绿色施工的“加减”法——安罗高速原阳至郑州段黄河特大桥关键施工技术

安罗高速原阳至郑州段，是国高网京武高速重要组成部分，项目跨越黄河湿地保护区，对构建黄河生态经济轴带，推动文化旅游融合发展，推进黄河流域生态保护核心示范，助力黄河高质量发展具有重要意义。

黄河特大桥是安罗高速原阳至郑州段控制性工程，黄河特大桥全长15.223km，其中主副桥共长4710m，堤内引桥、跨堤桥共长9800m，堤外引桥713.5m。主桥斜拉桥桥跨为110+135+520+135+110(m)，桥塔采用钢壳-混凝土组合塔，桥塔高182m，主梁采用双边箱钢混组合梁，主桥宽50.5m。本文选取项目的两个重点工程主桥索塔及南副桥双边箱钢梁施工进行详细说明。

图1 线路总体布置图

安罗黄河特大桥主塔为樽形钢壳混凝土组合塔，塔高182m，其中，上塔柱（含塔冠）高57.8m，中塔柱高95.3m，下塔柱高28.9m。塔柱横截面为空心圆端形单箱单室结构，横、纵桥向外轮廓尺寸均为10m。上塔柱壁厚为0.8m，中间设钢锚梁；中塔柱壁厚0.8m～1.1m，下塔柱壁厚1.1m～1.4m，单侧塔柱共划分为36个施工节段。

索塔钢结构由内、外钢壁板，壁板水平/竖向加劲肋，水平/竖向桁片角钢和剪力钉等组成。钢壳内、外壁板加劲肋之间设置拉筋，不含竖向钢筋及水平箍筋，钢壳内浇筑C55补偿收缩自密实混凝土，索塔内外壁钢板与混凝土之间通过加劲肋开孔并安装拉筋形成PBL剪力键、剪力钉实现钢壳与混凝土的结合，使钢板与混凝土协同受力。

索塔设上、中、下横梁，均为矩形钢箱结构与塔柱焊接。根据受力差异，横梁不同区段采用不同的钢板厚度和材质。在横梁顶底板、进塔人孔塔内相应位置均设置钢混横隔板。?

图2 主桥索塔

图3 主桥塔柱典型断面图

索塔块体在钢结构制造单位完成制造后，运输至项目部钢结构拼装场组拼为钢壳整节段，采用“1+1”竖向匹配预拼装，保证节段间接口的匹配精度和钢塔整体线形精度。采用竖向焊缝轨道式机器人焊接技术、模拟仿真技术，减少构件的制造、拼装误差，达到减轻劳动强度、提高生产效率，使生产向自动化、智能化方向迈进的目的。

图4 钢壳“1+1”竖向匹配预拼装

T1节段安装

利用100t龙门吊将定位钢架和T1节段整体吊装至混凝土支墩临时超垫上，安装钢棒，拆除钢抄垫，缓慢下放T1节段，利用三向千斤顶整体调节T1节段，直至满足精度要求后灌浆固定。

图5 T1节段吊装

第三层承台浇筑、T2节段安装

施工第三层承台钢筋、预埋件，浇筑混凝土。混凝土达到设计强度后，按照设计顺序张拉T1节段锚固钢棒，采用汽车泵施工塔座及T1节段内钢壳混凝土，蓄水养护，钢壳顶面混凝土凿毛清渣,吊装T2节段,利用匹配件精准定位后完成节段间的焊接,栓接竖向肋板,浇筑T2节段混凝土。

图6 第三层承台浇筑

T3-T36节段安装

同样方法施工T3节段，在T3节段塔柱上安装液压爬升平台。外侧液压操作平台分三层共9.5m，塔顶设置竖向梯笼至液压平台顶部，施工平台用于环缝焊接及涂装。

按照标准节段施工方案施工T4-T7节段，安装临时电梯，每施工完1个节段后，液压爬升平台跟随爬升，通过临时电梯作为上下通道；施工完T7节段后，拆除塔柱内侧面液压爬升平台，搭设下横梁拼装支架，安装两台T2850-160V型塔吊顶升至相应高度，拆除两台100t门机，使用塔吊施工T10节段及下横梁，下横梁节段临时连接，下横梁合龙段吊装至下横梁合龙口上方的托架上，T10节段以后采用吊罐进行混凝土施工。继续吊装T11-T13节段，安装第一道主动横撑并完成500t顶推力，在合适的温度下进行下横梁合龙施工，下横梁合龙后拆除下横梁支架。

