海华大桥工程全桥长1 055.14m, 其中主桥为预应力混凝土单塔双索面斜拉桥, 跨径布置为 (54+96+180) m, 主塔塔柱形式为H形, 总高105.5m, 主塔塔身由塔座、下塔柱、下塔柱横梁、中塔柱、上塔柱、上塔柱横梁等组成。

主塔上塔柱横桥向宽4.8m, 顺桥向宽7.0m, 中塔柱横桥向宽4.8~5.63m, 顺桥向宽7~8.39m, 采用空心矩形截面, 其中下塔柱至中塔柱向内倾斜, 外侧斜率为7.13∶100, 内侧斜率为5.04∶100。上塔柱为垂直等截面构造, 且为环形拉索锚固区, 利用塔壁实体上外凸式齿块来锚固拉索, 锚固拉索自下而上的编号为1~26。

上横梁采用等截面箱形截面, 截面尺寸为6m×5m (宽×高) , 长31.2m;下横梁与0号块主梁固结, 为等截面箱形截面, 下横梁宽7m, 与0号块主梁固结高为6m, 长为36.042m。

主桥施工区域主要跨陈村河道及两岸河堤路, 其主墩及辅助墩、过渡墩均位于陆上, 作业面狭小, 施工场地有限, 附近有村民房屋及花农作业, 施工环境相对复杂。

经复核设计地质报告并结合现场主墩桩基旋挖钻成孔记录, 主墩桥址处原地面面层土主要为生活垃圾、杂填土, 且其下层共有2处超厚、软弱覆盖层, 从地面下挖1m, 即为淤泥层, 其表层淤泥层厚与杂填土层厚5~7m, 而在透过粉砂层及粉质黏土后还存在淤泥质黏土夹层, 厚5.2~11.5m (见表1) 。

采取哪种方案进行施工的决定因素很多, 主要因素由技术指标和经济效益组成, 技术指标一般包含方案的安全性、可靠性、可操作性、结构物所处施工环境、地质状况、结构物构造特性及技术参数等;经济效益主要包含为工期和施工成本。技术指标的主要内容直接影响经济效益, 而其具体决定因素由结构物构造特性、所处施工环境以及地质状况确定。

根据常规桥梁施工经验, 主塔施工主要可采用的方法有液压爬模施工、后移式悬臂模板施工;下横梁采用的施工方案主要有落地钢管组合支架施工、盘扣式满堂支架施工;上横梁施工的主要方法有落地钢管组合支架施工、空间托架式组合支架施工。

根据不同的备选方案及优缺点特性, 塔柱施工备选方案具体分析如下。

1) 方案1:液压爬模施工 以液压为动力, 通过油缸提模、提杆双作用, 使导轨与架体实现互爬, 除安装及拆除外, 整个爬升过程均不需要任何其他吊升设备。在斜塔身施工中, 液压自爬模能通过调整附墙挂座角度从而限定爬轨方向, 再由液压系统控制爬架沿爬轨方向爬升, 从而完成整个爬模架体的斜爬工作。优点为: (1) 结构整体性强、抗震性能好、安全作业有保障、环境与经济综合效益显著; (2) 爬升速度快, 提高工作效率; (3) 混凝土施工线形好, 有较好的外观质量。缺点为: (1) 搭设及拆除工期较长; (2) 施工成本高; (3) 体系复杂, 各构件受力计算要求高; (4) 可整体爬升, 一次爬升不落地。适合主塔施工采用。

2) 方案2:后移式悬臂模板施工 该方案为液压爬模的简化版, 利用悬臂挑架及预埋锚锥挂座, 通过起重设备进行模板提升施工, 可适用于等截面及变截面主塔施工。优点为: (1) 结构简单, 受力明确; (2) 组装工期短, 安拆方便; (3) 施工混凝土外观线形较好。缺点为: (1) 模板翻转过程安全风险高; (2) 单次起重量较大, 需大型起重设备配合; (3) 仅可单侧提升。因此不采用该方案。

