自锚式悬索桥钢箱梁架设方案及关键技术研究

1 工程概况

沈阳某跨河桥全长1460m，其中主桥采用40m+90m+220m+90m+40m五跨半漂浮体系双索面连续钢桁架桥塔自锚式悬索桥，主跨跨度220m；引桥分别采用3m×40m和5m×40m等截面连续钢筋混凝土组合梁；主塔采用钢桁架塔柱与混凝土塔座的组合形式；主缆采用双缆索面。桥梁中部跨河总长800m，桥梁宽40m，为机动车双向八车道，桥梁总用钢量约19000t，大桥布置如图1、图2所示。

     

图1 大桥主桥桥型布置示意

     

图2 大桥标准横断面示意

（1）主桥：采用整幅扁平流线型钢箱梁结构，有索区钢箱梁宽43.3m，配重跨无索区钢箱梁宽40m，有索区钢箱梁中心梁高3m，配重跨梁高2.3m，顶板为正交异形板结构，主缆直接锚固于两侧锚拉板上，锚拉板与主梁采用焊接连接，锚固处梁高局部加厚为4.8m。钢箱梁主体结构采用Q345E和Q345D钢板，钢结构重约11406.04t。

（2）引桥：采用等截面连接钢筋混凝土组合梁，标准段梁高2.2m，箱梁全宽40m，呈单箱八室布置。桥面设置1.5%横坡，横向在车行道范围内为封闭箱结构，在人行道范围内为底板敞开的挑臂结构。桥墩承台采用预制拼装和现浇2种形式，桩基均采用混凝土灌注桩。

（3）主塔：采用拱门式桥塔，塔柱由4根主弦杆及腹杆组成，钢塔柱上部以桁架式拱形横梁连接，总高66.623m，桥面以上塔高45.05m，主塔中心横桥向间距36m，下部12m为混凝土塔座，洪水位以上采用钢桁架桥塔结构，上、下游侧主塔之间采用钢箱拱门连接成整体。钢塔及塔顶横梁主体结构采用Q345E和Q345D钢板，钢结构重约2622.8t。

（4）主缆及吊索：主桥主缆共2根，每根由19股127丝5.2mm预制平行（PPWS）钢丝索编排而成，钢丝为高强镀锌钢丝，钢丝强度1670MPa。主缆采用冷铸锚锚固体系，每根索股两端各设1个锚头。主缆经过散索套后，呈辐射状分散，穿过各自导管，分别锚固于加劲梁端部的锚箱横梁上。主缆在架设时竖向排列成尖顶的近似正六边形，紧缆后主缆为圆形。主缆总长878m，重约331.2t。

（5）吊杆标准间距为9m，吊索采用GJ15–19型环氧喷涂钢绞线整束挤压吊索，缠包后外挤HDPE，抗拉强度为1860MPa，全桥共74根。吊杆上端与索夹采用叉耳板销接，下端采用冷铸镦头锚锚于横梁底部，从梁底张拉锚固。

2 大跨度双索面悬索桥梁跨河施工

钢箱梁为全焊接结构，将主桥钢箱梁沿横向分为10段，单块宽度为2.25~5m，长度为7.25~15m，满足道路运输条件，工厂内在调整的胎架上整体试拼，分块下胎涂装完成后运至现场，桥位吊装定位完成后焊接连成整体。南北两岸同时架梁，直至在主跨跨中合龙。钢箱梁标准段分段示意如图3所示。

     

图3 钢箱梁标准段分段示意

钢箱梁吊装架设全部采用河面筑岛施工的方法，筑岛宽度为60m，两侧宽于桥面各10m，南北岸分别采用1台150t履带式起重机吊装，筑岛河面预留宽50m河道，供河水流向下游侧。迎水面采用砂袋堆砌，砂袋前端全部采用土工织物覆盖，防止河水冲刷砂袋。在打桩时优先施工筑岛范围内的全部桩基、承台、承重支架，等全部施工完毕后，回填预留的50m河道，同时重新开挖已经施工完成的筑岛土方，将50m预留河道改道至下部结构已经全部施工完毕的位置。采用该方法完成全部河道内下部结构的施工，有效解决了桥梁深水宽河面施工的难题。

3 大跨度双索面悬索桥梁架设关键技术研究

3.1 深水河道主墩基础施工

主塔5号、6号墩均位于河道中，采用整体承台结构，承台下方设置9根2.0m桩基础，桩长40m，桩基均嵌入基岩10~12m。承台底面平面尺寸为15m×15m，承台高5.0m。5号墩河床底标高为+37.580m，6号墩河床底标高+35.640m，常水位为+41.000m。桩基和承台施工均位于河流枯水期，因此主桥基础施工采用筑岛施工，枯水期水面标高为+39.200m，筑岛顶面标高按照现有水位+2.000m，即+41.200m控制。筑岛周围采用堆砌砂袋防护。

桩基采用钻孔灌注桩，利用旋挖钻机施工；承台采用钢板桩围堰支护，分层开挖基坑；承台及承台系梁混凝土采用分段、分层法浇筑，并按照大体积混凝土浇筑方案制订温度控制措施，在承台内部布设专用冷却水管，降低承台混凝土内、外温差。