图7 下横梁施工

按照上述施工方法完成前T19节段施工，且在T19节段处安装第二道主动横撑，顶推力300t，完成前T26节段施工，安装中横梁支架，分段安装中横梁并合龙，完成T27-T34节段施工。钢锚梁随节段同步安装，安装上横梁支架，塔吊由8倍率改为4倍率吊装T35-T36节段，完成上横梁施工并合龙，拆除自爬升平台，安装索塔附属设施。

图8 上横梁施工

钢结构索塔具有工厂化制造、模块化架设、施工工期短、环保集中管控等优点，混凝土索塔优点为结构刚度大，稳定性好，建设成本较钢结构索塔低，其施工方式以现场浇筑为主，是典型的以现场施工为主的结构。施工工序复杂、工期长、质量不易保证。

钢结构索塔和混凝土索塔各自结构优势的基础上，钢壳-混凝土组合型索塔应运而生。“钢壳—混凝土组合索塔”因其继承了钢结构索塔、混凝土索塔的优势，充分发挥了钢结构、混凝土材料的力学性能，拥有良好的耐久性，实现了索塔工业化、模块化建造，在保证施工质量的同时，减少了工期与建设成本。

根据索塔钢壳设计构造以及运输条件限制，创新性采用“化整为零”思路，将索塔钢壳节段划分为多个块体单元运输至桥位附近钢构厂进行节段组拼，解决了超宽超高索塔节段陆路运输难题，将块体单元组装成索塔节段后，在钢构厂内创新性采用“1+1立式预拼装”技术，解决了钢壳安装匹配精度难题。

基于曲线形钢壳塔结构设计，每个索塔节段吊装重心沿索塔钢壳横桥向对称基线变化，创造性设计了可调重心式多功能组合式吊具，既解决了重心不断变化钢壳节段的吊装问题，拆除中间联系梁后又能够满足索塔横梁吊装，确保了吊装的平稳性和安全性，节约了施工成本，达到了很好的使用效果。

主塔外壁板钢板厚度较薄，焊后容易出现波浪变形，影响结构受力的同时影响到主塔的外观要求。钢板在下料前进行平面度控制，使用赶板机反复赶平，使钢板的轧制内应力得以充分释放；在板单元焊接时，根据结构特点设置反变形，焊后进行机械加火焰修整，确保板单元平面度符合设计要求。采用三维图形软件精确建模，使用AutoPOL软件实现弯扭壁板自动展开，数控机床实现最终精切下料。

图9 钢塔三维建模

针对本桥弯曲弯扭钢板数量多、厚度大、形状不一致等特点，联合锻压机床厂家共同开发了移动回转压头框架液压机。机器具有独立的动力机构及电气系统，并采用按钮集中控制，可实现点动、单次两种操作方式。

图10 压力机

在吸纳了传统液压爬模和常规液压爬架设计优势的基础上，针对曲线形钢壳塔结构构造，提出了创新设计：液压爬架整体设计采用了三层整体式液压爬升系统，采用分段连接的导轨设计，消除了液压爬架导轨与钢壳外壁板不密贴的问题；液压爬升系统采用轻量化设计理念，专门用于桥位处钢壳节段外壁板环缝焊接，单肢塔柱共设计了九榀机位，单台液压油缸顶推力为10t，解决了爬架在爬升过程中自身重量过大问题；在每个机位爬架主纵梁顶部设置了吊耳，在机位对应钢壳外壁板顶口设置螺栓顶紧可拆卸式卡扣，卡扣与吊耳之间采用吊带连接，解决了爬架在顶升过程中安全保障问题。

图11 液压爬架

索塔钢壳T1节段安装定位精度要求高，施工难度大，单个T1节段与承台之间采用594根高强螺纹钢棒连接，为确保准确无误完成高强螺纹钢棒安装，单个承台专项设计了六个临时钢支墩（高度为3m），创造性地解决了T1钢壳节段高精度定位及高强螺纹钢棒安装难题，同时也为项目节省了工期约100天。

本桥钢塔为曲线形钢塔，其空间性强，钢塔节段预拼装及节段焊接是保证大桥施工全过程几何控制的重要环节。块体匹配组焊完毕后，在不受日照影响的条件下进行预拼装，精确调整和测量线形、长度、端口尺寸等。运输至桥位后依据监控指令，考虑温度、混凝土收缩徐变等因素的影响，调整节段空间位置并与前一节段连接，最终实现索塔施工的精准控制。

