整體自適應(yīng)智能頂升橋塔平臺設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究*

王 輝，劉曉升，朱磊磊，周 勇，楊 登

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

近年來，大型橋梁建造向山區(qū)、深海等極端環(huán)境深度拓展，橋梁建設(shè)難度與施工作業(yè)要求也隨之提升。橋塔施工作為大型橋梁建設(shè)的核心工序，其施工工效與施工質(zhì)量會(huì)直接影響整個(gè)工程的工期與安全，采用有效的施工裝備提升橋塔施工作業(yè)的安全性、適應(yīng)性與高效性具有十分重要的意義。

目前，液壓爬模施工技術(shù)因其靈活多變、產(chǎn)品化程度高等特點(diǎn)，在橋梁高墩高塔施工中應(yīng)用十分廣泛，配合傳統(tǒng)塔式起重機(jī)、施工電梯形成較成熟的傳統(tǒng)技術(shù)。但隨著建設(shè)環(huán)境復(fù)雜程度與施工難度的提升，傳統(tǒng)技術(shù)在施工效率、適應(yīng)性、安全性等方面存在一定的問題：①爬模為單片結(jié)構(gòu)，整體性薄弱，結(jié)構(gòu)較高時(shí)抗風(fēng)能力欠缺，安全防護(hù)呈分散狀態(tài)；②爬模支點(diǎn)多，需依附于建造結(jié)構(gòu)外立面，由于爬升軌跡受限，遇結(jié)構(gòu)變化較大時(shí)需高空拆改，影響施工工期，且高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大；③采用順序作業(yè)施工，低溫作業(yè)環(huán)境下，為保證混凝土質(zhì)量，需延長混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間；④爬模施工設(shè)備相互獨(dú)立，缺乏完整同步的監(jiān)測控制系統(tǒng)。

為解決上述問題，基于框架協(xié)同變形理念，研發(fā)一種整體自適應(yīng)智能頂升橋塔平臺(簡稱“橋塔平臺”)，并應(yīng)用于宜昌伍家崗長江大橋的橋塔施工。

1 工程概況

伍家崗長江大橋?yàn)閱慰玟撓淞旱劐^式懸索橋，跨徑布置為(290+1 160+395)m，主跨矢跨比為 1∶9。 主塔塔高155.0m，兩塔柱塔頂橫向中心間距為26.5m，塔底為38.902m。塔柱橫向內(nèi)側(cè)壁坡度為1∶28.4，外側(cè)壁坡度為1∶22.3，主塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 伍家崗大橋橋塔結(jié)構(gòu)

塔柱采用單箱矩形混凝土截面，縱向塔頂寬7m，塔底寬10m；橫向塔頂寬5.5m，塔底寬7.0m，橋塔截面隨高度的增加而變小。塔頂設(shè)置4.5m厚實(shí)心段。塔柱四周自塔頂標(biāo)高208.525m至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)，如圖2所示。

圖2 伍家崗長江大橋橋塔截面

2 橋塔平臺整體設(shè)計(jì)思路

橋塔平臺由整體自適應(yīng)框架系統(tǒng)、自適應(yīng)支撐系統(tǒng)、雙模板循環(huán)施工系統(tǒng)、智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)及附屬設(shè)施組成(見圖3)，融合了模架、臨水臨電、臨建設(shè)施、物料堆場等設(shè)備設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)多作業(yè)層高效協(xié)同施工。

圖3 整體自適應(yīng)智能頂升橋塔平臺

橋塔平臺整體設(shè)計(jì)是在滿足預(yù)期功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)伍家崗長江大橋橋塔施工特點(diǎn)，開展各組成系統(tǒng)優(yōu)化配合、協(xié)同工作設(shè)計(jì)。

1)為解決傳統(tǒng)工藝整體性差的問題，研發(fā)一種整體式自適應(yīng)框架，基于橋塔平臺豎向支撐系統(tǒng)，利用“連桿”可變機(jī)構(gòu)，形成封閉式“環(huán)形”整體式協(xié)同受力空間框架，大幅度提升抗風(fēng)抗側(cè)性能。

