比即可。

圖2 塔梁同步施工塔柱順橋向偏移產(chǎn)生原因

塔梁同步施工時(shí)，主塔兩側(cè)斜拉索張拉力不平衡、主梁質(zhì)量不平衡等使下部已澆筑塔柱產(chǎn)生順橋向位移(相對(duì)于理論軸線)，而待施工塔柱節(jié)段立模及鋼錨梁定位時(shí)的測(cè)量放樣若按常規(guī)沿理論軸線進(jìn)行，則在施工不平衡荷載消除后塔柱實(shí)際線形相對(duì)理論軸線會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的偏差，如圖2所示。多個(gè)塔柱節(jié)段累積起來，可能會(huì)使塔柱順橋向偏差超過容許值。根據(jù)TB 10415—2018《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，斜拉橋索塔傾斜度容許偏差為塔高的1/3 000，且不大于30 mm 或設(shè)計(jì)要求。

借助MIDAS模擬2種施工方案并進(jìn)行對(duì)比分析。

塔梁同步施工工序：塔柱施工(主塔未封頂)→原設(shè)計(jì)及新增橫撐安裝、施加橫撐對(duì)頂力→主梁架設(shè)、斜拉索掛設(shè)→上橫梁施工→橫撐拆除→移除臨時(shí)配重、調(diào)整索力。

先塔后梁施工工序：塔柱施工、橫撐安裝→上橫梁施工、主塔封頂→橫撐拆除→主梁架設(shè)、斜拉索掛設(shè)。

2.1 主塔順橋向位移與塔底彎矩對(duì)比

計(jì)算塔梁同步施工結(jié)束且調(diào)整索力后主塔順橋向位移與塔底彎矩，并與先塔后梁方案進(jìn)行對(duì)比分析[4]，見表1—表2。

表1 2#塔順橋向位移與塔底彎矩對(duì)比

表2 3#塔順橋向位移與塔底彎矩對(duì)比

由表1—表2可知，塔梁同步施工過程中塔頂順橋向位移、塔底順橋向彎矩與先塔后梁方案相差較大。這是因?yàn)樗和绞┕るA段對(duì)主梁較輕的一側(cè)進(jìn)行壓重，同時(shí)斜拉索張拉力按兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行控制。塔梁同步施工結(jié)束后進(jìn)行索力調(diào)整，調(diào)整索力后塔梁同步施工方案與先塔后梁方案塔頂位移差值2#塔僅為0.8 mm，3#塔僅為0.2 mm，塔底順橋向彎矩差值2#塔為854.3 kN·m，3#塔為627.0 kN·m。可見，塔梁同步施工方案對(duì)2#塔和3#塔受力與變形影響均很小。

2.2 不平衡施工荷載影響與控制

塔梁同步施工過程中，需要保證對(duì)稱施工，控制不平衡施工荷載在合理范圍內(nèi)[5]。對(duì)于蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋，塔梁同步施工時(shí)不平衡荷載主要由以下因素組成:大小里程理論索力不平衡，主跨邊跨鋼梁自重存在差異，不平衡風(fēng)載，不平衡日照引起的溫差，不平衡施工荷載，斜拉索張拉力的誤差。針對(duì)不同因素，提出以下控制措施。

1)大小里程拉索以平衡索力張拉。為解決大小里程理論索力不平衡引起的主塔縱向變形、控制塔底縱向彎矩，雙懸臂架設(shè)期間，前期同步施工時(shí)以平衡索力作為第1次張拉索力，保證同步施工時(shí)主塔兩側(cè)荷載基本平衡，主塔封頂后對(duì)前期張拉的斜拉索(2#塔8道索、3#塔5道索)進(jìn)行調(diào)整，使主梁線形達(dá)到設(shè)計(jì)線形，然后再按常規(guī)索力繼續(xù)索、梁施工。