安罗黄河特大桥南副桥全长3400m，跨径采用100m标准跨，桥跨布置为（3×100m）+（3×100m）+7×（4×100m），主梁采用“槽形钢主梁+混凝土桥面板”的分幅组合结构。

图12 南副桥主梁示意图

南副桥双边箱钢梁采用步履式顶推施工，南副桥共34 跨（98#-132#墩），在115#-116#墩之间左右幅各搭设100m长顶推拼装平台，同步异向分幅交叉顶推施工（单侧顶推长度1.6km/1.7km），在顶推平台及永久墩布置千斤顶。顶推时，采用自动化设备控制千斤顶多点同步开始顶推，使钢梁逐段向前移动，循环作业使钢梁到达设计位置，即采用大跨多联整体顶推方式，顶推到位后进行联与联临时连接切割，分联落梁的施工控制，调整好支座后逐步落梁。115#-116#墩之间梁段作为合龙段，待两边钢梁顶推到位后，进行最后100m 跨钢梁的散拼施工。

图13 南副桥顶推平台平面布置图

在拼装平台上拼装导梁；在导梁后端拼接钢梁节段；向前顶推一定距离；拼接下个节段；依次重复3-4阶段，直至顶推至最后一个节段；逐段拆除导梁；完成最后节段拼接；逐联切割，落梁；安装桥面板，浇筑湿接缝，形成整体。 

顶推施工过程中，施工状态和成桥状态往往是不对等的，首先桥梁施工安装过程中结构体系是随施工阶段实时变化的，结构的实际参数与设计值不可避免的会有差别。其次是施工现场的荷载与环境也处于动态变化之中，过程中各部位内力和位移也会偏离设计值，当误差累积到一定程度后，结构安全状态和质量难以得到保证，最终导致实际结构的成桥线形和内力不符合设计要求。

为保证顶推施工安全，在施工过程中，需对桥梁关键部位的应力及位移进行监控。由于步履式顶推具有顶推进度快、体系转换多、受力复杂等特点，基于信息化的智能实时监控策略，成为解决步履式顶推施工监控的必然要求。

图14 南副桥钢梁顶推实时监控画面

依据监测控制平台，在整个顶推施工过程中，经过实时监测桥梁的实际状态和环境状况，获得桥梁结构的实际状态和立项状态的差距，运用现代控制理论对差异进行识别、调整、预测，使桥梁施工状态最大限度地接近理想状态，从而保证桥梁结构在施工过程中的安全，最终达到桥梁结构成桥状态，满足设计和规范的要求。桥梁施工监控不但是桥梁施工技术的重要组成部分，而且也是实施难度相对较大的部分。

桥梁的施工控制步骤：施工-监控量测-识别-修正-预报-施工的循环过程，施工控制最基本要求就是保证施工安全，其次是保证结构物的线形、内力、应力等状态符合设计要求。施工控制是对结构的变形控制、应力控制、稳定性控制。常见的控制方法有：

前进控制：随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束、荷载形式在不断改变，前一阶段结构状态将是本次施工阶段结构分析的基础，可按有限元方法进行分析；

倒退分析：基本思想是假定时刻结构内力分布满足前进分析时刻的结果，线形满足轴线设计，在初始状态下，按照前进分析的逆过程，对结构进行倒拆，分析每次拆除一个施工段对剩余结构的影响，在一个阶段内分析得到的结构位移、内力便是理想施工状态；

误差分析：为了能及时有效地将实测数据（体系本身的变化、挠度、应力、温度等）、调整参数信息、误差信息反馈到实际施工控制中，指导现场施工作业，建立基于有限元理论的分析模型及计算程序进行控制对比，将实测结构控制参数输入，得出有效调整量，获得最优调整方案，同时预测下节段结构的状态。

顶推法施工的控制关键技术贯穿于整个顶推流程，在整个顶推过程中，由于主梁长，跨径大，施工控制难度较大，步履式千斤顶沿线路方向布置于各墩墩顶，单侧顶推最大控制步履顶数量达80台，对步履式千斤顶的协同工作进行严格智能化监控，是保证步履顶推施工有序进行的重要手段，也保证了各千斤顶位置处钢梁受力的均匀性及安全性。安罗高速黄河特大桥步履式顶推施工在信息化监控应用方面的经验，为全国同类型桥梁施工提供了宝贵经验。