上、下横梁备选方案具体分析如下。

1) 方案1:盘扣式满堂支架采用换填压实的方法进行基础处理至设计承载力要求, 并浇筑混凝土垫层, 采用租赁或购置定型盘扣式支架进行人工搭设, 加设纵、横剪刀撑增强整体稳定性, 后铺设主龙骨搭设木方模板形成支架系统。优点为: (1) 盘扣支架材料为工厂化生产定型材料, 搭设操作流水线作业, 不需要重型起吊设备辅助; (2) 支架体系质量较轻, 支架材料成本较低。缺点为: (1) 对基础要求高, 并需做好排水设施, 基础处理一次性投入费用较大; (2) 支架搭设高度受高宽比局限; (3) 搭设及拆除工期较长。因此不采用该方案。

2) 方案2:落地钢管贝雷片组合支架 采用扩大基础或施打管桩等基础构造, 通过大钢管的接长合理布置立柱钢管数量, 通过横向连接剪刀撑的设置缩小长细比增强其承载力, 并铺设主梁及贝雷片、分配梁等结构形成支架体系。优点为: (1) 结构整体稳定性良好, 支架整体变形较小, 易于控制结构线形; (2) 支架搭设可提前下料, 整体吊装工序较少, 搭设工期短。缺点为: (1) 对各构件焊缝质量要求较高; (2) 单次起重较大, 需大型起重设备配合; (3) 结构复杂, 受力计算要求高。因此可用于上、下横梁施工。

3) 方案3:空间托架式组合支架 利用主塔结构物设置预埋件, 通过复杂的空间体系, 搭设悬空托架作为承重结构, 通过大型空间杆件传力至主塔结构物, 上铺主梁及贝雷片等构件形成支架体系。优点为: (1) 用钢量少, 成本较低; (2) 整体吊装工序较少, 搭设工期短。缺点为: (1) 对各构件焊缝及连接质量要求较高, 存在较大风险; (2) 单次起重较大, 需大型起重设备配合、安拆工艺复杂; (3) 结构复杂, 受力计算要求高。因此不采用。

海华大桥主塔高达105.5m, 截面由下、中塔柱四面收口变截面过渡为上塔柱等截面, 施工难度均较大, 高空作业安全风险高, 根据施工需要及技术要求, 采用更为先进的液压爬模及进口维萨模板施工, 不仅可降低施工风险、加快施工进度, 同时也保证主塔施工外观质量, 在节省施工工期的同时, 节约大型起重设备的租赁费用, 创造生产效益。

施工流程为:混凝土浇筑完成→拆模并后移→安装附墙装置→提升导轨→爬升架体→绑扎钢筋→模板清理→刷脱模剂→埋件固定在模板上→合模→浇筑混凝土, 如图1所示, 其中图1a为已浇筑混凝土, 达到要求强度后, 拆除模板;图1b为安装埋件挂座, 通过液压装置提升导轨;图1c为拆除下部埋件挂座, 以备下次周转, 通过液压装置提升支架 (一面为1组) ;图1d为绑钢筋、截模板、安装预埋件;图1e为支模, 连接对拉螺杆;图1f为浇筑该节混凝土。

1) 预埋件安装 将爬锥用安装螺栓固定在模板上, 爬锥孔内抹黄油后拧紧高强螺杆, 保证混凝土不能流进爬锥螺纹内, 埋件板拧在高强螺栓的另一端。锥面向模板, 和爬锥成反方向。埋件如和钢筋冲突, 将钢筋适当移位处理。

2) 提升导轨 将上、下换向盒内的换向装置同时调整为向上, 换向装置上端顶住导轨, 将导轨向上顶升, 导轨就位后将其固定。

3) 爬升架体 爬升或提升导轨液压控制台有专人操作, 每榀架设专人看管是否同步, 发现不同步, 可调液压阀门控制。

4) 导轨提升后应拆除下层附墙装置, 方便周转使用。

根据地质状况, 如果采用满堂支架进行施工则清淤换填厚度达5m以上, 不仅换填工期会延长, 而且投入不具备回收价值, 单一项基础处理的成本也会增加;且桥址区底层中间位置淤泥夹层对基础沉降控制将存在较大风险, 无法保证基础的稳定性。

