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南京长江第二大桥南汊桥主塔中塔柱施工方案介绍宋达盛红专（湖南省公路桥梁建设总公司）【摘要】本文介绍了南京长江第二大桥主塔中塔柱施工方案构思，较为详细地介绍了主动横撑的设置。【关键词】中塔柱施工主动横撑主动支架被动支架主动力悬臂裸塔爬模施工一、工程概况南京长江第二大桥南汊主桥为双塔双索面五跨连续钢箱梁斜拉桥。其主塔采用倒Y形空间索塔（见图1），塔高195．55m，为钢筋混凝土结构，由下、中、上塔柱和横梁组成。其中中塔柱（从下横梁顶面至中横梁底面）高91.30m，斜率为1：5．8395，截面为非对称六边形空心薄壁结构（见图2）。塔柱及横梁均采用50号混凝土。在施工中要求塔柱的倾斜度不得大于H/3000（H为塔高），轴线偏位允许偏差±10mm。由于塔柱体型特殊，质量要求高，施工操作面小，工程量大，又是高空作业，同时为确保大桥的最佳合龙期，整个塔柱必须在规定时段内完工，从而中塔柱施工成为全塔按质按期完工的一个重要环节。二、中塔拉施工方案构思中塔柱施工现在一般都采用悬臂裸塔法爬模法施工。该方法一可以有效解决高空模板安装就位，提高高空作业的安全性；二摒弃了满堂搭设脚手架管施工的繁琐工艺，大大简化了施工工序，从而可以极大加快施工进度；三可以利用手动葫芦等小型机械设备作为爬架、模板提升的自身动力，大大缓解垂直运输的压力。但这种方法一般都用在索塔高在150m以内、中塔柱斜率较小、施工悬臂不大的情况下。而南京二桥的中塔柱高为91.3m，斜率为1：5.8395，如此高又大斜率的中塔柱如仍然简单地套用通常的悬臂裸塔法爬模施工，则由于中塔柱的大斜率而在大悬臂状态下由自重和施工荷载等产生的水平分力会在中塔柱根部形成较大的弯矩，使中塔柱根部外侧混凝土出现较大的拉应力而引起开裂，且成桥后中塔柱根部内、外侧压应力严重不均而使成桥后中塔柱内侧岸应力严重超出设计要求，从而影响索塔使用寿命。因而在施工过程中设置一定的支撑来减少水平分力的影响，使施工附加应力控制在设计允许范围内是必不可少的。为了减少水平分力的影响设置支撑的方法通常有两种。第一种为在中塔柱施工过程中搭设满堂脚手架支撑。由于此方法①工作量大，耗费人力、物力多，工作效率不高，进度慢，影响工期；②随着塔柱高度的增加，脚手架管的搭设会更加麻烦，而且在风力的影响下，施工安全度也大大下降；③施工中需设置水平稳定流架及塔吊、电梯附墙桁架，这将与满堂架管发生冲突，使其操作产生困难；④满堂支架属于被动支架，它本身存在很大的弹性、非弹性变形，无法克服中塔柱施工过程中自重和施工荷载引起的附加应力，将无法满足施工的需要，显然满堂支架是不能采用的。第二种方法是采用横向钢管支撑：①此方法也可用几道直径较大的横向钢管支撑作为临时横系梁在中塔柱施工过程中分隔一定高度，与塔柱临时团结在一起形成框架，增强塔柱施工过程中的稳定性和安全性，且本身横向有较好的刚度又能作为塔吊和电梯的附墙；②由于施工难度和工作量相对少，效率高，对施工进度有利；③最根本的一点为在安装横向的钢管支撑时可利用它本身较大的刚度和强度用千斤顶对中塔往内壁施力变被动支撑为主动支撑，完成克服中塔柱施工过程中因自重和施工荷载而引起的附加应力的积累，因而采用横撑是较为简洁而又行之有效的方案。