主塔承台位于卵石层上，承台底面位于常水位以下8m。承台边界外扩15m采用山皮石筑岛，筑岛顶面标高+41.700m，高出枯水期水面（标高为+39.700m）2m。主墩承台基坑采用四面拉森Ⅳ钢板桩围堰支护，钢板桩长18m，钢板桩围堰的平面尺寸以承台外缘2m处设置，截面尺寸为400mm×180mm，5号、6号墩承台尺寸为51m×15m，钢板桩围堰尺寸为55m×19m。

为减少钢板桩深度，施打前将筑岛填土铲除2m，采用1∶1放坡，施打钢板区域场地标高为+39.700m，钢板桩顶高出地面0.1m。主墩钢板桩围堰采用2层围囹支撑，第一层围囹设置于钢板桩顶面以下1.1m，第二层围囹设置于钢板桩顶面以下3.6m，基坑开挖6.94m，钢板桩锚固深度为11.06m，无封底混凝土。

基坑开挖采用履带式长臂挖掘机进行开挖，分3个层次。采用坑内设置集水坑抽水，干作业开挖土方，边挖边抽，挖至垫层标高以上20cm时，采用人工配合开挖，保证坑底不超挖。

3.2 钢桁架式主塔施工

主塔采用钢桁架塔柱与混凝土塔座组合的形式，从下至上分别由桥塔混凝土塔座、钢桁架塔柱、塔顶鞍罩及塔顶装饰构造物、塔顶横梁组成。全桥共计4个主塔，钢塔柱上部以箱式拱形横梁连接。混凝土塔座高度为12m，采用变截面空心箱形截面，平面尺寸为7.2m×6.6m；塔座下部平面尺寸为7.8m×7.2m，壁厚均为1.3m，采用C50混凝土。塔座钢筋混凝土结合段为6m长四柱箱梁格构式结构，与塔座混凝土采用预埋精轧螺纹钢筋连接。

下部混凝土塔座采用“模架一体化”工艺进行施工，模板采用工厂化加工的标准钢模；塔座混凝土浇筑采用分段浇筑、泵送入模工艺。

上部钢桁架塔柱及横梁按照高度方向划分为8段，在工厂内加工制造成钢塔柱节段。现场采用150t履带式起重机将桥面分段吊装至塔位，采用栓、焊结合方式连接成整体。

主塔在施工过程中设置专业监控，监控索塔整体线型、塔顶偏位、控制截面应力，掌握施工动态趋势并及时反馈，以保证索塔施工稳定和垂直精度。

精轧螺纹钢筋预埋：采用专门设计的钢筋混凝土结合段预埋件，安装专用模板，精确定位预埋精轧螺纹钢筋的预埋位置。

3.3 缆索系统施工

桥梁采用先梁后缆的施工方法，钢梁安装及合龙后，由于主梁重量重、刚度大，在沈阳地区温差变化大的情况下，如何保证悬索桥成桥线型、各构件内部应力符合设计要求及体系转化等，这是悬索桥缆索系统施工的重点。缆索施工采用猫道辅助施工，猫道主要由承重缆索、猫道面、栏杆、扶手、滚筒等组成。猫道面低于主缆中心约1.3m，在综合考虑主缆直径、边跨主缆间距、紧缆机和缠丝机最小工作空间的基础上，猫道面层的总宽度设计为3.5m。

主缆及吊杆的安转及张拉施工，采用校企科研合作的方式，邀请专家对缆索系统施工全过程进行指导，实时发出监控指令，施工现场根据监控指令及时调整缆索及吊杆。

索股两端设索股锚头，索股锚头采用热铸锚，在锚杯内浇筑锌铜合金，使主缆钢丝与锚杯相连。锚具通过楔形钢垫板支撑于主梁上铸钢后锚面上，并与锚头端面垂直。主鞍座由鞍槽及主鞍座座体下部组成，为铸焊结构。其中除座体环形肋板与座体底板纵肋采用Q345D钢板外，其余均采用铸钢结构。

主缆紧缆完成后，先进行捆扎并安装索夹，待桥面系施工完成后，进行缠丝等防护工作。主缆在主索鞍鞍罩及锚室入口等处采用喇叭形缆套密封防护，主缆上方设置主缆检修道。

吊索采用s15.2mm环氧喷涂钢绞线，单根聚乙烯护套防护，整束缠包高强聚酯带再挤包聚乙烯护套。吊索采用销接式，吊索上端通过叉形耳板与索夹连接，下端通过锚头球形螺母、球形垫板与主梁上的锚垫板连接。

3.4 预制桥墩施工

预制桥墩施工属于新工艺，墩台连接采用灌浆套筒连接，墩身采用预制施工，全桥共计6个预制桥墩，墩身截面尺寸均为2m×2m实心截面，预制高度为7.5m。连接套筒采用高强球墨铸铁，坐浆料采用高强无收缩砂浆；灌浆料采用高强无收缩水泥灌浆料。

