南京长江二桥南汊大桥主塔施工方案与工艺优化

一、前言
南京长江二桥南汊大桥南、北主塔于1998年12月18日浇注第一次索塔混凝土，至1999年10月10日胜利封顶，历时十个月，共计完成19082m3C50混凝土浇注任务，高速度、高标准建成近200m高南、北两座索塔。且无论是内在质量还是表面外观质量都上了一个新的台阶。

二、索塔构造
索塔采用空间倒Y形，底面高程-5.00m，顶面高程+190.4m，总高度为195.41m。索塔包括下、中、上塔柱和横梁，以及索塔附属结构设施。下塔柱高度 35.11m，内侧面和外侧面的斜率分别为1：2.7383，1：3.4021，顺桥向、横桥向断面尺寸由 12.0m*7.0m向上渐变至7.5m*4.5m；中塔柱高度95.30m，斜率为1：5．8395，断面尺寸为7.5m*4.5m；上塔柱为相互平行、竖直向上的分离双柱，高度 65m，断面尺寸7.5m*4.5m不变，其内有 92道 U形预应力筋，40对斜拉索钢套筒。上横梁和中横梁的长度均为 5.0m，断面尺寸均为7.1m（宽度）*6.0m（高度），下横梁的长度为46.64m，断面尺寸为7.56m（平均宽度）*8.0m（高度）。

三、垂直运输设备及其布置方案的选择
塔吊和电梯是斜拉桥索塔施工垂直运输必不可少的设备，已有的高索塔垂直运输设备布置方案有：一台塔吊布置在塔位中心，穿过横梁，或是-台塔吊布置在索塔上、下游塔柱的一侧，另一侧布置电梯，随索塔升高而升高。另一种方案是由两台塔吊和两部电梯分别依附上、下游塔柱，并服务于各自的塔柱。
南京二桥南汊桥南、北索塔均处于水深流急的长江主航道，其圬工体积达到10000余m3，高达195.41m。施工人员和施工用材都是交通船驳送到塔位，再由垂直运输设备送到塔柱施工段。如果把塔吊布置在塔位中心，那样，塔吊标准节段将穿过下、中、上横梁。不但给横梁施工带来不便和不必要的浪费，而且今后处理横梁混凝土表面也很麻烦，特别是综合上部结构施工，需要在上横梁上安装一台塔吊，这样，采用该方案显然不合适。另外，下横梁长达46.64m，中塔柱斜率大，上塔柱净距只有 5.0m，考虑施工空间和塔吊最小吊距，上、下游各布一台的方案也不现实（相互冲突，不能发挥塔吊的起重优势）。
根据已有设备，综合施工条件，我们选用一台起吊能力为240t·m的ZSC4060全液压塔吊安装在距索塔中心线675m的岸侧，施工电梯安装在塔吊对称位置的江侧。这一方案不仅克服了以上方案的不足，还可以充分发挥其起吊能力大的优势。

四、模板工程
南京二桥南汊桥南、北索塔为非对称六边形箱形断面，下塔柱还是双向变截面，加之索塔斜率大，对模板的排例布置带来一定的困难，考虑塔柱在施工节段劲性骨架自身的抗倾能力，还有国产9m长标准钢筋，施工节段的高度定为4.5m，整个素塔共分43个流水段。充分发挥大钢模周转次数多的优势，保证精品工程索塔外观质量。下塔柱和上塔柱共用部分模板，再增加一些变截面收分模配合使用；中塔柱模板按中塔柱倾斜度制成平行四边形，每节模板 2．25m高，共分 3节，每次整体提升翻模两节，内模亦如此，立在已浇注混凝土塔柱顶口锚固模板上，浇注混凝土高度为4.5m。


索塔下横梁采用支架现浇施工（如图 1），4个φ3.4m钢护筒和 6根φ1.2m钢管桩同四组贝雷架共同组成下横梁施工主要承重结构，并用两束预应力拉住下塔柱顶四。混凝土分两层浇注，每层4.0m高，当第一层混凝土强度达到80％以后张拉部分预应力，以便第二层混凝土荷载由第一层混凝土和支架共同承担。中、上横梁通过在塔身预埋的牛腿搭设支架施工。

