内倾式钢管-混凝土格构柱主塔施工技术

内倾式钢管-混凝土格构柱主塔施工技术

李宝清

四川省交通建设集团有限责任公司桥梁工程分公司  四川成都  610000

摘要：文章以四川卡哈洛金沙江大桥内倾式钢管-混凝土格构柱主塔施工，主要对节段骨架、钢管桁片安装、塔柱钢筋工程及施工方法等关键技术做了详细的探讨。

关键词：内倾式-钢管混凝土组合塔柱；钢管桁片；施工

1.前言

随着我国桥梁工程的技术发展，桥梁结构形式也多样化。钢管混凝土格构柱作为桥梁主塔受压受弯构件，具有承载力强、自重轻、可塑性强，耐疲劳和冲击力强等优势。目前已经得到了广泛的应用，其施工技术已具有广泛性、深入性和系统性。内倾式钢管-混凝土格构柱主塔利用钢管与型钢横撑、斜撑形成骨架，与立柱钢管连接，形成一个整体。采用钢管混凝土格构的桥梁汇集了钢管混凝土的结构特点，同时利用小直径柱肢获得较大截面抗弯刚度。在减轻了其自重的同时具备更稳定结构性。

2.工程概况

四川卡哈洛金沙江大桥为1030m的单跨双塔钢桁梁悬索桥，桥跨组成为240m+1030m+309m，矢跨比1/9.5，大桥全长1818.53米。8#、9#塔首次将钢管混凝土组合结构作为悬索桥的主塔，为2层门式构造，索塔最高197米。桥塔采用框架－剪力墙构造的设计思想，利用钢管混凝土高强材料减小截面尺寸，减轻自重，提高抗震能力。塔身为四面收坡的内倾式-钢管混凝土组合塔柱，为四肢格构柱及柱间砼肋板形成的单箱单室截面，采用分节段安装的4根钢管与型钢横撑、斜撑形成骨架，骨架采用型钢构件，与立柱钢管间采用节点板拼接或焊接连接，横桥向设置水平撑，纵桥向设置水平撑和交叉斜撑。在骨架主钢管内灌注C80高抛自密实混凝土，钢管壁外包20cm厚的C30自密实混凝土，钢管之间浇注C30钢筋砼腹板。桥塔自上而下设2道横梁，采用钢-砼组合结构。横梁骨架是4肢水平钢管与塔身主钢管焊接形成，横梁水平顶、底板为预应力混凝土结构，横梁竖直方向腹板采用波形钢腹板。

3.技术特点

(1)钢管混凝土格构型桥梁其骨架采用成品构件，其质量有保障，减少了现场焊接作业，提高现场标准化水平。

(2)钢管混凝土格构柱用作桥梁主塔受压受弯构件，具有高承载力、自重轻、高延性、耐疲劳性，抗震性能好和耐冲击力强，相对钢结构更具有抗火性等优势。

(3)施工中可将钢管作为支撑使用，简化了过程施工安装流程，节省大量支架材料，有利于降低施工成本、减少工序、缩短施工工期。

(4)钢管混凝土格构型桥梁在荷载作用下发生相互作用，利用来自外围钢管的套箍效应，使其处于三向应力状态，提高了桥梁整体性和结构性能，加强混凝土的强度、塑性等力学性能。

(5)主塔为异型塔，主塔上下横梁异步施工，格构柱采用变截面内倾式钢管，四肢格构柱及柱间砼肋板形成的单箱单室截面，降低基础压力同时增加整体塔身美感。

4.适用范围

本工法适用于大型或超大型桥梁主塔建设施工，在跨越河流、湖泊的大跨度桥梁施工更具优势。

5.工艺原理

5.1内倾式-钢管混凝土组合塔柱

内倾式钢管-混凝土格构柱主塔8#塔柱（四川岸）主管共分15个节段，9#塔柱（云南岸）主管共分17个节段。塔身为内倾式-钢管混凝土格构空心柱，为四肢格构柱及柱间砼肋板形成的单箱单室截面，采用分节段安装的4根钢管（根据受力需要不同区段采用不同的尺寸，从上到下采用 φ1600*34mm、φ1700* 36mm、φ1800*38mm、φ1800*40mm）与型钢横撑、斜撑形成骨架，骨架采用型钢构件，与立柱钢管间采用节点板拼接或焊接连接，横桥向设置水平撑，纵桥向设置水平撑和交叉斜撑。