2)針對爬模工藝在變化結(jié)構(gòu)中適應(yīng)性差的特點(diǎn)，研發(fā)一種可適應(yīng)傾斜、折線、截面內(nèi)收等塔柱結(jié)構(gòu)形式的支撐系統(tǒng)，提出一種兼有角模功能的軌道式承力裝置，配合帶有抗側(cè)裝置的支撐架，實(shí)現(xiàn)沿傾斜結(jié)構(gòu)角部自平衡、連續(xù)爬升。

3)針對傳統(tǒng)工藝在低溫環(huán)境下施工效率偏低的不足，研發(fā)一種基于橋塔平臺條件下的雙模板循環(huán)施工方式，實(shí)現(xiàn)多作業(yè)層協(xié)同施工。

4)針對傳統(tǒng)工藝施工監(jiān)測控制偏弱的問題，研發(fā)智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)，對施工作業(yè)工序進(jìn)行全過程監(jiān)測，保證平臺施工安全可靠。

3 橋塔平臺關(guān)鍵核心部件設(shè)計(jì)

3.1 整體自適應(yīng)框架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整體自適應(yīng)框架系統(tǒng)是整個(gè)橋塔平臺的重要結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)人員通行、機(jī)具周轉(zhuǎn)、模板施工、安全防護(hù)、鋼筋綁扎等多種功能，同時(shí)鋼筋綁扎利用頂部平臺作為施工作業(yè)面，框架下端覆蓋支撐系統(tǒng)，框架中部作為模板施工和周轉(zhuǎn)的作業(yè)層。

整體自適應(yīng)框架系統(tǒng)如圖4所示。整個(gè)框架系統(tǒng)分為4個(gè)單元，每個(gè)單元與角部的支撐系統(tǒng)剛性連接，形成4個(gè)剛性框架結(jié)構(gòu)，每2個(gè)相鄰的子框架單元通過連桿體系連接形成一個(gè)整體受力結(jié)構(gòu)；連桿體系可隨塔柱界面的變化自動(dòng)調(diào)整，從而保證框架尺寸與塔柱界面相適應(yīng)。每2個(gè)相鄰子框架單元間有通道連接，可保證施工人員通行。

圖4 整體自適應(yīng)框架系統(tǒng)

每2個(gè)相鄰的子框架單元通過滑移梁連接，滑移梁可在子框架單元的相關(guān)軌道中滑動(dòng)，滑移梁與子框架單元通過銷釘固定。施工時(shí)，銷釘可鎖定子框架單元位置，從而保證子框架單元不會(huì)相對運(yùn)動(dòng)；頂升作業(yè)時(shí)，取出相應(yīng)的銷釘，滑移梁可保證相鄰子框架單元間只能沿軌道設(shè)定方向滑移，從而保證整個(gè)框架系統(tǒng)的安全。

3.2 自適應(yīng)支撐頂升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自適應(yīng)支撐頂升系統(tǒng)是整個(gè)橋塔平臺爬升作業(yè)的動(dòng)力保障，同時(shí)也為框架系統(tǒng)提供足夠的豎向承載力，保證整個(gè)橋塔平臺安全與穩(wěn)定?？紤]到需避開橋塔裝飾條與預(yù)應(yīng)力區(qū)域，支撐頂升系統(tǒng)將支撐點(diǎn)設(shè)置在橋塔的4個(gè)轉(zhuǎn)角位置，如圖5所示。

圖5 支撐頂升系統(tǒng)平面布置

支撐頂升系統(tǒng)包含預(yù)埋螺栓、承力件、上支撐架、下支撐架、頂升油缸及其支座(見圖6)，承力件可通過取出混凝土的螺栓安裝于橋塔轉(zhuǎn)角處，上、下支撐架分別通過掛爪掛設(shè)于承力件上、下部掛靴上，上、下支撐架抗側(cè)裝置安裝于承力件抗側(cè)導(dǎo)軌內(nèi)，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。

