蘇 艷 曾 煒

1中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430040 2海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湖北 武漢 430040 3交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心 武漢 430040 4中交二航局第二工程有限公司 重慶 401121

0 引言

混凝土橋塔在大跨徑斜拉橋、懸索橋中應(yīng)用廣泛，從東部沿海的西堠門(mén)大橋到伶仃洋上的港珠澳大橋，從赤石大橋的小蠻腰到西部山區(qū)的貴州平塘大橋，混凝土橋塔一直在高度、體量、造型以及建設(shè)條件等方面不斷創(chuàng)造新紀(jì)錄。

作為典型的高聳結(jié)構(gòu)，混凝土橋塔采用原位施工的方式進(jìn)行建造，施工工藝主要有頂模法、提模法、滑模法以及爬模法等。通過(guò)國(guó)內(nèi)外技術(shù)調(diào)研及資料分析，目前混凝土橋塔建造技術(shù)存在的問(wèn)題有：

1）勞動(dòng)力需求大 橋塔鋼筋綁扎、模板安裝以及混凝土澆筑等工序均需耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力，這與我國(guó)當(dāng)前建筑工人日益短缺的現(xiàn)狀矛盾相一致。

2）作業(yè)條件較差 常規(guī)爬模系統(tǒng)遮擋條件差，現(xiàn)場(chǎng)施工受天氣影響程度高；作業(yè)空間狹小，施工機(jī)具難布置；應(yīng)急疏散避險(xiǎn)及救援方面考慮不充足。

3）施工品質(zhì)不高 鋼筋定位精度、混凝土布料和振搗質(zhì)量控制難；混凝土養(yǎng)護(hù)條件差、時(shí)間短、易開(kāi)裂、外觀質(zhì)量不佳；線形受環(huán)境等因素影響大，結(jié)構(gòu)外形不順直。

4）施工效率較低 目前國(guó)內(nèi)大型橋梁塔柱平均速度約為0.7 m/d。

5）信息化程度低 常規(guī)施工過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集效率低下、實(shí)時(shí)信息難以獲取，關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)只能由現(xiàn)場(chǎng)操作人員查看，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，施工管理者無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)管、實(shí)時(shí)決策及傳達(dá)指令等。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，面向高效高品質(zhì)建造、勞動(dòng)集約型生產(chǎn)的巨大需求，如何提高惡劣建設(shè)條件下的超高橋塔施工品質(zhì)、效率，減少人員操作、保障人員作業(yè)條件和安全是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

1 工程概況

深中通道項(xiàng)目北距虎門(mén)大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km，全長(zhǎng)約24 km，其中跨海段長(zhǎng)22.4 km，是集橋、島、隧、地下互通為一體的系統(tǒng)集群工程。伶仃洋大橋是橋梁標(biāo)段關(guān)鍵控制性工程，為主跨1666三跨全漂浮體系懸索橋。

如圖1所示，仃洋大橋索塔下、上塔柱均采用八角形截面，下塔柱高程范圍為+0～+79 m，截面尺寸由13 m×16 m（橫橋向×順橋向，下同）過(guò)渡到8.4 m×12 m，下橫梁范圍橫橋向壁厚5.0～4.0 m，順橋向壁厚5.0～4.0 m；高程范圍+16.85～+26.85 m 橫橋向壁厚3.5～2.2 m，順橋向壁厚3.5～2.2 m；高程范圍+26.85～+79 m 橫橋向壁厚2.2 m，順橋向壁厚2.2 m。上塔柱高程范圍為+79～+262.5 m，截面尺寸由8.4 m×12 m 過(guò)渡到7.5 m×12 m，高程范圍+79～+130.4 m 范圍橫橋向壁厚2.0 m，順橋向壁厚2.0 m；橫梁范圍橫橋向壁厚2.0 m，順橋向壁厚2.5 m，其余壁厚1.6 m。

圖1 索塔外形圖

2 一體化智能筑塔機(jī)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

一體化智能筑塔機(jī)具有鋼筋部品調(diào)位、混凝土自動(dòng)輔助布料及振搗、智能養(yǎng)護(hù)和應(yīng)急逃生等功能，其結(jié)構(gòu)主要有架體結(jié)構(gòu)、爬升機(jī)構(gòu)、埋件系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、布料裝置、振搗裝置及智能化控制系統(tǒng)等。

如圖2所示，架體結(jié)構(gòu)共9層，從上至下分別為澆筑混凝土段作業(yè)層（4層）、已澆筑混凝土段養(yǎng)護(hù)層（2層）、已澆筑混凝土段修復(fù)層及軌道倒運(yùn)層。單個(gè)塔肢包含4組架體，單組架體對(duì)應(yīng)一套爬升機(jī)構(gòu)，4組架體支架設(shè)計(jì)收分裝置，以滿足主塔截面沿高度方向的不斷變化。一體化智能筑塔機(jī)為多功能集成設(shè)備，設(shè)備總高約26.7 m，自重大，高度高，且單個(gè)塔肢僅4套爬升機(jī)構(gòu)，爬升承載力大。

