整體自適應智能頂升橋塔平臺角部支撐系統(tǒng)研究與應用*

朱磊磊，劉曉升，陳 波，曹振杰，周 勇，陳百奔

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

高塔、高墩是大型橋梁工程的主要構造之一。傳統(tǒng)橋塔施工主要采用液壓爬模施工技術，經(jīng)過多年應用，不斷優(yōu)化，較成熟。液壓爬模采用分片拼裝，結構輕巧，但同時也因分片造成整體結構強度不高，單片結構抗側能力弱，安全風險較大；采用順序作業(yè)限制施工效率；爬升、施工晃動大，安全防護、施工體驗差；結構變化較大時需拆改[1-2]。宜昌市伍家崗長江大橋橋塔施工借鑒超高層建筑集成平臺的技術優(yōu)勢[3-4]，采用量身定做的整體自適應智能頂升橋塔平臺，改進橋塔施工工藝，提升施工效率、安全性和適應性。支撐系統(tǒng)作為橋塔平臺的承載動力系統(tǒng)，對其進行設計研究，使其適應橋塔結構變化，對保障整個橋塔平臺安全可靠至關重要。

1 工程概況

1.1 橋塔結構

宜昌市伍家崗長江大橋主橋主跨為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構，由塔柱、上橫梁、鋼桁架及下橫梁組成。塔柱為鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C50；上、下橫梁為預應力混凝土結構；鋼桁架為鋼箱框架結構。

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)側壁坡度為1∶28.44，外側壁坡度為1∶22.30，主塔結構及主要截面如圖1所示。

圖1 橋塔結構及主要截面

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。塔頂設置4.5m厚實心段。塔柱四周自塔頂208.525～76.025m設置裝飾條，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。塔柱標高76.025m位置設置橫向混凝土裝飾結構。

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個類別：①角部平行鋼筋 平行于角線，間距150mm，總計6根，沿塔柱結構通長設置；②中部平行鋼筋 平行于中軸線，沿塔柱結構通長設置；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，平行于角線設置。

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

圖2 橋塔預應力布置(單位：cm)

1.2 整體自適應智能頂升橋塔平臺

本工程塔柱采用整體自適應智能頂升橋塔平臺進行施工(見圖3)，橋塔平臺由支撐系統(tǒng)、框架系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、塔柱內(nèi)平臺及相關附屬設施組成。

圖3 橋塔平臺立面

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。為適應橋塔結構變化，避開裝飾條、預應力等特殊構造，橋塔平臺將支承點位選在塔柱角部，選取“不變”的角線為爬升軌跡，沿角線分別設置4個結構單元，每個單元包含1套支撐系統(tǒng)和角部框架。4個單元隨塔柱截面變化沿角線爬升實現(xiàn)內(nèi)收，單元間相對運動，結構單元間通過隨動連桿和伸縮裝置連接為整體，如圖4所示。

圖4 橋塔平臺平面布置

2 支撐系統(tǒng)設計

支撐系統(tǒng)由預埋螺栓、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，通過自身伸縮實現(xiàn)上支撐架或下支撐架向上爬升。

頂升油缸為橋塔平臺提供整體頂升動力。當橋塔平臺頂升時，頂升油缸帶動上支撐架及頂部結構整體向上爬升，平臺整體荷載由下支撐架承受，傳力路徑為平臺荷載→框架立柱→上支撐架→油缸→下支撐架→下承力件→預埋螺栓→結構墻體；頂升就位后，進入提升工況，通過頂升油缸回縮提升下支撐架就位，平臺整體荷載由上支撐架承受，傳力路徑為平臺荷載→框架立柱→上支撐架→上承力件→預埋螺栓→結構墻體；下支撐架落于下承力件上后進入施工工況，平臺整體荷載由上、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，在宜昌市伍家崗長江大橋橋塔平臺支撐系統(tǒng)設計中，以整體平臺支承點位最大支反力作為支撐系統(tǒng)設計荷載依據(jù)。

2.1 角模式承力件設計

承力件設置在塔柱角部，立面上設有預埋螺栓孔位、抗側滑道、掛靴(見圖6)，預埋螺栓置于鋼筋間隙。角部根據(jù)墻體結構設置為半徑100mm的倒角。

圖6 承力件組成

承力件主結構采用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鍵構件，由左、右2個L形對稱拼裝為角模。承力件在1個4.5m節(jié)段上設置2組，沿塔柱立面設置6組，如圖7所示。

