整體自適應智能頂升橋塔平臺設計與應用研究*

王 輝，劉曉升，朱磊磊，周 勇，楊 登

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

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

目前，液壓爬模施工技術因其靈活多變、產品化程度高等特點，在橋梁高墩高塔施工中應用十分廣泛，配合傳統塔式起重機、施工電梯形成較成熟的傳統技術。但隨著建設環境復雜程度與施工難度的提升，傳統技術在施工效率、適應性、安全性等方面存在一定的問題：①爬模為單片結構，整體性薄弱，結構較高時抗風能力欠缺，安全防護呈分散狀態；②爬模支點多，需依附于建造結構外立面，由于爬升軌跡受限，遇結構變化較大時需高空拆改，影響施工工期，且高空作業安全風險大；③采用順序作業施工，低溫作業環境下，為保證混凝土質量，需延長混凝土養護時間；④爬模施工設備相互獨立，缺乏完整同步的監測控制系統。

為解決上述問題，基于框架協同變形理念，研發一種整體自適應智能頂升橋塔平臺(簡稱“橋塔平臺”)，并應用于宜昌伍家崗長江大橋的橋塔施工。

1 工程概況

伍家崗長江大橋為單跨鋼箱梁地錨式懸索橋，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。塔柱橫向內側壁坡度為1∶28.4，外側壁坡度為1∶22.3，主塔結構如圖1所示。

圖1 伍家崗大橋橋塔結構

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。塔頂設置4.5m厚實心段。塔柱四周自塔頂標高208.525m至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，如圖2所示。

圖2 伍家崗長江大橋橋塔截面

2 橋塔平臺整體設計思路

橋塔平臺由整體自適應框架系統、自適應支撐系統、雙模板循環施工系統、智能綜合監控系統及附屬設施組成(見圖3)，融合了模架、臨水臨電、臨建設施、物料堆場等設備設施，可實現多作業層高效協同施工。

圖3 整體自適應智能頂升橋塔平臺

橋塔平臺整體設計是在滿足預期功能的基礎上，根據伍家崗長江大橋橋塔施工特點，開展各組成系統優化配合、協同工作設計。

1)為解決傳統工藝整體性差的問題，研發一種整體式自適應框架，基于橋塔平臺豎向支撐系統，利用“連桿”可變機構，形成封閉式“環形”整體式協同受力空間框架，大幅度提升抗風抗側性能。

2)針對爬模工藝在變化結構中適應性差的特點，研發一種可適應傾斜、折線、截面內收等塔柱結構形式的支撐系統，提出一種兼有角模功能的軌道式承力裝置，配合帶有抗側裝置的支撐架，實現沿傾斜結構角部自平衡、連續爬升。

3)針對傳統工藝在低溫環境下施工效率偏低的不足，研發一種基于橋塔平臺條件下的雙模板循環施工方式，實現多作業層協同施工。

4)針對傳統工藝施工監測控制偏弱的問題，研發智能綜合監控系統，對施工作業工序進行全過程監測，保證平臺施工安全可靠。

3 橋塔平臺關鍵核心部件設計

3.1 整體自適應框架系統設計

整體自適應框架系統是整個橋塔平臺的重要結構，能實現人員通行、機具周轉、模板施工、安全防護、鋼筋綁扎等多種功能，同時鋼筋綁扎利用頂部平臺作為施工作業面，框架下端覆蓋支撐系統，框架中部作為模板施工和周轉的作業層。

整體自適應框架系統如圖4所示。整個框架系統分為4個單元，每個單元與角部的支撐系統剛性連接，形成4個剛性框架結構，每2個相鄰的子框架單元通過連桿體系連接形成一個整體受力結構；連桿體系可隨塔柱界面的變化自動調整，從而保證框架尺寸與塔柱界面相適應。每2個相鄰子框架單元間有通道連接，可保證施工人員通行。

圖4 整體自適應框架系統

每2個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軌道中滑動，滑移梁與子框架單元通過銷釘固定。施工時，銷釘可鎖定子框架單元位置，從而保證子框架單元不會相對運動；頂升作業時，取出相應的銷釘，滑移梁可保證相鄰子框架單元間只能沿軌道設定方向滑移，從而保證整個框架系統的安全。

3.2 自適應支撐頂升系統設計

自適應支撐頂升系統是整個橋塔平臺爬升作業的動力保障，同時也為框架系統提供足夠的豎向承載力，保證整個橋塔平臺安全與穩定。考慮到需避開橋塔裝飾條與預應力區域，支撐頂升系統將支撐點設置在橋塔的4個轉角位置，如圖5所示。

圖5 支撐頂升系統平面布置

支撐頂升系統包含預埋螺栓、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角處，上、下支撐架分別通過掛爪掛設于承力件上、下部掛靴上，上、下支撐架抗側裝置安裝于承力件抗側導軌內，頂升油缸安裝在上、下支撐架間，通過自身伸縮實現上支撐架或下支撐架向上爬升。

圖6 支撐頂升系統

自適應支撐頂升系統施工作業共分為3個階段。

1)施工作業階段 此時橋塔平臺的豎向荷載通過框架系統的立柱傳遞給上、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。由于承力件通過預埋螺栓與橋塔角部墻體形成固結，繼而整個框架系統與依附結構形成一個共同受力的結構體。

