深中通道伶仃洋大橋一體化智能筑塔機結構設計

蘇 艷 曾 煒

1中交武漢港灣工程設計研究院有限公司 武漢 430040 2海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室湖北 武漢 430040 3交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心 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、懸索橋中應用廣泛，從東部沿海的西堠門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、造型以及建設條件等方面不斷創造新紀錄。

作為典型的高聳結構，混凝土橋塔采用原位施工的方式進行建造，施工工藝主要有頂模法、提模法、滑模法以及爬模法等。通過國內外技術調研及資料分析，目前混凝土橋塔建造技術存在的問題有：

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

2）作業條件較差 常規爬模系統遮擋條件差，現場施工受天氣影響程度高；作業空間狹小，施工機具難布置；應急疏散避險及救援方面考慮不充足。

3）施工品質不高 鋼筋定位精度、混凝土布料和振搗質量控制難；混凝土養護條件差、時間短、易開裂、外觀質量不佳；線形受環境等因素影響大，結構外形不順直。

4）施工效率較低 目前國內大型橋梁塔柱平均速度約為0.7 m/d。

5）信息化程度低 常規施工過程數據監測采集效率低下、實時信息難以獲取，關鍵設備的運行狀態數據只能由現場操作人員查看，或根據經驗判斷，施工管理者無法遠程監管、實時決策及傳達指令等。

針對上述現狀，面向高效高品質建造、勞動集約型生產的巨大需求，如何提高惡劣建設條件下的超高橋塔施工品質、效率，減少人員操作、保障人員作業條件和安全是當前迫切需要解決的問題。

1 工程概況

深中通道項目北距虎門大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km，全長約24 km，其中跨海段長22.4 km，是集橋、島、隧、地下互通為一體的系統集群工程。伶仃洋大橋是橋梁標段關鍵控制性工程，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

2.1 結構組成

一體化智能筑塔機具有鋼筋部品調位、混凝土自動輔助布料及振搗、智能養護和應急逃生等功能，其結構主要有架體結構、爬升機構、埋件系統、模板系統、養護系統、布料裝置、振搗裝置及智能化控制系統等。

如圖2所示，架體結構共9層，從上至下分別為澆筑混凝土段作業層（4層）、已澆筑混凝土段養護層（2層）、已澆筑混凝土段修復層及軌道倒運層。單個塔肢包含4組架體，單組架體對應一套爬升機構，4組架體支架設計收分裝置，以滿足主塔截面沿高度方向的不斷變化。一體化智能筑塔機為多功能集成設備，設備總高約26.7 m，自重大，高度高，且單個塔肢僅4套爬升機構，爬升承載力大。

圖2 筑塔機現場應用圖

3.2 工藝流程

如圖3所示，一體化智能筑塔機的標準工作流程為內模支架爬升、鋼筋籠安裝、架體爬升、模板爬升及軌道提升。當N節段混凝土澆筑完成后，內模支架進行爬升；內模支架爬升到位后，進行鋼筋籠整體吊裝部品；鋼筋籠安裝到位后，進行架體爬升；架體爬升到位后，模板自提升；進行下N+1節段混凝土澆筑，同步進行軌道倒運。

圖3 筑塔機工藝流程圖

3 筑塔機結構有限元計算

3.1 有限元模型建立

采用Ansys有限元軟件進行計算，外架體結構均為細長桿，采用Beam單元建模，軌道及爬箱采用Shell單元建模。筑塔機的有限元模型如圖4、圖5所示。

圖5 筑塔機爬升機構板單元模型

3.2 載荷分析

模型計算載荷主要包括結構自重載荷、附屬設備（包含布料機、泵站、洗手間、電動葫蘆）自重載荷、風載荷、模板載荷、軌道載荷及施工載荷等，結構自重載荷、附屬設備自重載荷為永久載荷SG，風載荷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施加；附屬設備自重載荷按其在筑塔機上的實際位置簡化為對應位置的節點載荷；模板與軌道的載荷根據具體工況施加至對應位置，風載荷根據風向與迎風面施加為節點載荷。

1）風載荷

工作狀態工作面風速為20.7 m/s，非工作狀態100 a重現期10 m高度10 min，平均年最大風速43 m/s。根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》規定：

工作狀態基本風壓為

工作狀態風荷載標準值為

非工作狀態基本風壓為

工作狀態風荷載標準值為

式中：μz為高度變化系數，取為2.8；μs為體型系數，取為0.5。

2）施工載荷

在筑塔機正常施工作業時，整個架體水平投影面內總施工豎向荷載為5 kN/m2，其中頂層為3 kN/m2，頂層以下2層分別為1 kN/m2。在筑塔機進行爬升時，整個架體水平投影面內總施工豎向荷載為2 kN/m2，全部施加于爬升作業層。