立柱骨架钢管内灌注C80自密实混凝土，外包20cm厚C30自密实钢筋混凝土每两根立柱钢管间浇筑C30钢筋混凝土腹板（上、下塔柱腹板厚度分别为 40cm 和50cm）。塔柱每23.8米设置一道横隔板（上下塔柱横隔板厚度分别为 50cm 和60cm），两道横隔板中间设置一道加劲肋。同时在横梁上下顶板对应的塔柱内设置70cm厚横隔板。

图1 内倾式-钢管混凝土组合塔柱骨架图

5.2钢-砼组合横梁

主塔自上而下设两道道横梁，采用钢-砼组合结构。横梁骨架是4肢水平钢管与塔身主钢管焊接形成；横梁水平顶、底板为预应力混凝土结构；横梁竖直方向腹板采用波形钢腹板。上下横梁高均为9.0m（钢管中心距8.3m）。

5.3高优结构体系

钢管混凝土格构柱用作桥梁受弯受压主要构件，通过在钢管内部填充混凝土组合形成完整结构。因此占地面积小，自重轻的同时也使基础压力减小。而钢管混凝土格构柱将钢管及混凝土的优质性能有效结合起来，增大了肢杆的承载力和刚度。且利用来自外围钢管的套箍效应，使其处于三向应力状态，增强了桥梁整体性。

不仅如此通过缀件和肢杆的合理结合，使主要承力肢杆远离惯性主轴，增大其截面惯性矩。同时也降低了塔身整体重心高度，使其具有高优结构体系。

6.施工工艺流程及操作要点

6.1施工工艺流程

图2 内倾式钢管-混凝土格构柱主塔施工工艺流程图

6.2施工操作要点

(1)施工准备

围绕本工程总控计划目标，重点对施工准备阶段的深化设计、技术方案、材料设备的采购、施工人员、机具进场等制定阶段性控制目标，并结合控制目标，对整个实施过程分阶段进行组织，实施科学化、制度化、有效化和目标化动态管理。

(2)骨架施工

四川卡哈洛金沙江大桥索塔钢管格构柱骨架由工厂集中加工制造，并进行“2+1”预拼装，满足精度要求后运输至施工现场。四川岸索塔左、右塔柱钢管骨架相同，共15个节段，拆卸后运至现场后临时存放钢桁梁拼装场，用80t龙门吊进行装卸。

1)索塔首节段施工

S1:主塔承台浇筑第一层混凝土前，先预埋角钢L10，埋深50cm，外露30cm。

S2:待第一层混凝土初凝后，在混凝土顶面钻孔植筋，植8根φ32精轧螺纹钢；安装C12槽钢支撑架，通过螺帽精确调平。

S3：利用C12槽钢十字架吊具，吊装格构柱预埋板至槽钢支架就位。焊接加长预埋角钢至预埋板底面，并与预埋板焊接固定。

S4:拆除格构柱预埋板表面十字吊具，格构柱预埋钢板位置精确定位后，需画十字线（与钢管下口十字线一致），采用2cm钢板制作耳板，并将焊接至钢管下口，钢管吊装到位且精 确定位后，用φ32精轧螺纹钢将耳板与预埋钢板贴合，保持钢管位置不变。

2)剩余节段骨架施工

①四川岸索塔左、右塔柱钢管骨架相同，都有15个节段，首节段在承台施工时提前预埋安装。剩余14个节段，分小桩号（ZGna）、大桩号（ZGnb）。在塔前预拼成钢管桁片整片起吊安装，顺桥向平联单根吊装，4根斜撑预拼成十字形整体吊装。

②左右索塔承台前分别布置一个拼装支架，单个拼装台由旋转架、固定架组成。旋转架一个固定，一个活动适应不同节段钢管尺寸。

③钢管端部设置活动平台，活动平台由两部分栓接而成。平台底部设置4个钢板销，插入使提前在钢管端部以下0.9m位置焊接4个钢管盒子内进行固定。

④钢管临时连接板、导向板、节点板与钢管焊接成整体。每根钢管的8个导向板中，顺桥向两个导向板设有直径120mm孔洞，用于钢管竖向吊装。

图3 钢管拼装图

(3)钢管桁片拼装及吊运

调节卧拼胎架转动端移动架与固定架距离，使其与当前拼装节段匹配，利用龙门吊转运钢管至胎架。吊拼安装横撑斜撑，校准桁片，确保拼装精度在1mm以内。固定连接螺栓，安装防变形架。安装完成后确定吊点位置，进行试吊无问题后正式起吊。利用塔吊吊运桁片至预定位置，配合千斤顶调整位置，使所有临时螺栓孔对正。

(4)临时连接桁片，安装平联斜撑

通过千斤顶，利用导向板进行微调钢管倾斜角度，准备1mm～3mm薄铁片在临时连接板位置填充调整缝隙。在当前吊装钢管顶端放置棱镜，用全站仪进行复核。确保无误后，按对称次序用螺栓逐个替换销轴，拧紧螺母。

