朱磊磊，劉曉升，陳 波，曹振杰，周 勇，陳百奔

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

高塔、高墩是大型橋梁工程的主要構(gòu)造之一。傳統(tǒng)橋塔施工主要采用液壓爬模施工技術(shù)，經(jīng)過多年應(yīng)用，不斷優(yōu)化，較成熟。液壓爬模采用分片拼裝，結(jié)構(gòu)輕巧，但同時(shí)也因分片造成整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，單片結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力弱，安全風(fēng)險(xiǎn)較大；采用順序作業(yè)限制施工效率；爬升、施工晃動(dòng)大，安全防護(hù)、施工體驗(yàn)差；結(jié)構(gòu)變化較大時(shí)需拆改[1-2]。宜昌市伍家崗長(zhǎng)江大橋橋塔施工借鑒超高層建筑集成平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[3-4]，采用量身定做的整體自適應(yīng)智能頂升橋塔平臺(tái)，改進(jìn)橋塔施工工藝，提升施工效率、安全性和適應(yīng)性。支撐系統(tǒng)作為橋塔平臺(tái)的承載動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，使其適應(yīng)橋塔結(jié)構(gòu)變化，對(duì)保障整個(gè)橋塔平臺(tái)安全可靠至關(guān)重要。

1 工程概況

1.1 橋塔結(jié)構(gòu)

宜昌市伍家崗長(zhǎng)江大橋主橋主跨為1 160m正交異性橋面板鋼箱梁懸索橋，橋?qū)?1.5m。其主塔為門形框架結(jié)構(gòu)，由塔柱、上橫梁、鋼桁架及下橫梁組成。塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50；上、下橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)；鋼桁架為鋼箱框架結(jié)構(gòu)。

主塔塔高155.0m。兩塔柱的橫向中心間距，塔頂為26.500m，塔底為38.902m。塔柱橫向內(nèi)側(cè)壁坡度為1∶28.44，外側(cè)壁坡度為1∶22.30，主塔結(jié)構(gòu)及主要截面如圖1所示。

圖1 橋塔結(jié)構(gòu)及主要截面

塔柱為單箱矩形混凝土斷面，縱向塔頂寬7m，塔底寬10m；橫向塔頂寬5.5m，塔底寬7.0m。塔頂設(shè)置4.5m厚實(shí)心段。塔柱四周自塔頂208.525～76.025m設(shè)置裝飾條，裝飾條厚0.2m，平行于橫橋向塔壁范圍裝飾條寬1m，平行于縱橋向塔壁范圍寬1.2～1.8m。塔柱標(biāo)高76.025m位置設(shè)置橫向混凝土裝飾結(jié)構(gòu)。

豎向主筋直徑主要為28mm，水平筋直徑主要為20mm。豎向縱筋分為3個(gè)類別：①角部平行鋼筋 平行于角線，間距150mm，總計(jì)6根，沿塔柱結(jié)構(gòu)通長(zhǎng)設(shè)置；②中部平行鋼筋 平行于中軸線，沿塔柱結(jié)構(gòu)通長(zhǎng)設(shè)置；③內(nèi)收鋼筋 位于角部平行鋼筋區(qū)域和中部平行鋼筋區(qū)域之間，平行于角線設(shè)置。

下橫梁預(yù)應(yīng)力分上、中、下3道，采用19-φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，理論長(zhǎng)度最大為45m，兩側(cè)張拉；下橫梁邊距塔柱邊線最小距離為571mm。橋塔預(yù)應(yīng)力布置如圖2所示。

圖2 橋塔預(yù)應(yīng)力布置(單位：cm)

1.2 整體自適應(yīng)智能頂升橋塔平臺(tái)

本工程塔柱采用整體自適應(yīng)智能頂升橋塔平臺(tái)進(jìn)行施工(見圖3)，橋塔平臺(tái)由支撐系統(tǒng)、框架系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、塔柱內(nèi)平臺(tái)及相關(guān)附屬設(shè)施組成。