圖6 支撐頂升系統(tǒng)

自適應(yīng)支撐頂升系統(tǒng)施工作業(yè)共分為3個(gè)階段。

1)施工作業(yè)階段 此時(shí)橋塔平臺的豎向荷載通過框架系統(tǒng)的立柱傳遞給上、下支撐架，再依靠支撐架的掛爪與承力件的爪靴連接將豎向荷載傳遞給承力件。由于承力件通過預(yù)埋螺栓與橋塔角部墻體形成固結(jié)，繼而整個(gè)框架系統(tǒng)與依附結(jié)構(gòu)形成一個(gè)共同受力的結(jié)構(gòu)體。

2)頂升作業(yè)階段 此時(shí)上支撐架外伸脫離承力件落于油缸支座上，平臺荷載由框架立柱傳遞至支撐系統(tǒng)中，并全部由下支撐架承受。下支撐架通過掛鉤傳力構(gòu)造將支撐力分布于承力件上，并傳遞給主塔結(jié)構(gòu)。

3)提升作業(yè)階段 此時(shí)結(jié)構(gòu)工作原理與頂升作業(yè)階段相反，下支撐架內(nèi)縮脫離承力件，所有荷載經(jīng)上支撐架傳遞給承力件，并與依附結(jié)構(gòu)形成傳力途徑。下支撐架依靠油缸自回收進(jìn)行提升。

3.3 雙模板循環(huán)施工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙模板循環(huán)系統(tǒng)突破混凝土拆模齡期、承載力齡期的限制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，同時(shí)保證混凝土充足的帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)施工。整個(gè)雙模板循環(huán)施工系統(tǒng)由橋塔平臺模板施工層、模板體系、雙模板定位對接裝置、模板提升循環(huán)系統(tǒng)組成。施工作業(yè)流程為：N層模板安裝及混凝土澆筑→9m 骨架安裝、主筋綁扎，N-1層模板拆除→4.5m箍筋綁扎；N-1層模板提升至N層→模架提升至N-1 層→N+1層合模澆筑混凝土→N+2層箍筋綁扎；N層模板拆除→模架頂升至N層→N+1層合模；混凝土澆筑→N+1層拆模；進(jìn)入下一個(gè)9m循環(huán)。

整個(gè)雙模板系統(tǒng)通過2套模板進(jìn)行交替作業(yè)施工，在不降低工作效率的前提下，保證橋塔混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間與質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)雙模板循環(huán)施工，設(shè)計(jì)制作高250mm模板補(bǔ)償段，與原有模板A上下無縫對接后，澆筑混凝土到補(bǔ)償段頂端，在另一套模板B合模前，拆除補(bǔ)償段，露出250mm混凝土結(jié)構(gòu)，作為模板B合模的下包段。

3.4 智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)是橋塔平臺的“智慧大腦”，不僅保障施工和頂升作業(yè)安全，還能提升橋塔智慧建造水平，為平臺健康安全運(yùn)行保駕護(hù)航。橋塔平臺智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)由表觀監(jiān)測系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)、液壓監(jiān)測系統(tǒng)和氣象監(jiān)測系統(tǒng)組成(見圖7)。

圖7 智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)

1)表觀監(jiān)測系統(tǒng) 為掌握橋塔平臺支承頂升系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對支承頂升系統(tǒng)進(jìn)行表觀監(jiān)控。上、下支承架掛爪的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作是橋塔平臺頂升過程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，通過對掛爪監(jiān)控，控制室內(nèi)的操作人員準(zhǔn)確判斷是否頂升到位，并作出正確指令。采用的高清攝像頭具有紅外功能，在夜間也能進(jìn)行頂升作業(yè)。

2)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng) 橋塔平臺智能監(jiān)控系統(tǒng)對橋塔平臺在各工況下的安全狀態(tài)進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測、分析、預(yù)警。根據(jù)有限元分析結(jié)果，布置應(yīng)變傳感器及位移計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測控制。