3.4.1 预制桥墩连接的承台钢筋施工

与预制桥墩连接的承台钢筋安装采用上下定位板A和定位板B，定位板均采用20mm钢板制作，板上预留与承台钢筋同一位置且大于承台每根钢筋2mm的孔位。

3.4.2 预制墩柱施工

预制平台采用钢筋混凝土独立基础，并用角钢穿过预制平台植入地面500mm，突出预制平台20mm。

定位板固定于突出的角钢上，定位板底部缝隙采用灌浆料灌浆密实找平。定位板上部焊接与原承台预留同规格、同型号、同位置的钢筋长度。

钢筋胎架由L75×8角钢、[20a槽钢和20mm厚钢板制作而成。角钢作为骨架，钢板作为定位 措施。

墩柱预制时，柱顶设置4个双点吊耳，每个吊耳采用4股s15.2mm钢绞线，钢绞线设置保护管，钢绞线缠绕在增设的钢筋上，并用双U形卡子固定。

预制墩柱混凝土浇筑一次性完成7.5m。预制桥墩连接套管示意如图4所示。

     

图4  预制桥墩连接套筒示意

3.4.3 预制墩柱安装施工

预制桥墩施工工艺流程如图5所示。

     

图5 预制桥墩施工工艺流程

借助压浆孔和入浆孔设置微调反力座，反力座采用[10槽钢及钢板制作，配合M24×120mm高强螺栓使用，在预制桥墩4个面各布置1个反力座，反力座下部采用液压千斤顶，可调节4个方向的垂直度及标高，确保预制桥墩安装位置精确。

在预制平台周围设置模板安装控制点，用钢钉打入地层内，作为标记，并根据放样点及时用墨线弹出立模线。在承台上铺设挡浆模板，挡浆模板与承台接触面采用双面胶止浆。

在挡浆板内侧，墩柱正下方设置若干橡胶垫块。坐浆采用高强无收缩砂浆。铺浆完成后，在每根承台预留的钢筋上套上止浆垫，止浆垫略高于浆液面。

采用2台经纬仪控制墩柱垂直度。垂直度校正误差为1mm，标高误差为±2mm，水平度允许偏差±1mm。浆料从下部注浆孔压浆、上部出浆口出气。浆料升至出浆口L形管管口，待浆料流出，封堵出浆口并停止压浆，待压浆管压力稳定，拔出压浆枪头，封堵注浆口。压浆口采用橡胶止浆塞封堵。

4 大跨度双索面悬索桥梁架设全桥线型控制

主缆垂跨比为1/5.5，主缆在横桥向的间距为36m，桥面纵坡为双向1%，主桥设半径为11000m的竖曲线。主梁预拱度如图6所示。

     

图6 主梁预拱度

x 轴零点位于主跨的跨中， y 轴向上为正。经分析得到竖曲线计算公式： y = f ( x )=5.8782E–10 x ⁴ –4.9082E–10 x ³ –1.9087E–05 x ² +5.8389E–06 x +0.146。

本项目采用自适应控制方法，即将施工过程中的控制参数的实测值与预计值进行比较，对桥梁结构的主要设计参数进行识别，查找实测值与预计值（设计值）产生偏差的原因，从而对参数进行修正，达到双控的目的。

本大桥主桥的施工控制采用自适应控制方法，即当结构的实际受力状态与计算模型不符时，把误差输入参数识别法中，调节计算模型的参数，使计算模型与实际结构磨合一段时间后，自动适应结构的物理力学规律，当计算模型与实际结构相吻合后，再用计算模型指导以后的施工。

5 施工监控及控制要点

（1）桥梁结构性能的监测。主要包括桥塔和主梁的各控制部位线型监测、桥塔和桥墩基础沉降监测、支架沉降监测、主梁和桥塔的应力应变监测、主缆监测（包括空缆线型、猫道线型及主缆架设监测）和吊索索力监测。

（2）桥梁工作环境的监控。主要包括桥址环境温度、风速、主梁和桥塔结构内部温度变化监测。

（3）桥梁关键结构部位监测。监控部位主要有主桥的桥墩、桥塔、主缆、吊索及主跨与次边跨的加劲梁、施工支架等。通过监测这些关键结构部位的结构状态，及时了解结构实际力学状态。

由于桥梁在施工时受结构自重、日照、温度变化及参数误差等因素影响而产生变形和内力变化，为使合龙后的桥梁线型及应力状态符合设计要求，达到成桥后主缆垂度调整误差控制在10mm以内和主梁高程误差控制在10mm以内等要求。施工过程监控系统布点设计和监控内容主要是了解和把握这些影响，包括结构设计参数测量、结构几何形态监测、主缆和吊杆的索力监测、加劲梁桥塔截面内力监测等。

6 结论

通过对沈阳某跨河桥双索面悬索桥的主要施工方法及关键施工技术研究，经过理论分析及实践检验，发现自适应控制方法在指导塔桥架设的过程中发挥了巨大的作用，使得桥梁实现提前2个月在跨中精确合龙的目标。该方法通过施工检验，完全能够解决宽桥面深水作业的难题，同时预制桥墩施工为本工程的新工艺，可为今后类似工程提供相关的借鉴。