方案只能从落地钢管贝雷片组合支架进行考虑。如果采用扩大基础进行施工, 会存在地基承载力不足以及基础不均匀沉降的问题, 也不可采用。而采用钢管桩基础进行施工, 根据此地质状况进行单桩承载力估算, 至少需施打至中风化层以下, 即钢管桩长22.4~27.9m, 因下横梁距离地面仅10.5m, 后续钢管桩拔除将存在严重困难, 若采取边拔桩、边割管的施工工艺进行回收, 则回收的钢管长仅2~4m, 后期无法重复利用。

如果落地钢管贝雷片组合支架能有效利用两侧净间距达21.4m的固有主墩承台基础, 则所有问题将迎刃而解, 直接采用布置间距为21.4m的大直径直钢管立柱, 立柱受力能满足要求, 但承重梁以及贝雷梁的承载力会过大, 无法满足强度与刚度要求, 能否采用大角度斜腿钢管立柱构造调整承重梁间距进行设计, 并保证支架的实用性、安全性以及经济性满足现场施工要求, 是解决此问题的关键。

采用钢管桩支架, 将钢管直接落在承台及塔座位置的预埋钢板上, 支架立柱钢管采用φ800×10和φ630×8螺旋管, 其中中间2根设置为斜56°的斜管立柱, 坐落在承台预埋件上, 顶部加设横撑φ630×6钢管, 其他立柱采用直管立柱, 平联采用双I45, 立柱钢管跨径布置为 (1.5+3+3×9+3+1.5) m。支架体系横向布置如下:斜钢管桩及中间位置直钢管桩横向对称布置4排, 贝雷片在横梁腹板位置并排密布, 间隔位置采用45号花窗连接45cm, 分配梁采用I18, 上铺设木方模板形成支架体系。下横梁支架构造断面如图2所示。

1) 荷载取值

荷载取值主要为混凝土荷载容重26k N/m³, 模板荷载取2k N/m², 施工荷载取4k N/m², 混凝土倾倒荷载取2k N/m², 振捣混凝土产生的振动荷载取2k N/m², 荷载分配系数恒荷载为1.2, 活荷载为1.4, 风荷载取22.4m/s, 风速计算荷载结果为1.09k N/m²。

2) 计算过程

所有支架结构受力计算采用MIDAS/Civil 2015进行模拟计算, 对支架构件采用模拟实体进行建模, 所有杆件均采用一般梁单元模拟。边界条件为支架立柱底部采用固定约束, 平联与立柱交叉位置采用刚结, 端部约束x, y平面自由度;主梁与钢管支架采用弹性连接方式 (见图3) 。

3) 钢管立柱弯压构件稳定性计算

由于斜钢管立柱同时承受压力及弯矩作用, 对其稳定性验算极为重要, 故需按照弯压构件的稳定性进行计算 (见表2) 。

弯矩绕x轴作用的压弯构件, 其弯矩作用平面内的整体稳定性按下式计算。

式中:N为所计算构件段范围内的轴心压力, 本例计算的最大值为2 808.1k N。N'_Ex为参数, N'_Ex=π²EA/ (1.1λ_x²) =24 277.188k N;E=2.10×10⁵MPa;A=24 800mm²;λ_x=43.85;γ_x为截面塑性发展系数, 圆管截面取值1.15;φ_x为弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数, 取0.885;M_x为所计算构件段范围内的最大弯矩, 计算得83.39k N·m;W_1x为在弯矩作用平面内, 对较大受压纤维的毛截面模量, W=π (D⁴-d⁴) / (32D) =4 838 720mm³。

按无横向荷载作用时:

式中:β_mx为等效弯矩系数;M₁和M₂为端弯矩, 使构件产生同向曲率时取同号, 使构件产生反向曲率时取异号, , 本例M₁=83.39k N·m, M₂=-15.49k N·m;则β_mx=0.585。

则支架弯压整体稳定性满足要求。

1) 方案确定思路

海华大桥主桥主梁宽度达38m, 上横梁宽达31.2m, 采用空间托架式组合支架体系, 需要的斜杆支撑≥4道, 且结构构造复杂, 对主塔产生的水平推力将导致主塔局部应力集中, 对主塔产生较大的不利影响, 且考虑上横梁距离下横梁高度仅42m, 故采用落地钢管组合支架进行施工, 不仅可满足施工要求, 且能有效降低对主塔结构的风险, 提供安全储备。