中塔柱施工方案原则最终确定为悬臂裸塔爬模法施工加主动横撑的方法。即利用悬臂裸塔爬模施工浇筑至一定高度加设一道模撑主动施力，克服悬臂状态下的附加应力，再继续悬臂浇筑一定高度加第二道横撑，如此类推完成中塔柱施工。成塔后拆除所有横撑。三、主动横撑的设计布置主动模撑的设计布置包括横撑支撑位置、主动力和横撑结构的选定。1．横撑支撑位置确定的原则与方法由于中塔柱根部混凝土截面应力控制是整个中塔柱施工方案设计中的控制关键。确定横撑支撑位置是根据中塔柱根部在悬臂浇筑过程中自重及施工荷载作用下不产生裂缝（应留有安全储备）的最大悬臂高度扣除一定高度（主要考虑爬模工作空间综合塔吊和电梯附着位置）。其方法为：（1）第一道横撑δ=My/J-N/A≤R1Kh=H-Δ式中δ--中塔柱根受拉边缘混凝土的计算拉应力；M--第一道横撑施加前中塔柱根部高度计算范围内的索塔自重及施工荷载在根部产生的弯矩；J--中塔柱根部截面中的惯性矩；y—中塔柱根部截面性轴到受拉边缘的距离；N--第一道横撑施加前中塔柱根部高度计算范围内的索塔自重及施工荷载在根部产生的轴力；A--中塔柱根部截面中的面积；R1--中塔柱浇筑到H高度的中塔往根部混凝土预期标号的极限拉应力；K--安全系数；h--横撑高度；Δ--扣除高度值。（2）其他横撑由于安装好第一道横撑后，其与悬臂状态的中塔柱构成一个框架。第一道横撑上部新浇筑塔柱的自重对第一道横撑位置中塔柱混凝土截面的影响明显。而对中塔柱根部截面应力影响就很小，因而确定第二道横撑位置的方法为对第一道横撑位置中塔柱混凝土截面进行应力控制以确定第二道横撑的高度。依此类推，确定其他横撑的位置，直至中塔柱（含中横梁）浇筑完毕。2．主动力确定的原则横撑位置确定后，主动施力的大小成为控制施工过程应力的关键。力小达不到预期效果，力大过犹不及，甚至会影响中塔柱整体线形。对此，我们对变形和内力进行双控，在满足中塔柱各截面内力的同时确保线形。我们以设计单位提供的理想状态下成塔（在施工过程中不产生任何施工附加应力）的内力为参照，保证塔柱完成后中塔柱内力与其尽可能接近。计算各施工阶段在各节点产生的水平位移，同时计算出在中塔柱施工完成后撤除各横撑后在中塔柱各节点产生的水平位移，将上述水平位移总和作为中塔柱各阶段施工的水平位移调整值（预偏量）使中塔柱线形符合设计要求。3．计算方法与程序（1）计算方法a．按施工加载顺序分阶段计算直至成塔全过程；b．根据计划工期对应施工阶段计算月气温差的影响；C．对应加载阶段计算横撑加压荷载，计算中先按施加单位力（±1000kN）计算；d．计算从上往下逐道撤除横撑，先按施加单位力（±1000kN）代替解除约束来计算；e．根据（c）的计算结果，分别以不同的压力试算，即在单位力影响矩阵上加载；f．根据（e）的计算的结果与（a），（b）的计算结果叠加，由此得出成塔时横撑端的轴力；g．将（f）计算得到的横撑轴力与（d）的计算结合，解出各横撑在撤除过老中的梁端轴力，并由此算出撤除横撑时中塔柱各节点的内力；h．将（g）与（f）的计算结果叠加，即得最终成塔时的内力；i．所得最终结果再按施工加载顺序复算一遍，并加上风载等临时荷载进行复核。（2）计算模型计算模型按平面杆系结构处理，并根据施工顺序建立不同状态的模型（见图3）a．首先建立悬臂状态中塔柱模型，荷载主要考虑自重、施工荷载、风载等，按施工顺序逐段增加，直至中塔柱根部外侧拉应力达到或接近允许值（留有安全储备）（图3（a））；b．