圖2 筑塔機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

3.2 工藝流程

如圖3所示，一體化智能筑塔機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工作流程為內(nèi)模支架爬升、鋼筋籠安裝、架體爬升、模板爬升及軌道提升。當(dāng)N節(jié)段混凝土澆筑完成后，內(nèi)模支架進(jìn)行爬升；內(nèi)模支架爬升到位后，進(jìn)行鋼筋籠整體吊裝部品；鋼筋籠安裝到位后，進(jìn)行架體爬升；架體爬升到位后，模板自提升；進(jìn)行下N+1節(jié)段混凝土澆筑，同步進(jìn)行軌道倒運(yùn)。

圖3 筑塔機(jī)工藝流程圖

3 筑塔機(jī)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

3.1 有限元模型建立

采用Ansys有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，外架體結(jié)構(gòu)均為細(xì)長(zhǎng)桿，采用Beam單元建模，軌道及爬箱采用Shell單元建模。筑塔機(jī)的有限元模型如圖4、圖5所示。

圖5 筑塔機(jī)爬升機(jī)構(gòu)板單元模型

3.2 載荷分析

模型計(jì)算載荷主要包括結(jié)構(gòu)自重載荷、附屬設(shè)備（包含布料機(jī)、泵站、洗手間、電動(dòng)葫蘆）自重載荷、風(fēng)載荷、模板載荷、軌道載荷及施工載荷等，結(jié)構(gòu)自重載荷、附屬設(shè)備自重載荷為永久載荷SG，風(fēng)載荷Sw、模板載荷、軌道載荷及施工載荷為可變載荷SQ。

其中，自重載荷在模型自動(dòng)施加；附屬設(shè)備自重載荷按其在筑塔機(jī)上的實(shí)際位置簡(jiǎn)化為對(duì)應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)載荷；模板與軌道的載荷根據(jù)具體工況施加至對(duì)應(yīng)位置，風(fēng)載荷根據(jù)風(fēng)向與迎風(fēng)面施加為節(jié)點(diǎn)載荷。

1）風(fēng)載荷

工作狀態(tài)工作面風(fēng)速為20.7 m/s，非工作狀態(tài)100 a重現(xiàn)期10 m高度10 min，平均年最大風(fēng)速43 m/s。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：

工作狀態(tài)基本風(fēng)壓為

工作狀態(tài)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為

非工作狀態(tài)基本風(fēng)壓為

工作狀態(tài)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為

式中：μz為高度變化系數(shù)，取為2.8；μs為體型系數(shù)，取為0.5。

2）施工載荷

在筑塔機(jī)正常施工作業(yè)時(shí)，整個(gè)架體水平投影面內(nèi)總施工豎向荷載為5 kN/m2，其中頂層為3 kN/m2，頂層以下2層分別為1 kN/m2。在筑塔機(jī)進(jìn)行爬升時(shí)，整個(gè)架體水平投影面內(nèi)總施工豎向荷載為2 kN/m2，全部施加于爬升作業(yè)層。

3.3 荷載組合

筑塔機(jī)的工作情況非常復(fù)雜，其工作狀態(tài)可從簡(jiǎn)分為：正常作業(yè)狀態(tài)（包含混凝土澆筑狀態(tài)、模板提升、軌道轉(zhuǎn)運(yùn)）、爬升狀態(tài)及非工作狀態(tài)等。根據(jù)筑塔機(jī)工作狀態(tài)的不同，載荷組合如表1所示。

表1 載荷組合表

3.4 計(jì)算工況

根據(jù)筑塔機(jī)的工作狀態(tài)、附屬設(shè)備的工作情況及風(fēng)載荷特征，對(duì)其進(jìn)行10種工況分析。

工況1：工作面風(fēng)速為20.7 m/s，軌道拆除、外模板提升狀態(tài)，布料機(jī)不工作，風(fēng)沿橫橋向吹，計(jì)算外架體、爬升機(jī)構(gòu)的受力與變形。

工況2：工作面風(fēng)速為20.7 m/s，軌道拆除、外模板提升狀態(tài)，布料機(jī)不工作，風(fēng)沿縱橋向吹，計(jì)算外架體、爬升機(jī)構(gòu)的受力與變形。

工況3：工作面風(fēng)速為20.7 m/s，混凝土澆筑狀態(tài)，布料機(jī)工作，風(fēng)沿橫橋向吹，計(jì)算外架體、爬升機(jī)構(gòu)的受力與變形。

工況4：工作面風(fēng)速為20.7 m/s，混凝土澆筑狀態(tài)，布料機(jī)工作，風(fēng)沿縱橋向吹，計(jì)算外架體、爬升機(jī)構(gòu)的受力與變形。

工況5：工作面風(fēng)速為20.7 m/s，混凝土澆筑狀態(tài)，布料機(jī)工作，施工荷載偏載，風(fēng)沿橫橋向吹，計(jì)算外架體、爬升機(jī)構(gòu)的受力與變形。

