李偉    陳寧賢    李璘琳

摘  要：介紹了二七長江大橋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。
關鍵詞：方案比選  整體吊裝  邊支點  預應力  新工藝
1  概況
武漢二七長江大橋主橋為三塔雙索面斜拉橋，4#主塔為三塔斜拉橋的中塔，采用“花瓶形”混凝土結構，承臺以上塔高209m。塔柱按外形從下至上可分為下塔柱、橫梁、中塔柱、上塔柱及塔帽五個部分。主塔橫梁設計為空腹的預應力混凝土結構，橫梁寬13.0m；橫梁直線段其底面標高+49.000m（黃海高程，下同），頂面標高+55.000m，橫梁高6.0m；從下塔柱與中塔柱外側交點處算起，橫梁總長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橫隔墻過渡。中間兩個大室內腔尺寸為18.2m×5.3m×4.4m，兩端四個小室內腔尺寸為4.1m×2.34m×4.4m，各室四周均設有倒角50×50cm。橫梁頂面與中塔柱設置倒角1.0×1.0m過渡連接,橫梁底面與下塔柱設置倒角3.0×2.0m過渡連接。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。
橫梁為預應力混凝土結構，砼等級為C50，梁內縱向（橫橋向）設置91束19φj15.2預應力鋼絞線束；采用19孔群錨，內徑φ100mm波紋管成孔。橫梁結構如圖1所示：

圖1  4#墩橫梁結構示意圖
2  橫梁施工關鍵技術
2.1  橫梁澆筑施工方案比選
4#主塔橫梁結構龐大、復雜、自重大，從下塔柱與中塔柱外側交點處算起，橫梁總長48.0m，寬13.0m，橫梁段高6.0m，塔柱段高9.0m。相應的技術參數見表1：
表1  橫梁技術參數表
底標高（m） 頂標高（m） C50砼（m3） 鋼筋（t） 鋼絞線（t）
+47.000 +56.000 3191 448.4 92.8
注：表中標高為黃海高程，單位：m
目前國內對于此種橫梁的澆筑方法應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量，且鋼筋施工較為簡單，可加快施工進度。但是由于混凝土方量大，施工時間長，當澆筑橫梁上部混凝土時，橫梁底板混凝土已凝固，此時由于下塔柱是外傾結構，垂直于塔身的自重分力會使橫梁底板產生拉應力，從而導致凝固的底板混凝土產生開裂。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斷，施工時，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施工，互不影響，可加快整體施工進度。而且塔梁分開施工，可避免施工外傾型塔柱混凝土時對橫梁底板產生拉應力而導致的底板開裂問題。但是根據4#主塔橫梁的結構特點分析，分段澆筑也有以下弊端：
⑴橫梁工期與塔柱第7、第8節工期基本匹配，沒有塔梁同時施工的工期優勢。
⑵橫梁結構復雜，在下塔柱與橫梁底結合段有3.0×2.0m的倒角過渡連接，中塔柱與橫梁頂結合段有1.0×1.0m的倒角過渡連接，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，分段處的鋼筋和預應力管道都要切斷，加大了此段鋼筋及模板的施工難度。公路部門一般的做法是將鋼筋連接套留在混凝土面，將導致所有鋼筋接頭在同一截面上，規范不允許這樣操作。
⑶由于橫梁處在中下塔柱轉角處，爬模在該處本來就需要拆裝一次，塔梁分開施工，沒有工期優勢。
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高度范圍內的塔柱一起分二次澆注，標高+47.000m～+56.000m，總高度9.0m。第一次澆注標高+47.000m～+52.000m段，共5m高；第二次澆注標高+52.000m～+56.000m段，共4m高。如圖2所示。在下塔柱與中塔柱分節處分層有以下優點：
⑴此處塔身由外傾轉變為內傾，塔柱爬模系統需在此處進行一次體系轉換，塔柱模板施工不影響橫梁模板的施工。
⑵下塔柱第7節、第8節工期正好與橫梁工期匹配，塔梁同時施工不會影響整體施工進度。
根據以上分析，對三種方案進行綜合比選，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單，節約成本，不影響整體施工進度。

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拉
4#墩主塔下塔柱為外傾結構，當橫梁施工時，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生拉應力。由于下塔柱柱腳結構尺寸龐大，為16m×12m,通過設計院計算得出此處拉應力很小，且塔身變形也很小，可忽略不計，故不需要在橫梁施工前將下塔柱進行對拉。為防止在澆筑橫梁第二節混凝土時，橫梁底板開裂，根據計算，在澆筑橫梁第二節混凝土前，需張拉6束橫梁底板預應力束。
2.3  橫梁承重結構的設計與施工
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。鋼管支架整體結構剛性大、受力明確，施工過程中的壓縮變形量很小，幾乎不產生其他變形，可有效保證施工完成后橫梁結構的線型。
橫梁支架由鋼管立柱、邊支點、鋼箱梁和底模系統組成。鋼管立柱支承在塔座上，底部與塔座頂預埋件焊接。順橋向布置三桁，桁間距6.1m；邊支點利用拉桿錨固在主塔上；鋼箱梁支承在鋼管立柱和邊支點上，并在傾斜的的立柱頂斷開；底模系統由竹膠板、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 鋼管支架的設計
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為2[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構，桁片高1.2m，排間距1m，共12個連接系。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，對支架系統進行受力計算。整體計算模型如圖4所示：