2)主跨側(cè)、輔助跨側(cè)梁段配平。因輔助跨側(cè)梁段重量大于主跨側(cè)，對(duì)主跨側(cè)鋼梁壓重進(jìn)行荷載配平，控制主塔偏位，降低主塔根部彎矩。壓重采用水袋或混凝土塊，經(jīng)計(jì)算，2#塔第7，8道索所在梁段各壓重 600 kN，3#塔第4，5道索所在梁段各壓重400 kN，可使主塔的線形(順橋向)滿足要求。

3)不平衡風(fēng)載、不平衡日照引起的溫差影響控制。不平衡風(fēng)載、不平衡日照引起的溫差所產(chǎn)生的不平衡荷載，可以通過合理選擇測(cè)量時(shí)機(jī)進(jìn)行控制，即在無風(fēng)或者風(fēng)荷載很小，且溫度恒定時(shí)測(cè)量主塔偏位。

4)不平衡施工荷載影響控制。不均衡的施工荷載包括兩側(cè)懸臂架設(shè)鋼梁的不同步、架梁吊機(jī)走行的不同步、材料設(shè)備的不均衡堆載。懸臂架設(shè)鋼梁的不同步造成的不均衡荷載單側(cè)可達(dá) 8 000 kN(按最大偏載工況考慮一側(cè)完全起吊，另一側(cè)未起吊)，由于這只是一個(gè)短時(shí)間狀況，只需在鋼梁起吊未完全離船之前，不進(jìn)行立模測(cè)量即可；梁面施工不均衡荷載(包括斜拉索等材料、汽車吊等設(shè)備)通過現(xiàn)場(chǎng)管理措施解決，將不平衡施工荷載控制在250 kN以內(nèi)。

5)斜拉索張拉力的誤差。斜拉索索力誤差將導(dǎo)致主塔存在順橋向偏位[7]。通過以下措施減小斜拉索索力誤差造成的影響：①斜拉索張拉時(shí)，采用壓力環(huán)、智能化測(cè)試索力等監(jiān)測(cè)手段，確保實(shí)際張拉的索力值與理論索力值偏差在2%以內(nèi)。②同一道斜拉索分批次張拉過程中，大小里程側(cè)使用的千斤頂交替使用，使得千斤頂產(chǎn)生的偏差在大小里程側(cè)相互抵消，從而降低千斤頂引起的索力偏差影響。③現(xiàn)場(chǎng)增設(shè)千斤頂、油表標(biāo)定設(shè)備，增加千斤頂、油表標(biāo)定頻率，減小由于千斤頂?shù)氖褂迷蛟斐傻钠睢?/p>

6)將不均衡施工荷載與斜拉索張拉力誤差對(duì)主塔順橋向位移的影響進(jìn)行定量分析[6]。根據(jù)塔梁同步施工中實(shí)際控制難度，分別計(jì)算250 kN施工不均衡荷載、500 kN施工不均衡荷載、2%斜拉索索力偏差、3%斜拉索索力偏差所引起的主塔縱向偏移量，計(jì)算結(jié)果見圖3。250 kN不均衡荷載指的是在一側(cè)(中跨側(cè)或邊跨側(cè))梁端施加250 kN荷載，另一側(cè)不施加任何荷載；2%斜拉索索力偏差指的是將一側(cè)(大里程或小里程)斜拉索張拉索力人為調(diào)高2%，另一側(cè)不做改變。圖中縱坐標(biāo)正負(fù)號(hào)僅表示方向，例如+號(hào)表示在主塔北側(cè)梁端施加250 kN偏載。

圖3 不均衡荷載和索力偏差引起主塔順橋向位移(單位：mm)