工況6：工作面風(fēng)速為20.7 m/s，混凝土澆筑狀態(tài)，布料機(jī)工作，施工荷載偏載，風(fēng)沿縱橋向吹，計(jì)算外架體、爬升機(jī)構(gòu)的受力與變形。

工況7：工作面風(fēng)速為20.7 m/s，外架體爬升狀態(tài)，布料機(jī)不工作，風(fēng)沿橫橋向吹，計(jì)算外架體、爬升機(jī)構(gòu)的受力與變形。

工況8：工作面風(fēng)速為20.7 m/s，外架體爬升狀態(tài)，布料機(jī)不工作，風(fēng)沿縱橋向吹，計(jì)算外架體、爬升機(jī)構(gòu)的受力與變形。

工況9：風(fēng)速V10＝43 m/s，非工作狀態(tài)，風(fēng)沿橫橋向吹，計(jì)算外架體、爬升機(jī)構(gòu)的受力與變形。

工況10：風(fēng)速V10＝43 m/s，非工作狀態(tài)，風(fēng)沿縱橋向吹，計(jì)算外架體、爬升機(jī)構(gòu)的受力與變形。

3.5 計(jì)算結(jié)果

采用大型有限元分析軟件Ansys對(duì)一體化智能筑塔機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。對(duì)各工況進(jìn)行計(jì)算分析，可得圖6～圖9所示工況10時(shí)的外架體最大應(yīng)力σmax＝289 MPa＜f＝295 MPa，軌道最大應(yīng)力σmax＝265 MPa＜f＝295 MPa。在工況2時(shí)，上爬箱最大應(yīng)力σmax＝288 MPa＜f＝295 MPa；在工況5時(shí)，主架體垂直塔身方向最大變形為62.3 mm＜15 300/125＝122 mm，剛度滿足規(guī)范要求。由計(jì)算結(jié)果中可知，一體化智能筑塔機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范要求。

圖6 工況10架體應(yīng)力云圖

圖7 工況10架體位移云圖

圖8 工況2上爬箱與水平梁應(yīng)力云圖

圖9 工況10軌道應(yīng)力云圖

4 爬升系統(tǒng)錨固性能實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證筑塔機(jī)爬升系統(tǒng)的受力性能和相應(yīng)錨固系統(tǒng)的承載能力，以及在剪力作用下混凝土的局部承壓能力和拉力作用下混凝土的受力性能，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)分析。通過(guò)試驗(yàn)為新型筑塔機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為系統(tǒng)安全性提供數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)有限元分析，爬升系統(tǒng)最大單點(diǎn)支反力為125 t，系統(tǒng)重心位置偏離軌道軸線350 mm，距離塔壁1 300 mm，此即為爬箱加載點(diǎn)的坐標(biāo)。通過(guò)爬箱偏心加載，模擬實(shí)際使用中筑塔機(jī)重心相對(duì)軌道軸線偏移造成的錨固系統(tǒng)彎剪受力。當(dāng)加載至1 220 kN時(shí)，在遠(yuǎn)離加載點(diǎn)錨桿附件出現(xiàn)混凝土裂縫，近加載端錨桿處無(wú)裂縫；繼續(xù)加載，裂縫慢慢延伸；當(dāng)加載至1 960 kN時(shí)，遠(yuǎn)離加載端錨桿處混凝土表皮開(kāi)裂；加載點(diǎn)近端錨桿處混凝土裂縫有些擴(kuò)展；當(dāng)加載至2 360 kN時(shí)，遠(yuǎn)離加載端錨桿處混凝土表面開(kāi)始剝離，表面混凝土開(kāi)始?jí)簼?；?dāng)加載至2 600 kN時(shí)，遠(yuǎn)離加載端錨桿斷裂，錨桿處混凝土鋼筋被拉出，結(jié)構(gòu)破壞，承載力急劇下降。

通過(guò)試驗(yàn)可得爬升系統(tǒng)及錨固系統(tǒng)可承受荷載大于1.2倍的標(biāo)準(zhǔn)荷載，符合工程應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文以豎向移動(dòng)工廠的混凝土索塔成套筑塔技術(shù)為理念，介紹了集高空混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)、預(yù)應(yīng)力張拉、人員避險(xiǎn)等功能于一體的超高混凝土橋塔一體化智能筑塔機(jī)，并成功應(yīng)用于深中通道伶仃洋大橋。

對(duì)筑塔機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，通過(guò)計(jì)算可得筑塔機(jī)最大應(yīng)力為289 MPa，小于規(guī)范要求的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。對(duì)爬升系統(tǒng)及錨固系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，可得爬升系統(tǒng)及錨固系統(tǒng)可承受荷載大于1.2倍的標(biāo)準(zhǔn)荷載，符合工程應(yīng)用，多方面為筑塔機(jī)的安全使用提供數(shù)據(jù)支撐。目前，筑塔機(jī)已首次完成使命。