圖3 橋塔平臺(tái)立面

塔柱向內(nèi)傾斜，截面連續(xù)內(nèi)收，橫截面不斷變小，裝飾條寬度及間距逐漸變小，塔柱立面線條變化較多，內(nèi)部鋼筋密集。為適應(yīng)橋塔結(jié)構(gòu)變化，避開裝飾條、預(yù)應(yīng)力等特殊構(gòu)造，橋塔平臺(tái)將支承點(diǎn)位選在塔柱角部，選取“不變”的角線為爬升軌跡，沿角線分別設(shè)置4個(gè)結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)單元包含1套支撐系統(tǒng)和角部框架。4個(gè)單元隨塔柱截面變化沿角線爬升實(shí)現(xiàn)內(nèi)收，單元間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)單元間通過隨動(dòng)連桿和伸縮裝置連接為整體，如圖4所示。

圖4 橋塔平臺(tái)平面布置

2 支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

支撐系統(tǒng)由預(yù)埋螺栓、承力件、上支撐架、下支撐架、頂升油缸及其支座組成，承力件通過可取出混凝土的螺栓安裝于橋塔轉(zhuǎn)角處，上、下支撐架分別掛設(shè)于承力件上、下部，頂升油缸安裝在上、下支撐架間，通過自身伸縮實(shí)現(xiàn)上支撐架或下支撐架向上爬升。

頂升油缸為橋塔平臺(tái)提供整體頂升動(dòng)力。當(dāng)橋塔平臺(tái)頂升時(shí)，頂升油缸帶動(dòng)上支撐架及頂部結(jié)構(gòu)整體向上爬升，平臺(tái)整體荷載由下支撐架承受，傳力路徑為平臺(tái)荷載→框架立柱→上支撐架→油缸→下支撐架→下承力件→預(yù)埋螺栓→結(jié)構(gòu)墻體；頂升就位后，進(jìn)入提升工況，通過頂升油缸回縮提升下支撐架就位，平臺(tái)整體荷載由上支撐架承受，傳力路徑為平臺(tái)荷載→框架立柱→上支撐架→上承力件→預(yù)埋螺栓→結(jié)構(gòu)墻體；下支撐架落于下承力件上后進(jìn)入施工工況，平臺(tái)整體荷載由上、下支撐架共同承受，其傳力路徑如圖5所示。

圖5 施工工況傳力路徑

綜合考慮以上3種工況，在宜昌市伍家崗長(zhǎng)江大橋橋塔平臺(tái)支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以整體平臺(tái)支承點(diǎn)位最大支反力作為支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)荷載依據(jù)。

2.1 角模式承力件設(shè)計(jì)

承力件設(shè)置在塔柱角部，立面上設(shè)有預(yù)埋螺栓孔位、抗側(cè)滑道、掛靴(見圖6)，預(yù)埋螺栓置于鋼筋間隙。角部根據(jù)墻體結(jié)構(gòu)設(shè)置為半徑100mm的倒角。

圖6 承力件組成

承力件主結(jié)構(gòu)采用Q345B鋼材，掛靴及銷軸采用42CrMo。該承力件可兼做模板，是將框架荷載傳遞至墻體的關(guān)鍵構(gòu)件，由左、右2個(gè)L形對(duì)稱拼裝為角模。承力件在1個(gè)4.5m節(jié)段上設(shè)置2組，沿塔柱立面設(shè)置6組，如圖7所示。

圖7 承力件平面布置

2.2 自帶抗側(cè)支撐架設(shè)計(jì)