五、施工爬架
由于索塔所处场地限制、塔柱倾斜等原因，下塔柱施工依附双壁铜围堰塔设脚手支架，中、上塔往采用施工爬架作为施工平台。
根据塔柱的截面形状特点，综合考虑垂直运输条件、塔吊附着、上、中、下横梁施工人员的登高条件等因素，索塔施工爬架拟在中塔柱开始应用，在中塔柱等一次施工节段上开始组装，中间经过中横梁转向爬升直至施工顶部。
中塔柱四侧布置爬架，上塔柱三侧布置（内侧空间不够，搭设脚手支架），每个塔肢布置四个架体，分别为P1，P2架两种类型，P1，P2架体分别由附墙段、工作段、导向机架、接长架等几部分组成。
爬架在提升前要用葫芦拉紧锚固段模板吊环，使架体受力，拆除爬架固定螺栓，然后均匀推进伸缩脚轮，使爬架附墙段离开塔面2～3cm，最后均匀拉紧葫芦，使架体上升，架体到位后退回伸缩脚轮，调节吊点的松紧度，使架体下部先紧贴塔面，再调整爬架位置，对准固定螺栓孔位，将M2445号钢螺栓拧进塔体中预埋的H形锥形螺母中，使附墙框紧贴塔面，一个爬升周期完成。


六、劲性骨架方案
劲性骨架作为索塔施工导向、钢筋定位、模板固定之用，也是上塔柱U柱形预应力PT-plus塑料波纹管和斜拉索钢套管定位安装必不可少的。该结构采用A3钢板及型钢，设计钢材用量先后为77kg／m3混凝土、65kg／m3混凝土、60kg／m3混凝土，通过优化设计方案，不但节约了钢材，还加快了工程进度。
起初劲性骨架设计为 4.5m高，竖向分成四块，安装时一块块往已安装好的劲性骨架上接高，每次接高两节8块9m高，浇注塔柱混凝土两次。该种劲性骨架安装方法的缺点是：每块骨架在没有安装定位前不能放松吊点，占用吊点时间长，影响进度。于是把骨架设计加工成9m高。竖向仍为四块，相对以前方案已经是节约了时间，但仍然占用吊点时间比较长。随后又先后修改骨架设计为4.5m高和6.0m高整体全断面吊装方案，最后我们把每节骨架6m高整体全断面吊装定为施工方案，每次安装两节，选用12m长钢筋，钢筋接长采用冷挤压钢套筒工艺；斜拉索钢套管弃用了传统测量定位方法，开发利用“斜拉索钢套管测量定位方法”专利技术，大大加快工程进度，提高劳动效率。

七、混凝土配合比选择
索塔泵送混凝土垂直运输采用水土搅拌站，利用德产SCHWING3000型输送泵一次泵送到位。输送泵管沿着塔柱由下往上接高，由于泵送高度达到190m，混凝土既要求强度达到50MPa以上，又要求保持一定的流动性，保证混凝土能够一次泵送到位，因此我们根据不同泵送高度、不同施工季节，经过试验对比，选择了不同的配合比，不同外掺剂和不同粗骨料粒径（详见表1）。


八、中塔柱横撑施工方案选择
南京二桥南汊桥索塔中塔柱95.30m高，斜率1：5.8395，处于结构复杂、施工难度最大索塔行列，由于索塔两柱逐渐往上施工过程将形成（中塔柱）大斜率悬臂受力状态，因此必须对中塔柱分阶段设置水平横撑以抵抗斜柱悬臂所造成的中塔柱底段外侧出现较大混凝土拉应力，避免出现混凝土裂缝。此外，随着塔柱升高而升高的塔吊和电梯需要隔段设置附着，因此中塔柱横撑亦须满足塔吊和电梯附着技术要求。
传统的索塔施工是在两柱之间搭设满堂支架，国内外普遍适用的方法也是逐段设置被动力横撑的方法，如此设置在水平横撑解除后，经受力分析和试验检测得出塔柱根部外侧的残余应力仍然很大。为避免这一不利情况出现，采用了设置主动力横撑方法。
如果横撑的道数过多，刚度大，则在拆除时由于结构内力将多次重分配，导致应力集中，给拆卸带来困难，同时耗材也多；如果横撑道数过少，刚度小，则又不能达到控制索塔位移与内力的目标。为此，我们经过多次计算分析，得出五道横撑方案，每道横撑由四根相同的钢管水平设置；每两根并排为一组，钢管直径609mm，壁厚为11mm。
事先设计横撑一端与塔柱固结，另一端施力。考虑减少水平横撑自重挠度和自由长度，增加核撑的整体刚度，方便横撑的架设和施工，方案改成在下横梁上加设4根竖向钢管柱，横撑分别支承在立柱牛腿上，中间断开，两端固结在塔柱上，待主动力施加完毕，再将横撑中间连接好。其间用型钢连接成桁架，有利于抵抗塔吊和电梯水平作用力（如图3）。