3)液壓監(jiān)測系統(tǒng) 橋塔平臺智能監(jiān)控系統(tǒng)將液壓系統(tǒng)自帶的壓力、溫度傳感器及拉線位移計(jì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成顯示，在PLC上加裝以太網(wǎng)模塊，使其與服務(wù)器相連。智能監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器實(shí)時(shí)提取液壓系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，向PLC發(fā)送請求，PLC對數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)并返回。

4)氣象監(jiān)測系統(tǒng) 智能監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測模塊主要監(jiān)測頂升平臺作業(yè)層風(fēng)速，采用超聲波風(fēng)速儀。風(fēng)速儀將風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，在應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測界面顯示，并將10年一遇的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值作為預(yù)警防線。當(dāng)風(fēng)速大于設(shè)計(jì)值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，要求停止施工。

4 工程應(yīng)用

整體自適應(yīng)智能頂升橋塔平臺在伍家崗長江大橋橋塔施工中共頂升68次，完成整個(gè)橋塔36節(jié)段、155m主塔的施工作業(yè)。

在伍家崗長江大橋橋塔施工期內(nèi)，橋塔平臺工作性能良好，頂升作業(yè)動(dòng)作順暢，較好地完成了各項(xiàng)施工作業(yè)。同時(shí)，基于結(jié)構(gòu)智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)主要受力桿件應(yīng)力與位移測點(diǎn)進(jìn)行全過程監(jiān)測。結(jié)構(gòu)主要桿件各施工階段最大應(yīng)力曲線如圖8所示，位移偏差如圖9所示。

圖8 桿件最大應(yīng)力

圖9 最大位移偏差

由圖8,9可知，在整個(gè)施工期內(nèi)，主要桿件最大應(yīng)力與計(jì)算理論值之比為0.751～0.866，結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好；平臺最大位移偏差14.9mm，小于設(shè)定預(yù)警參數(shù)20mm，具有較好的穩(wěn)定性與舒適度。

通過采用橋塔平臺進(jìn)行高塔施工，伍家崗長江大橋充分發(fā)揮了設(shè)備整體性、高效性優(yōu)勢，在提高安全性能的基礎(chǔ)上，加快了橋塔建設(shè)速度，縮短工期約20%。

5 結(jié)語

1)針對傳統(tǒng)工藝整體性差、適應(yīng)性差、施工效率低及監(jiān)測控制弱等問題，對整體自適應(yīng)智能頂升橋塔平臺開展整體性設(shè)計(jì)，形成整體自適應(yīng)框架系統(tǒng)、自適應(yīng)支撐系統(tǒng)、雙模板循環(huán)施工系統(tǒng)及智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)4大核心的高塔高墩施工裝備設(shè)計(jì)體系。

2)通過對4大核心系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)，整體式自適應(yīng)框架提供全封閉并具有較強(qiáng)抗風(fēng)能力的人員作業(yè)平臺，并能隨塔柱變化內(nèi)收；自適應(yīng)支撐頂升系統(tǒng)作為橋塔平臺沿漸變截面塔柱的支撐點(diǎn)和頂升動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)沿傾斜塔柱整體同步頂升；雙模板循環(huán)施工系統(tǒng)，通過設(shè)置雙層混凝土作業(yè)層，實(shí)現(xiàn)多作業(yè)層協(xié)同施工，突破混凝土拆模齡期、承受力齡期的限制，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，大幅度提升施工工效；智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)基于監(jiān)測信息對比集成平臺計(jì)算結(jié)果判斷集成平臺狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警，保證平臺安全可靠。

3)整體自適應(yīng)智能頂升橋塔平臺在伍家崗長江大橋中的應(yīng)用，發(fā)揮了“無感”頂升、抗風(fēng)能力強(qiáng)的優(yōu)異性能，實(shí)現(xiàn)跨越障礙無拆改、沿傾斜塔柱連續(xù)爬升的高適應(yīng)性，結(jié)構(gòu)主要桿件應(yīng)力及平臺位移偏差達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，施工效率大幅度提升，取得了較好的施工效果，可為類似橋塔施工提供借鑒。