2) 支架构造

上横梁支架结构形式与下横梁支架基本类似, 立柱间距布置分别为 (9m+9m+9m) , 顶部采用2cm钢板作端头板, 主梁采用三拼I56a。

支架体系横向布置如下:中间钢管桩横向对称布置3排, 间距分别为3, 3m, 边管间距为6m。贝雷片在横梁腹板位置并排密布, 间隔位置采用45号花窗连接45cm, 贝雷支架承重体系顺桥向截面总计16榀, 横桥向布置9榀, 倒角位置采用定型[10桁架片, 布置间距为腹板位置40cm、底板位置60cm。直接在贝雷片上铺10cm×10cm木方, 间距为20cm、底模板采用1.5cm竹夹板, 侧模采用定型钢模板组合拼装。其计算方法与下横梁一致。

1) 施工前准备 立柱支撑预埋钢板安装, 提前计算好预埋件安装位置, 并在承台或下横梁浇筑至相应标高时, 保证预埋件纵、横向及标高符合设计要求, 及其上下轴向一致。

2) 搭设上下梯步 沿钢管竖向用25钢筋焊上、下简易爬梯, 在钢管对接位置采用25钢筋焊接安装操作平台, 并布置护栏防护网。

3) 下横梁整排斜管立柱下料 按照设计斜管角度及长度, 将横向2根斜管立柱与顶部对称钢管进行整体焊接, 形成斜管排柱, 并保证柱顶钢板左右水平, 加设斜管端头支撑筋板, 增强应力集中位置抗压能力。

4) 吊装立柱 排柱采取整体吊装, 利用2台塔式起重机双点同步起吊, 安装于承台预埋件位置, 并进行焊接作业, 直立柱采用提前下料后单根吊装作业。

5) 安装三拼I56a 在安装前要对立柱顶口进行处理 (焊内十字筋板, 找平后加设盖板) 。工字钢搁置在盖板上, 其盖板采用1m×1m的2cm厚钢板与钢管端头焊接, 四周加设≥4块1cm厚的三角劲板进行补强, 钢管立柱盖板必须水平, 以保证主梁水平受力均匀, 并在工字钢端头及中间位置加设1cm厚劲板进行补强, 提高主梁的抗弯强度;然后整体吊装至钢管端头板位置, 并焊接限位钢板进行固定。

6) 吊装贝雷架 贝雷架采用分节整体吊装, 并对相邻贝雷片横向花窗或[10进行连接。

7) 支架预压采用预制混凝土块进行模拟荷载质量法堆载预压, 按1.2倍混凝土荷载作为安全储备进行分级预压。现场利用混凝土预制块作为预压材料。按照混凝土荷载分布情况进行堆载, 并监控支架沉降情况, 经检测, 最大弹性变形为1.2cm, 非弹性变形3mm, 符合模板计算结论及规范要求;预压监控点布置如图4所示。

安装完劲性钢骨架后, 将斜拉索导管与骨架相切处的高程用水准仪及钢尺传递在骨架上, 在此标高处用焊接固定钢板作全站仪精确定位用。采用极坐标法将索导管粗略定位, 然后用全站仪分别在内、外2块钢板上放出与索导管相切的切点位置 (x, y, z) , 同时再用全站仪检查偏位。保证定位精度控制在高程偏差±10mm, 轴线偏差<5mm。

首先放样锚固钢套管于劲性骨架上, 使之基本就位;然后将直径等于锚固钢套管内径的自制圆盘标志件放入锚固钢套管并固定, 使其盘面与锚垫板面位于同一平面, 此时盘心即锚固钢套管锚垫板的中心;将另一半圆标志件放入锚固钢套管管口并固定, 此时盘心即锚固钢套管中心线上一点 (不必精确在管口设计位置) , 然后由控制点上的全站仪直接测量锚固钢套管的锚垫板中心和管口中心三维坐标, 并由实测坐标计算2个中心间距;将锚垫板中心调整到设计位并检测, 如图5所示。由锚垫板中心实测坐标 (调整到位后) 、斜拉索的空间方向余弦 (设计值) 和2个中心间距计算管口中心的设计坐标。将管口中心调整到设计位并检测, 然后计算实测点位至斜拉索轴线的垂距 (偏差值) , 由于调校管口时可能引起锚垫板移动, 故应复测锚垫板中心并再次检测, 直到满足定位精度要求。