圖7 承力件平面布置

2.2 自帶抗側支撐架設計

支撐架由抗側滑塊、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?？箓然瑝K可保證在頂升過程中上、下支撐架沿固定軌道運動，同時還能避免上、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，通過將掛爪重心設計在旋轉(zhuǎn)中心右側，保證頂升過程中在無外力作用下掛爪可自動旋轉(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，掛爪自動翻轉(zhuǎn)。同時，上支撐架抗側裝置沿承力件滑動軌道爬升，提供上支撐架水平限位。掛爪自動翻轉(zhuǎn)方式如圖10所示。

圖10 掛爪自動翻轉(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軟件對支撐架和承力件等結構進行驗算，校核支撐系統(tǒng)各組件，以確保其結構安全性及可靠性。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，分析結構荷載取值。施工、頂升施加荷載為橋塔平臺整體計算所提取的反力，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)實體有限元模型，劃分網(wǎng)格均為實體單元。針對橋塔施工平臺實際工況分為施工和頂升2個工況。上、下支撐架的抗側裝置與承力件導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。上支撐架僅抗側裝置與上部承力件抗側導軌采用無穿透接觸模擬。

2.3.3結果分析

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，大部分應力值為0～200MPa；材質(zhì)為42CrMo(屈服強度為930MPa)的掛爪、銷軸最大應力為508.2MPa，位于上支撐架上排掛爪與掛靴接觸的墊板上，大部分應力值為0～200MPa，因此設計合理。

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、承力件最大應力為742MPa，位于上支撐架上抗側滑塊墊板上，屬于局部應力集中，大部分應力值為0～200MPa；材質(zhì)為42CrMo(屈服強度為930MPa)的掛爪、銷軸最大應力為455MPa，位于頂升油缸與油缸上支座連接銷軸上，屬于局部應力集中，大部分應力值為0～200MPa，因此設計合理。

3 支撐系統(tǒng)試驗

3.1 試驗方案

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

3.2 測點布置

根據(jù)Simulation對支撐系統(tǒng)的受力性能分析數(shù)據(jù)，選取支撐架和承力件結構受力變形較大處作為監(jiān)測對象。在支撐架和承力件上各布置1個電阻位移計，在12個測點布置應變計，如圖11所示。

圖11 測點布置

3.3 試驗結果分析

試驗結果曲線如圖12所示。由圖12可知，支撐架及承力件上各測點應力均隨荷載的增加而增大，最大應力點為測點3，出現(xiàn)在支撐架底部位置，加載到500kN時，最大應變?yōu)?08με，對應的壓應力值為125.2MPa。承力件最大應力點為測點12，出現(xiàn)在下部掛靴位置，加載到500kN時，最大應變?yōu)?05με，對應的壓應力值為83.4MPa。支撐架豎向位移及支撐架與角模的相對位移也均隨荷載的增加而增大，加載到500kN時，支撐架豎向位移最大值為8.15mm，支撐架與角模相對位移最大值為5.68mm。

圖12 試驗結果曲線

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，與仿真軟件計算數(shù)據(jù)一致，驗證了支撐系統(tǒng)設計的合理性。

4 結語

支撐系統(tǒng)的研發(fā)設計應從橋塔平臺整體設計出發(fā)，適應橋塔結構變化，充分綜合考慮其工作原理、受力機理、加工可行性、安全性等因素。

橋塔平臺支撐系統(tǒng)具有單個支點承載力大、支撐點數(shù)量少、單次頂升距離大的特點。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、預應力構造、橫梁等特殊構件，避免二次拆改，實現(xiàn)連續(xù)頂升。同時，可實現(xiàn)沿傾斜結構自平衡爬升，并具有可周轉(zhuǎn)性強、標準化程度高等特點，在高塔、高墩等高聳結構施工中具有較高的推廣應用價值。

伍家崗上、下游塔柱橋塔平臺已完成全部68次頂升，完成橋塔結構施工并拆除，頂升過程平穩(wěn)。2.25m頂升時間為30min，回收時間8min，整個頂升作業(yè)控制在2h內(nèi)完成，伍家崗長江大橋進入上部結構施工階段。