由圖3可知，在不均衡施工荷載250 kN作用下，2#塔塔頂順橋向位移絕對(duì)值最大為8.2 mm；在斜拉索索力偏差2%作用下，2#塔塔頂順橋向位移絕對(duì)值最大為9.2 mm，二者累加為17.4 mm，小于30.0 mm。在不均衡施工荷載250 kN作用下，3#塔塔頂順橋向位移絕對(duì)值最大為1.9 mm；在斜拉索索力偏差2%作用下，3#塔塔頂順橋向位移絕對(duì)值最大為4.5 mm，二者累加為6.4 mm，小于30.0 mm。這表明以不均衡施工荷載250 kN 和斜拉索索力偏差2%為控制目標(biāo)是可行的。在不均衡施工荷載500 kN和斜拉索索力偏差3%作用下，2#塔最大累加塔頂順橋向位移為29.0 mm，小于30.0 mm，3#塔最大累加塔頂順橋向位移為9.9 mm，小于30.0 mm，也能滿足要求。實(shí)際上施工中不均衡荷載不可能永遠(yuǎn)只偏向一端，斜拉索索力偏差也不可能完全偏向同一側(cè)，故實(shí)際的偏差會(huì)更小。

2.3 主塔柱橫橋向偏移影響與控制

本橋主塔為門式塔，進(jìn)行塔梁同步施工時(shí)，主塔尚未形成框架結(jié)構(gòu)。由于斜拉索在橫橋向相對(duì)于塔柱向內(nèi)傾斜[7]，上橫梁施工前塔柱提前承受斜拉索的橫向分力，若增加張拉索數(shù)，會(huì)使其成橋時(shí)的橫向位移、應(yīng)力等狀態(tài)與設(shè)計(jì)理論狀態(tài)不一致。因此通過增加臨時(shí)橫撐的數(shù)量，調(diào)整其布置及對(duì)頂力的大小[8]，通過計(jì)算找到合適的橫撐布置形式及對(duì)頂力數(shù)值來平衡先張斜拉索的橫向分力，使塔柱最終的橫向位移、應(yīng)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)理論狀態(tài)一致。

經(jīng)過試算，2#主塔在原方案基礎(chǔ)上增設(shè)2道橫撐并調(diào)整橫撐對(duì)頂力(橫撐增加前后)，3#主塔在原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上增設(shè)1道橫撐并調(diào)整橫撐對(duì)頂力(橫撐增加前后)，塔梁同步施工完成后，上塔柱橫向位移、應(yīng)力狀態(tài)與常規(guī)工序施工的結(jié)果基本一致。橫撐布置示意見圖4。

圖4 橫撐布置示意(單位：mm)

2.4 塔梁同步施工最不利工況下結(jié)構(gòu)安全檢算

懸臂架設(shè)鋼梁的不同步造成的不均衡荷載單側(cè)可達(dá) 8 000 kN (按最大偏載工況考慮,一側(cè)完全起吊，另一側(cè)未起吊)，由于此時(shí)主塔未形成框架，需要對(duì)此不利工況進(jìn)行檢算[4]。分別建立①2%索力偏差+250 kN不平衡重、②單側(cè)起吊、③2%索力偏差+250 kN不平衡重+單側(cè)起吊3種不同工況，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 最不利工況主塔受力

由表3可知，工況③時(shí)，2#塔塔柱與下橫梁交接處主塔應(yīng)力-11.1 MPa，塔底彎矩達(dá)到了-1 028 050.6 kN·m；3#塔塔柱與下橫梁交接處主塔應(yīng)力-9.2 MPa，塔底彎矩達(dá)到了-650 992.4 kN·m，主塔未出現(xiàn)拉應(yīng)力，2#塔與3#塔塔底順橋向彎矩均很大，相對(duì)應(yīng)的塔頂變形也較大。雖然結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)下，但施工中應(yīng)盡量避免最不利工況組合發(fā)生。