施工过程中的施力，塔柱变位和应力变化等检测数据均符合设计要求，证明水平主动横撑方案是可行的。

九、塔柱预应力管道压浆工艺和留孔材料选择
南京二桥南汊桥南北索塔的上、中、下横梁均为预应力混凝土结构，上塔柱拉索区设有92道 U形预应力筋，弯曲半径 1.55m。
设计要求预应力管道采用真空吸浆工艺。考虑国内传统普通压浆工艺的成熟性，且真空吸浆工艺在国内采用尚属首次，经研究决定用对比试验论证选择工艺，同时也对金属波纹管、薄壁无缝钢管、PT－plus塑料波纹管三种不同留孔材料在小半径下安装定位、张拉等施工工艺进行对比试验，为U形预应力留孔材料的选择提供了技术性参考。对比试验在南京二桥南汊桥上塔柱1：1模型上进行。真空吸浆工艺是这样的：关闭压浆端密封盖压浆球阀，出浆端球阀已打开，真空泵开启，并把管道真空度抽至1000mmbar以上，打开压浆端球阀开始压浆。维持真空泵开启至出浆端球阀透明喉管吸进水泥浆，关闭球阀3（同时关闭真空泵），让水泥浆流进废浆桶，关闭球阀2，开启出浆端密封盖上的出气孔。待水泥浆流出顺畅时关闭出气孔，持压lmin，关闭压浆端进浆球阀，一个压浆流程完成。
1.孔道灌浆试验结果（表2）

工艺评价：普通压浆每孔压浆至出浆约需7min，稳压2min，共9min。真空吸浆工艺先用真空泵抽孔道内空气至真空度达到0.1MPa时需要2min，孔道压浆至出浆需 4min，持压lmin，共7min，显然速度比较快，而且可以事先抽掉孔道内空气，关闭阀门保持真空度1000mmbar。
2.关于预应力孔道摩阻系数K，μ值
实测结果表明：无缝钢管正反方向摩阻损失偏差较小，但摩阻系数为 0.36；金属波纹管正、反向摩阻损失偏差较大，正向摩阻损失较小，反向摩阻损失较大，摩阻系数为0.24；PT-plus塑料波纹管摩阻系数为 0.20，为最小，反向测试的摩阻系数比正向摩阻系数还小，从摩阻系数测试结果及有关数据分析，索塔成孔材料采用PT－Plus塑料波纹管较为理想。
PT－Plus塑料波纹管强度大，不易损坏（焊渣烧不坏，人踩不扁），成孔有保证，但对于小半径成形安装有困难，材料供应商也是第一次碰到，如果不解决安装问题，特别是高空作业，
肯定影响工程进度。通过不断摸索和对材料特性的认识，我们按设计要求制成半径为1.55m半 U形管孔道模，把PT-lus塑料波纹管住孔道模内强迫就位，再用喷灯加热使其成形，安装时用连接器把两根半U形管连接定位到劲性骨架设计位置。这样，不但把PT-Plus塑料波纹管安装难的问题解决了，而且把高空作业变成了地面作业，行之有效。

十、结束语
高塔施工除了进行严密的劳动组织外，关键要根据实际情况，在施工工艺上进行突破，在技术上对方案进行谨慎分析比较，高空、立体、平行、交叉作业才有可靠保证。南京二桥斜拉桥索塔施工充分发挥先进设备的特殊功效和新技术新工艺的特殊作用，创造了日平均浇注索塔 2．25m高度的新记录。全液压 ZSC4060塔吊一次起吊全断面 6m高劲性骨架、4.5m
高大钢模15t重P1施工爬架；德国SCHWING混凝土输送泵一次送混凝土190m高；预应力PT一Plus塑料波纹管高空作业变成地面操作工艺；预应力真空辅助吸浆工艺；“斜拉桥斜拉索套管测量定位法”专利技术等都是南京二桥南江桥南北索塔高速度、高标准建成的前提条件。
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