2)頂升作業階段 此時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中，并全部由下支撐架承受。下支撐架通過掛鉤傳力構造將支撐力分布于承力件上，并傳遞給主塔結構。

3)提升作業階段 此時結構工作原理與頂升作業階段相反，下支撐架內縮脫離承力件，所有荷載經上支撐架傳遞給承力件，并與依附結構形成傳力途徑。下支撐架依靠油缸自回收進行提升。

3.3 雙模板循環施工系統設計

雙模板循環系統突破混凝土拆模齡期、承載力齡期的限制，實現連續作業，同時保證混凝土充足的帶模養護時間，實現混凝土結構連續施工。整個雙模板循環施工系統由橋塔平臺模板施工層、模板體系、雙模板定位對接裝置、模板提升循環系統組成。施工作業流程為：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；進入下一個9m循環。

整個雙模板系統通過2套模板進行交替作業施工，在不降低工作效率的前提下，保證橋塔混凝土的養護時間與質量。為實現雙模板循環施工，設計制作高250mm模板補償段，與原有模板A上下無縫對接后，澆筑混凝土到補償段頂端，在另一套模板B合模前，拆除補償段，露出250mm混凝土結構，作為模板B合模的下包段。

3.4 智能綜合監控系統設計

智能綜合監控系統是橋塔平臺的“智慧大腦”，不僅保障施工和頂升作業安全，還能提升橋塔智慧建造水平，為平臺健康安全運行保駕護航。橋塔平臺智能綜合監控系統由表觀監測系統、結構健康監測系統、液壓監測系統和氣象監測系統組成(見圖7)。

圖7 智能綜合監控系統

1)表觀監測系統 為掌握橋塔平臺支承頂升系統的運動狀態，對支承頂升系統進行表觀監控。上、下支承架掛爪的翻轉動作是橋塔平臺頂升過程中的關鍵節點，通過對掛爪監控，控制室內的操作人員準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，在夜間也能進行頂升作業。

2)結構健康監測系統 橋塔平臺智能監控系統對橋塔平臺在各工況下的安全狀態進行全天候實時監測、分析、預警。根據有限元分析結果，布置應變傳感器及位移計進行實時監測控制。

3)液壓監測系統 橋塔平臺智能監控系統將液壓系統自帶的壓力、溫度傳感器及拉線位移計采集的數據進行集成顯示，在PLC上加裝以太網模塊，使其與服務器相連。智能監控系統服務器實時提取液壓系統監測數據，向PLC發送請求，PLC對數據進行解調并返回。

4)氣象監測系統 智能監控系統環境監測模塊主要監測頂升平臺作業層風速，采用超聲波風速儀。風速儀將風速數據傳輸至服務器，在應力、應變監測界面顯示，并將10年一遇的風荷載設計值作為預警防線。當風速大于設計值時，監控系統自動報警，要求停止施工。

4 工程應用

整體自適應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，完成整個橋塔36節段、155m主塔的施工作業。

在伍家崗長江大橋橋塔施工期內，橋塔平臺工作性能良好，頂升作業動作順暢，較好地完成了各項施工作業。同時，基于結構智能綜合監控系統，對結構主要受力桿件應力與位移測點進行全過程監測。結構主要桿件各施工階段最大應力曲線如圖8所示，位移偏差如圖9所示。

圖8 桿件最大應力

圖9 最大位移偏差

由圖8,9可知，在整個施工期內，主要桿件最大應力與計算理論值之比為0.751～0.866，結構狀態良好；平臺最大位移偏差14.9mm，小于設定預警參數20mm，具有較好的穩定性與舒適度。

通過采用橋塔平臺進行高塔施工，伍家崗長江大橋充分發揮了設備整體性、高效性優勢，在提高安全性能的基礎上，加快了橋塔建設速度，縮短工期約20%。

5 結語

1)針對傳統工藝整體性差、適應性差、施工效率低及監測控制弱等問題，對整體自適應智能頂升橋塔平臺開展整體性設計，形成整體自適應框架系統、自適應支撐系統、雙模板循環施工系統及智能綜合監控系統4大核心的高塔高墩施工裝備設計體系。

2)通過對4大核心系統進行細部設計，整體式自適應框架提供全封閉并具有較強抗風能力的人員作業平臺，并能隨塔柱變化內收；自適應支撐頂升系統作為橋塔平臺沿漸變截面塔柱的支撐點和頂升動力，實現沿傾斜塔柱整體同步頂升；雙模板循環施工系統，通過設置雙層混凝土作業層，實現多作業層協同施工，突破混凝土拆模齡期、承受力齡期的限制，實現連續作業，大幅度提升施工工效；智能綜合監控系統基于監測信息對比集成平臺計算結果判斷集成平臺狀態，實時監測、預警，保證平臺安全可靠。

3)整體自適應智能頂升橋塔平臺在伍家崗長江大橋中的應用，發揮了“無感”頂升、抗風能力強的優異性能，實現跨越障礙無拆改、沿傾斜塔柱連續爬升的高適應性，結構主要桿件應力及平臺位移偏差達到設計預期目標，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。