支撐架由抗側(cè)滑塊、可翻轉(zhuǎn)掛爪及支撐框架組成(見圖8)，上、下支撐架通過油缸支座與頂升油缸連接?？箓?cè)滑塊可保證在頂升過程中上、下支撐架沿固定軌道運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還能避免上、下支撐架及其上部承載傾覆。頂升油缸的缸體鉸接安裝在下支撐架上，其活塞桿端部與上支撐架鉸接，以滿足橋塔一定傾斜度的工況要求，避免活塞桿承受水平剪力，滿足傾斜構(gòu)造自平衡爬升要求。

圖8 上支撐架

1)施工狀態(tài) 上支撐架通過掛爪與承力件爪靴連接，將豎向荷載與彎矩傳遞給承力件，并通過承力件傳遞至墻體。掛爪通過銷軸固定在爪箱內(nèi)，可在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過將掛爪重心設(shè)計(jì)在旋轉(zhuǎn)中心右側(cè)，保證頂升過程中在無外力作用下掛爪可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)(見圖9)。

圖9 上支撐架與承力件咬合承力方式

2)頂升狀態(tài) 下支撐架通過掛爪承力，通過頂升油缸頂推上支撐架，上支撐架掛爪與承力件掛靴脫開，掛爪自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。同時(shí)，上支撐架抗側(cè)裝置沿承力件滑動(dòng)軌道爬升，提供上支撐架水平限位。掛爪自動(dòng)翻轉(zhuǎn)方式如圖10所示。

圖10 掛爪自動(dòng)翻轉(zhuǎn)方式

2.3 支撐系統(tǒng)受力性能分析

2.3.1荷載選取

采用Solidworks軟件對(duì)支撐架和承力件等結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，校核支撐系統(tǒng)各組件，以確保其結(jié)構(gòu)安全性及可靠性。主要采用線彈性分析方法，局部區(qū)域采用彈塑性分析方法。

根據(jù)提供的荷載資料，分析結(jié)構(gòu)荷載取值。施工、頂升施加荷載為橋塔平臺(tái)整體計(jì)算所提取的反力，施加于上支撐架與模架框架的接觸面上。

2.3.2邊界條件

在Solidworks的Simulation模塊中建立支撐系統(tǒng)實(shí)體有限元模型，劃分網(wǎng)格均為實(shí)體單元。針對(duì)橋塔施工平臺(tái)實(shí)際工況分為施工和頂升2個(gè)工況。上、下支撐架的抗側(cè)裝置與承力件導(dǎo)軌采用無穿透接觸模擬；頂升油缸與油缸上、下支座采用耳板、銷軸連接，銷軸與連接耳板采用無穿透接觸模擬。

1)施工工況 上、下支撐架支承于2排承力件上，承力件與墻體固定，對(duì)承力件螺栓孔采用徑向約束，螺栓孔固定板采用法向約束。上、下支撐架2排掛爪均與承力件掛靴相連，掛爪與掛靴采用無穿透接觸模擬。

2)頂升工況 上支撐架頂升過程中，下支撐架支承于下排承力件上，承力件與墻體固定，對(duì)承力件螺栓孔采用徑向約束，螺栓孔固定板采用法向約束。僅下支撐架2排掛爪與下部承力件掛靴相連，掛爪與掛靴采用無穿透接觸模擬。上支撐架僅抗側(cè)裝置與上部承力件抗側(cè)導(dǎo)軌采用無穿透接觸模擬。

2.3.3結(jié)果分析

1)施工狀態(tài) 支撐系統(tǒng)最大位移矢量和為5.5mm，位于油缸底部；材質(zhì)為Q345的支撐架、承力件最大應(yīng)力為256.7MPa，位于上支撐架荷載接觸水平橫梁腹板中部，大部分應(yīng)力值為0～200MPa；材質(zhì)為42CrMo(屈服強(qiáng)度為930MPa)的掛爪、銷軸最大應(yīng)力為508.2MPa，位于上支撐架上排掛爪與掛靴接觸的墊板上，大部分應(yīng)力值為0～200MPa，因此設(shè)計(jì)合理。