3 “零狀態(tài)”測(cè)量

各不平衡荷載對(duì)塔柱縱向線形的影響均是在測(cè)量放樣(包括鋼筋定位框定位、鋼錨梁定位、立模板等)時(shí)產(chǎn)生。因此可以選擇不平衡荷載消除的“時(shí)間窗”(簡(jiǎn)稱為“零狀態(tài)”)進(jìn)行測(cè)量放樣，從而回避不平衡荷載的影響。因“零狀態(tài)”的選擇或等待影響施工進(jìn)度，為盡量減少“零狀態(tài)”測(cè)量次數(shù)，放樣時(shí)采用相對(duì)設(shè)站法。即在已澆筑塔頂設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，“零狀態(tài)”測(cè)量時(shí)只需通過地面已知控制點(diǎn)獲取基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，下一塔柱施工時(shí)，在該基準(zhǔn)點(diǎn)上設(shè)全站儀，采用相對(duì)坐標(biāo)控制[9]。非“零狀態(tài)”時(shí)，不平衡荷載使塔柱產(chǎn)生的縱向偏移對(duì)放樣測(cè)量產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)。為進(jìn)一步減小誤差，鋼錨梁、模板等關(guān)鍵構(gòu)件的測(cè)量定位仍然在“零狀態(tài)”進(jìn)行。鋼筋、預(yù)應(yīng)力管道、預(yù)埋件等構(gòu)件的定位測(cè)量可在非“零狀態(tài)”進(jìn)行。

“零狀態(tài)”測(cè)量選擇在主橋鋼梁節(jié)段架設(shè)完成后、架梁吊機(jī)未提梁未走行、斜拉索張拉完成后、無風(fēng)、溫度較均勻的“時(shí)間窗”進(jìn)行。兩側(cè)懸臂起吊鋼梁的不同步(原則上鋼梁懸臂起吊應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行，鋼梁分級(jí)差對(duì)稱吊裝，具體分級(jí)由監(jiān)控單位在監(jiān)控指令中明確)、架梁吊機(jī)走行的不同步、斜拉索牽引過程索力不平衡、環(huán)境荷載不平衡對(duì)塔柱線形的影響均可以排除。

啟動(dòng)掛索后的塔梁同步施工中，斜拉索張拉時(shí)塔、梁保持“零狀態(tài)”，故索力測(cè)量、張拉后塔梁復(fù)測(cè)均可按常規(guī)手段進(jìn)行。鋼梁節(jié)段拼裝時(shí)，索、塔保持“零狀態(tài)”，且拼裝節(jié)段在斜拉索前方，采集在拼裝節(jié)段、接口后方 2 個(gè)節(jié)段節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即可推算接口前后相對(duì)拱度、斜拉索前方整體線形(高程、軸線)。因此塔梁同步施工方案與先塔后梁方案的施工測(cè)量控制方法本質(zhì)上一致，不同之處在于塔梁同步施工方案的施工測(cè)量控制須額外注意測(cè)量時(shí)機(jī)的選取。

4 塔梁同步施工多層作業(yè)安全問題

塔梁同步施工存在多空間層面作業(yè)問題[10]，已張拉斜拉索一旦被高空墜物擊穿將直接破壞，必須更換，否則會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全。因此為保障塔梁同步施工過程中施工人員與斜拉索安全，必須采取相應(yīng)措施加強(qiáng)防范。

1)為防止高空墜物，對(duì)主塔爬模操作平臺(tái)進(jìn)行檢查及修復(fù)。各層平臺(tái)邊必須設(shè)置 20 cm 高的踢腳板，轉(zhuǎn)角處使用的腳手板不得小于3塊并且固定牢靠，臨邊必須掛設(shè)安全網(wǎng)，爬模外側(cè)面使用安全格柵網(wǎng)進(jìn)行封閉防護(hù)。在爬模爬升前要全面檢查爬模系統(tǒng)的封閉情況并在爬模上設(shè)置鋼絲繩保險(xiǎn)，檢查合格后方可進(jìn)行模板爬升。

2)本橋兩側(cè)塔梁同步施工時(shí)，在主塔第1層橫撐布置鋼梁防護(hù)平臺(tái)，主要隔斷爬錐、螺栓、短鋼筋、自制扳手等細(xì)小的高空墜物。對(duì)與塔梁同步施工的斜拉索，在索施工完成后，主塔附近范圍內(nèi)的索體外套鐵皮管，再用彩條布對(duì)其纏繞防護(hù)，防止高空墜物對(duì)索體的損傷及污染。