顺桥向安装斜撑、横撑、平联，当与钢管桁片进行螺栓连接后，再次利用全站仪进行复核，若钢管顶部坐标有偏位，再次用千斤顶进行微调，确保钢管顶部坐标与监控坐标相差2mm内。所有坐标调整完成后，开始准备焊接。

主塔施工精度要求高，其中倾斜度误差不大于塔高的1/3000，且不大于30mm，同时满足设计要求；主塔轴线偏位允许偏差±10mm，断面尺寸允许偏差±20mm；塔顶高程允许偏差±10mm；横梁高程偏差±10mm。

(5)骨架焊接

精确定位后在半封闭焊接平台内，同时对称焊接4根钢管。施焊前必须清除待焊区表面污物、油渍、氧化皮等，使其表面露出金属光泽。必须将前层焊砖清理干净，修补好焊接缺陷后再焊下层，层间温度应控制在300℃以内。钢管的焊缝与钢管间的焊缝达到一级焊缝的标准。钢管焊接焊接完成后，进行逐一焊接斜撑、横撑、平联，连接构件达到一级焊缝的标准。

(6)钢筋工程施工

塔柱钢筋分为主钢管外包区钢筋、钢管间腹板区钢筋、横梁钢筋三大部分。主塔普通钢筋图中所有竖向钢筋除截断钢筋外均为通长钢筋，所有竖向钢筋接长须采用机械连接。利用钢管端部活动平台进行绑扎作业施工。

(7)模板工程施工

塔柱外侧配置液压爬模系统，内模配置悬臂模板系统。横隔板配置牛腿支架及盘扣支架，采用异步施工。塔柱第1、2节段采用翻模施工，第3～30节段采用液压爬模与悬臂模板施工，标准节段高度为6m。针对异型塔，爬模系统采用二次深化独特设计，确保起结构安全性及稳定性。

(8)混凝土工程

1)管内C80砼施工

主塔主管内C80砼浇筑采用高抛自密实混凝土浇筑，混凝土浇筑时，距离管口位置4～12m采用高抛，距离管口位置4m，就要开始对混凝土进行振捣。每浇筑0.5m采用插入式振动器振捣一次，振动过程中避免振动棒碰撞钢管壁。

针对管内混凝土特殊性将采用预留高度法进行养护作业，即在浇筑砼至钢管顶部时，预留20cm高度不浇筑混凝土，当混凝土初凝后立即加水到预留管部分，进行保水养护。浇筑完成四天后，采用超声波法检查钢管混凝土密实度，不满足区域进行报废处理。

2)钢管外包C30混凝土

钢管外包C30混凝土采用自密实补偿收缩混凝土，根据《自密实混凝土应用技术规程》混凝土性能测试方法，采用坍落扩展度法测试流动性能，用V形漏斗法测试黏稠性和抗离析性，用U形箱法测试自填充性。测试的工作性能指标应满足相关要求。

3)隔板混凝土

塔柱横隔板用塔吊配合料斗吊运浇筑。

7.效益分析

7.1经济效益分析

钢管混凝土格构柱作为桥梁新型结构形式，具有高承载力、自重轻、高延性、耐疲劳性，抗震性能好和耐冲击力强，相对钢结构更具有抗火性等优势。施工中可将钢管作为支撑使用，简化了过程施工安装流程，节省大量支架材料，有利于降低施工成本、减少工序、缩短施工工期。基于四川卡哈洛金沙江大桥8#、9#塔柱施工，项目采用内倾式钢管-混凝土格构柱主塔施工技术估算累计节省成本约42.21万元，缩短工期约9天。

7.2社会效益分析

依托钢管混凝土格构柱施工，在荷载作用下发生相互作用，利用来自外围钢管的套箍效应，使其处于三向应力状态。提高了桥梁整体性和结构性能，加强混凝土的强度、塑性等力学性能。基于该工程的实例经验，有利于钢管混凝土格构柱桥梁工程未来的规划和发展，其结构优势显著，具以指导类似工程提供经验和借鉴，具有较大的社会推广应用价值及前景。

7.3环保效益分析

钢管混凝土格构型桥梁其骨架采用成品构件，其质量有保障，减少了现场焊接作业，提高现场标准化水平。施工中可将钢管作为支撑使用，降低了支架材料使用量。施工现场严格按照环保要求施工，对于施工中粉尘污染的主要污染源混凝土拌合、施工车辆、机械运行和运输产生的扬尘，采取有效措施减轻施工现场的大污染，取得了良好的环保效益。

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