在根据前述方法确定第一道横撑位置施加单位水平力（1000kN）（图3（b））；c.安装第一道横撑后，其与悬臂中塔柱形成框架（此时需假设模撑刚度），在此基础上继续分节浇筑，此时以第一道横撑位置截面为主要控制截面，同a理确定此基础上的悬臂值（图3（c））；d．重复步骤b，C直至中横梁浇筑完毕。（3）计算控制目标施工成塔的控制目标有两个：一是施工过程中主要荷载组合工况下塔柱各截面拉应力不超过1MPa（设计方法提出的要求）；二是卸架成塔后，中塔柱弯矩分布与理想状态下成塔的弯矩大体吻合。（4）计算成果通过反复计算比较，得到最终结果。共采用五道主动横撑，其布置见图4（a）。主动施力大小从下而上依次为2000kN，1500kN，1500kN，1500kN和800kN。按施工顺序（含施加横撑主动力）及撤除横撑后索塔应力见表1。图4（b）所示为理想状态成塔与五道主动横撑施工成塔后的中塔柱弯矩图，从图中可看出，采用五道主动横撑施工与理想状态下成塔效果大致吻合。4．横撑结构的确定根据受力计算，每道横撑由4根φ630mm（δ11）钢管组成，顺桥向两两并排对称布置。并排钢管之间用型钢连接组成平面桁架，增加顺桥向稳定，且确保塔吊及电梯附着强度和刚度。为减少横撑自重挠度，增加竖向整体刚度，也为方便横撑的架设和施力，在横撑中部设置8根钢管立柱。立柱上设有顺桥向牛腿，用以支撑横撑。立柱间也用型钢连接，同横撑桥架一起组成空间揭架，增加施工过程中的整体稳定。横撑施力前从中部一分为二，两端与塔柱预埋件焊接，中间部位搁置在立柱牛腿上，利用立柱作为工作平台，在横撑中部设置千斤顶施力系统。施力完成后，将中部焊接联成一体。四、中塔柱方案实施要点及工艺流程1．工艺流程（图5）2．实施要点（l）爬架立模严格按设计给定坐标（含预偏）定位；（2）横撑在车间加工制作，保证加工制作精度，注意横撑端头局部加强处理，防止应力集中，确保焊接质量，通过验收后方能使用；（3）在立柱牛腿上设置限位装置，防止在千斤顶施力过程中横撑移动，保证施力安全；（4）施力过程一般选择在清晨进行，避免日照影响；（5）千斤顶分三级施力，并做好每级横撑加力和位移记录，顶推力到位后千斤顶持压，同时焊接联结钢板，将横撑联为整体；（6）待焊接部件强度达到要求后撤出千斤顶；（7）对每一施工阶段，主要是横撑设置前后，做好中塔柱根部预埋钢弦计记录，随时掌握中塔柱应力情况，如有必要及时调整。五、结束语南京二桥南汊桥南北索塔施工原计划工期从1999年5月26日到1999年8月26日共93天，由于采用了悬臂裸塔法爬模施工结合主动横撑的方法，实际工期从1999年5月25（26）日到1999年8月26日分别在70天和80天内就顺利完成，平均施工进度为1.3m/d和1．25m／d。同时通过在中塔柱根部预埋的钢弦计测得的数据表明，在整个索塔施工过程中中塔柱根部应力始终未超过设计容许应力值，成塔后中塔柱根部内力与计算值基本相符，线形也保持得很好。实测竣工资料表明，索塔轴线偏位小于±7mm，倾斜度小于H/20000，索塔综合评分为97．6分，工程质量优良。实践证明在中塔柱施工中爬模法结合主动模撑对塔柱应力进行控制达到了预期的效果，在高质高速的前提下节省了人力物力，对于既高又斜的塔柱是一种可行的施工方法。