1) 工艺特点 为减小预应力施工槽口对主塔结构钢筋的冲突以及混凝土外观影响, 主塔预应力采用深埋锚环向预应力施工工艺, 如图6所示。该工艺主要特点是将传统张拉槽更改为深埋锚套管, 其构造采用长400mm、直径仅299mm的钢圆筒与锚垫板通过螺栓连接, 在张拉完成后可采用等强度材料快速封锚, 以微小的封锚创口修复方式保证其主塔外观质量。

2) 张拉技术难点 由于深埋锚套管相比传统预应力槽口施工, 其张拉端为内陷构造, 距离主塔混凝土面达40cm, 采用传统千斤顶限位装置其厚度仅可延伸3~5cm, 直接使用将因无法安装千斤顶而无法进行张拉操作。故需采取措施将限位板及张拉端延伸至主塔混凝土外侧与千斤顶连接进行张拉。

3) 解决方案及过渡套设计 采用加厚限位板的方式进行操作将导致限位板厚度>40cm, 其质量将达168kg, 且穿引钢绞线通过将存在较大困难。而端头采用传统3cm厚限位板, 并通过过渡套管进行延伸与千斤顶相连, 对过渡套进行材质选用处理, 且确保受力安全的情况下, 可解决张拉端延伸至塔柱外侧的张拉问题。

经设计计算, 采用优质碳素结构钢45号钢, 经调质热处理后硬度在30~35HRC, 其抗拉强度在989~1 119MPa, 设计厚度为3cm、长40cm的管型过渡套。为确保使用过程安全, 在顶部设计吊环安装孔以方便吊装, 在与限位板连接位置设计连接螺丝孔, 确保限位板与过渡套在安拆过程中可同步进出深埋锚孔, 以方便现场操作, 如图7所示。

1) 主塔爬模施工过程中, 存在由变截面转为等截面的过渡节段, 爬升导轨在该节段施工时, 会存在导轨倾角与主塔折线位置冲突的情况, 需对预埋件位置进行合理调整, 方可保证导轨的顺利爬升, 避免与塔柱混凝土冲突。

2) 爬模施工过程中的最不利工况是在模板拆除后、上架体后移时, 该工况处于高空, 受风面如果正对模板面, 对锚锥及架体的受力最大, 故在恶劣天气预警状况时, 必须采取措施 (如手拉葫芦) 对架体与已浇筑主塔节段进行固定, 确保爬模架体安全。

3) 海华大桥下横梁施工有效地利用大净距分离式承台基础, 采用大角度斜腿钢管支架构造, 圆满地完成了施工任务, 顺利解决了在软弱地质状况下控制不均匀沉降的施工难题, 并缩短支架基础处理工期7d, 节约基础施工成本达20万元, 为项目部成本控制及加快施工进度做出贡献。

4) 大角度斜钢管立柱支架的横撑以及斜立柱同时承受压力和弯矩, 在其局部稳定性验算过程中, 不能单纯套用压杆稳定性进行验算, 必须采用弯压构件的稳定性计算公式进行复核, 确保支架结构整体稳定性计算结果的科学性与准确性。

5) 在施工过程中, 斜管立柱及落地支架的顶口斜面下料尤为关键, 稍有偏差, 就会造成安装标高与设计不符、顶面斜口不水平而需要进行调整, 根据标高偏差情况采用加塞钢板或者安装钢管支垫进行调整水平以保证主梁均匀传力, 必要时可在钢管支垫空心部分浇筑混凝土, 增强其抗压承载力。

6) 由于深埋锚工艺的特殊性, 当预应力施工过程中出现锚垫板破损、锚具内陷等不利情况时, 其处理难度非常大, 故需加强深埋锚节段混凝土振捣质量, 提高混凝土密实性, 确保施工质量。

在海华大桥主塔施工过程中, 不断地进行方案比选与优化, 合理利用既有施工环境条件, 敢于打破常规, 采用创新方案, 解决了斜拉桥小斜率主塔施工外观质量、下横梁施工在大净距分离式承台施工支架搭设、深埋锚预应力施工等技术难题, 有效节约了施工成本, 提高了生产效率。