3)上塔柱施工和橫梁墩頂節(jié)間鋼梁架設(shè)施工為同步多層作業(yè)，為保證多層作業(yè)安全，在主塔橫撐上設(shè)置一層安全防護(hù)平臺(tái)，防護(hù)平臺(tái)全封閉。為避免主塔施工時(shí)墜物傷人，安全防護(hù)平臺(tái)周圍安裝欄桿和安全防護(hù)網(wǎng)。底部設(shè)置 20 cm 高的踢腳板，防止小型墜物掉落平臺(tái)后彈出。進(jìn)出鋼梁施工面的安全通道必須搭設(shè)防護(hù)棚，防護(hù)棚頂部采用鋼、木雙層腳手板鋪設(shè)。

4)上塔柱施工爬模操作平臺(tái)必須定期進(jìn)行清理，材料、工具分類堆放到安全可靠的地方，施工鑿毛清理應(yīng)盡量在夜間鋼梁架設(shè)不施工的情況下進(jìn)行，塔柱進(jìn)行大型吊裝作業(yè)時(shí)必須及時(shí)與鋼梁架設(shè)人員取得聯(lián)系，待下方人員全部撤離后方可進(jìn)行吊裝。

5)加強(qiáng)對(duì)主塔、鋼梁、斜拉索3個(gè)作業(yè)隊(duì)施工人員的安全教育，提高安全防范意識(shí)，經(jīng)常召開安全會(huì)議。主塔施工人員禁止拋擲物料、工具等。在鋼梁作業(yè)面設(shè)置防護(hù)平臺(tái)能防護(hù)范圍的警戒線，鋼梁施工人員施工應(yīng)盡量避開上面塔柱施工可能出現(xiàn)物體墜落的位置。

5 結(jié)論

1)塔梁同步施工方案是可行的。

2)塔梁同步施工階段，通過壓重、斜拉索張拉力兩側(cè)對(duì)稱、主塔封頂后卸載并調(diào)整一次索力，能保證主塔順橋向位移與塔底順橋向彎矩與常規(guī)工序施工的結(jié)果基本一致。

3)通過對(duì)稱張拉以及臨時(shí)配重解決大小里程理論索力不平衡、主跨邊跨鋼梁自重的差異；對(duì)于不平衡風(fēng)載與不平衡日照引起的溫差因素，應(yīng)合理選擇測(cè)量時(shí)機(jī)即無風(fēng)或者風(fēng)載荷很小且溫度恒定的時(shí)候進(jìn)行測(cè)量；應(yīng)以不均衡施工荷載250 kN和斜拉索索力偏差2%為控制目標(biāo),嚴(yán)格控制不平衡施工荷載與斜拉索張拉力的誤差，且塔梁同步施工中應(yīng)避免單側(cè)起吊工況的發(fā)生。

4)對(duì)于門式主塔斜拉橋，進(jìn)行塔梁同步施工時(shí)，主塔尚未形成框架結(jié)構(gòu)。此時(shí)需要通過試算法調(diào)整臨時(shí)橫撐數(shù)量與橫撐對(duì)頂力，使主塔橫向位移、應(yīng)力等狀態(tài)與設(shè)計(jì)理論狀態(tài)一致。

5)“零狀態(tài)”測(cè)量選擇在主橋鋼梁節(jié)段架設(shè)完成后、架梁吊機(jī)未提梁未走行、斜拉索張拉完成后、無風(fēng)、溫度較均勻的“時(shí)間窗”進(jìn)行，可以有效避免多種因素對(duì)主塔塔柱線形的影響。

6)塔梁同步施工存在多空間層面作業(yè)問題。通過增設(shè)安全網(wǎng)、防護(hù)平臺(tái)，斜拉索索體外套鐵皮管，加強(qiáng)施工人員安全教育等一系列措施可保障多空間層面作業(yè)下施工人員與斜拉索的安全。