2)頂升狀態(tài) 支撐系統(tǒng)最大位移矢量和為49mm，位于上支撐架端部，這是由于上支撐架掛爪與承力件脫開，僅考慮抗側(cè)裝置約束，且上支撐架與油缸采用鉸接。材質(zhì)為Q345的支撐架、承力件最大應(yīng)力為742MPa，位于上支撐架上抗側(cè)滑塊墊板上，屬于局部應(yīng)力集中，大部分應(yīng)力值為0～200MPa；材質(zhì)為42CrMo(屈服強(qiáng)度為930MPa)的掛爪、銷軸最大應(yīng)力為455MPa，位于頂升油缸與油缸上支座連接銷軸上，屬于局部應(yīng)力集中，大部分應(yīng)力值為0～200MPa，因此設(shè)計(jì)合理。

3 支撐系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

在塔柱樣板段上安裝承力件和支撐架，以1臺(tái)液壓千斤頂和試驗(yàn)反力架模擬框架系統(tǒng)立柱傳遞在支撐架的力，加載至500kN，加載等級(jí)為50，100，150，200，250，300，350，400，450，500kN。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)Simulation對(duì)支撐系統(tǒng)的受力性能分析數(shù)據(jù)，選取支撐架和承力件結(jié)構(gòu)受力變形較大處作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。在支撐架和承力件上各布置1個(gè)電阻位移計(jì)，在12個(gè)測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)變計(jì)，如圖11所示。

圖11 測(cè)點(diǎn)布置

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖12所示。由圖12可知，支撐架及承力件上各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均隨荷載的增加而增大，最大應(yīng)力點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)3，出現(xiàn)在支撐架底部位置，加載到500kN時(shí)，最大應(yīng)變?yōu)?08με，對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力值為125.2MPa。承力件最大應(yīng)力點(diǎn)為測(cè)點(diǎn)12，出現(xiàn)在下部掛靴位置，加載到500kN時(shí)，最大應(yīng)變?yōu)?05με，對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力值為83.4MPa。支撐架豎向位移及支撐架與角模的相對(duì)位移也均隨荷載的增加而增大，加載到500kN時(shí)，支撐架豎向位移最大值為8.15mm，支撐架與角模相對(duì)位移最大值為5.68mm。

圖12 試驗(yàn)結(jié)果曲線

通過上述分析，確定支撐架和承力件受力性能參數(shù)均在材料安全使用范圍內(nèi)，并有較大的安全冗余度，與仿真軟件計(jì)算數(shù)據(jù)一致，驗(yàn)證了支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)語

支撐系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)從橋塔平臺(tái)整體設(shè)計(jì)出發(fā)，適應(yīng)橋塔結(jié)構(gòu)變化，充分綜合考慮其工作原理、受力機(jī)理、加工可行性、安全性等因素。

橋塔平臺(tái)支撐系統(tǒng)具有單個(gè)支點(diǎn)承載力大、支撐點(diǎn)數(shù)量少、單次頂升距離大的特點(diǎn)。它提供了一種承載力較高的新型角部支撐方式：可避開塔柱裝飾條、預(yù)應(yīng)力構(gòu)造、橫梁等特殊構(gòu)件，避免二次拆改，實(shí)現(xiàn)連續(xù)頂升。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)沿傾斜結(jié)構(gòu)自平衡爬升，并具有可周轉(zhuǎn)性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點(diǎn)，在高塔、高墩等高聳結(jié)構(gòu)施工中具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

伍家崗上、下游塔柱橋塔平臺(tái)已完成全部68次頂升，完成橋塔結(jié)構(gòu)施工并拆除，頂升過程平穩(wěn)。2.25m頂升時(shí)間為30min，回收時(shí)間8min，整個(gè)頂升作業(yè)控制在2h內(nèi)完成，伍家崗長(zhǎng)江大橋進(jìn)入上部結(jié)構(gòu)施工階段。