圖4  4#墩橫梁支架整體計算模型示意圖
通過計算和分析，鋼管立柱、鋼管立柱間連接系、鋼箱梁、鋼箱梁連接系和HM588×300分配梁的強度和穩定均滿足要求，結構安全。此鋼管支架剛性大，鋼管柱柱腳與塔座頂部預埋件焊接牢靠，在橫梁施工荷載作用下幾乎沒有豎向非彈性變形，彈性變形也很小，經設計院與監理單位同意后不需對鋼管支架進行預壓。
2.3.2  鋼管支架的施工
為了加快施工進度及減少現場焊接量，鋼管支架的施工采用整體吊裝的方法。根據現場浮吊(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。首先在鋼結構車間將單根鋼管焊接至設計長度后運至碼頭，然后在碼頭1600t駁船上組拼成桁片，組拼焊接完成后運至現場整體吊裝。整體吊裝如圖5所示，吊裝步驟如下：
⑴吊裝上游側直立柱桁片，并拉纜風調整柱頂位置；
⑵吊裝下游側直立柱桁片，并拉纜風調整柱頂位置；
⑶焊接兩片直立柱間連接系，解除纜風；
⑷吊裝下游側斜立柱桁片，并拉纜風調整柱頂位置；
⑸焊接下游側直立柱桁片與斜立柱桁片間連接系，解除纜風；
⑹吊裝上游側斜立柱桁片，并拉纜風調整柱頂位置；
⑺焊接上游側直立柱桁片與斜立柱桁片間連接系，解除纜風。

圖5  鋼管支架整體吊裝圖
2.3.3  邊支點牛腿的設計與施工 
以往的牛腿設計一般是在塔柱上預埋大型預埋件，然后在其上焊接牛腿，以此作為邊支點的支撐底座。此種結構有以下弊端：
⑴預埋件較大，主塔鋼筋較密，預埋件現場定位安裝較困難；
⑵牛腿既要抵抗豎向荷載產生的彎矩，又要抵抗剪力，本身結構大；預埋件現場焊接工作量大，費工費時；
⑶由于預埋鋼板在混凝土表面，此塊混凝土的外表修補很難處理，將長期影響混凝土的外觀質量。
為了解決以上弊端，此邊支點牛腿的設計采用預應力體系，利用事先加載的預應力產生的彎矩來平衡豎向荷載所產生的彎矩，牛腿本身只承載豎向荷載所產生的剪力，此種結構小巧輕便，便于施工。牛腿示意圖如圖6所示。此結構受力明確，結構簡單，施工方便，只需在塔柱相關位置埋設預應力管道及空出牛腿位置。施工中大大減少了現場焊接量以及混凝土外表修補工作，而且對今后混凝土的外觀質量沒有任何影響。牛腿的施工步驟如下：
⑴在管道中穿φ32預應力鋼筋；
⑵安裝后錨點，吊裝牛腿；
⑶對預應力鋼筋進行張拉，根據計算張拉力為40t。
通過以上三步驟，依次完成邊支點牛腿的安裝。

圖6  鋼箱梁邊支點牛腿示意圖
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，面板的背面豎直設置H20木工字梁，在木工字梁背面水平設置2［14背肋。為了固定外模，需在每塊模板外側安裝兩個支撐架支撐，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  鋼箱側模支撐架示意圖
施工時首先利用HM588×300分配梁的外挑部分搭設施工平臺，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。橫梁部分側模施工為一次立模6m。一次立模的原因有二：
⑴橫梁側模有部分利用塔座模板，塔座模板高6m。
⑵省去施工第二節橫梁時，拆模裝模的步驟，加快施工進度。
注意：為了混凝土外觀質量美觀，需保持側模面板的干凈。這樣就需在澆筑橫梁第一節混凝土前將第二層側模面板用塑料布包裹，以免在澆筑第一節混凝土時，污染側模面板。
3  結束語
二七長江大橋4#主塔墩橫梁施工，通過采用先進的施工工藝和多項有效的技術措施，施工過程十分順利，保證了設計要求的精度，同時加快了施工進度，僅用一個月就完成了橫梁施工，節約了施工成本。其中邊支點牛腿的設計是一項十分值得推廣的新工藝、新技術。