3.3 荷載組合

筑塔機的工作情況非常復雜，其工作狀態可從簡分為：正常作業狀態（包含混凝土澆筑狀態、模板提升、軌道轉運）、爬升狀態及非工作狀態等。根據筑塔機工作狀態的不同，載荷組合如表1所示。

表1 載荷組合表

3.4 計算工況

根據筑塔機的工作狀態、附屬設備的工作情況及風載荷特征，對其進行10種工況分析。

工況1：工作面風速為20.7 m/s，軌道拆除、外模板提升狀態，布料機不工作，風沿橫橋向吹，計算外架體、爬升機構的受力與變形。

工況2：工作面風速為20.7 m/s，軌道拆除、外模板提升狀態，布料機不工作，風沿縱橋向吹，計算外架體、爬升機構的受力與變形。

工況3：工作面風速為20.7 m/s，混凝土澆筑狀態，布料機工作，風沿橫橋向吹，計算外架體、爬升機構的受力與變形。

工況4：工作面風速為20.7 m/s，混凝土澆筑狀態，布料機工作，風沿縱橋向吹，計算外架體、爬升機構的受力與變形。

工況5：工作面風速為20.7 m/s，混凝土澆筑狀態，布料機工作，施工荷載偏載，風沿橫橋向吹，計算外架體、爬升機構的受力與變形。

工況6：工作面風速為20.7 m/s，混凝土澆筑狀態，布料機工作，施工荷載偏載，風沿縱橋向吹，計算外架體、爬升機構的受力與變形。

工況7：工作面風速為20.7 m/s，外架體爬升狀態，布料機不工作，風沿橫橋向吹，計算外架體、爬升機構的受力與變形。

工況8：工作面風速為20.7 m/s，外架體爬升狀態，布料機不工作，風沿縱橋向吹，計算外架體、爬升機構的受力與變形。

工況9：風速V10＝43 m/s，非工作狀態，風沿橫橋向吹，計算外架體、爬升機構的受力與變形。

工況10：風速V10＝43 m/s，非工作狀態，風沿縱橋向吹，計算外架體、爬升機構的受力與變形。

3.5 計算結果

采用大型有限元分析軟件Ansys對一體化智能筑塔機進行結構計算分析。對各工況進行計算分析，可得圖6～圖9所示工況10時的外架體最大應力σmax＝289 MPa＜f＝295 MPa，軌道最大應力σmax＝265 MPa＜f＝295 MPa。在工況2時，上爬箱最大應力σmax＝288 MPa＜f＝295 MPa；在工況5時，主架體垂直塔身方向最大變形為62.3 mm＜15 300/125＝122 mm，剛度滿足規范要求。由計算結果中可知，一體化智能筑塔機結構強度、剛度滿足規范要求。

圖6 工況10架體應力云圖

圖7 工況10架體位移云圖

圖8 工況2上爬箱與水平梁應力云圖

圖9 工況10軌道應力云圖

4 爬升系統錨固性能實驗分析

為驗證筑塔機爬升系統的受力性能和相應錨固系統的承載能力，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，對其進行試驗分析。通過試驗為新型筑塔機的結構設計提供依據，為系統安全性提供數據支撐。

根據有限元分析，爬升系統最大單點支反力為125 t，系統重心位置偏離軌道軸線350 mm，距離塔壁1 300 mm，此即為爬箱加載點的坐標。通過爬箱偏心加載，模擬實際使用中筑塔機重心相對軌道軸線偏移造成的錨固系統彎剪受力。當加載至1 220 kN時，在遠離加載點錨桿附件出現混凝土裂縫，近加載端錨桿處無裂縫；繼續加載，裂縫慢慢延伸；當加載至1 960 kN時，遠離加載端錨桿處混凝土表皮開裂；加載點近端錨桿處混凝土裂縫有些擴展；當加載至2 360 kN時，遠離加載端錨桿處混凝土表面開始剝離，表面混凝土開始壓潰；當加載至2 600 kN時，遠離加載端錨桿斷裂，錨桿處混凝土鋼筋被拉出，結構破壞，承載力急劇下降。

通過試驗可得爬升系統及錨固系統可承受荷載大于1.2倍的標準荷載，符合工程應用。

5 結論

本文以豎向移動工廠的混凝土索塔成套筑塔技術為理念，介紹了集高空混凝土澆筑養護、預應力張拉、人員避險等功能于一體的超高混凝土橋塔一體化智能筑塔機，并成功應用于深中通道伶仃洋大橋。

對筑塔機的結構進行有限元仿真計算，通過計算可得筑塔機最大應力為289 MPa，小于規范要求的強度設計值。對爬升系統及錨固系統進行試驗驗證，可得爬升系統及錨固系統可承受荷載大于1.2倍的標準荷載，符合工程應用，多方面為筑塔機的安全使用提供數據支撐。目前，筑塔機已首次完成使命。