大角度傾斜橋塔爬模施工分析

麻瑞昇， 王 旭， 楊 赟， 許世展， 李 楊

(1.中交一公局第五工程有限公司， 北京 100000； 2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 鄭州 450001)

無背索斜拉橋作為一種全新概念的橋梁結(jié)構(gòu)形式，它利用塔柱傾斜來平衡橋面荷載和活載，不設(shè)背索[1]，打破了傳統(tǒng)直塔斜拉橋的設(shè)計理念，但其傾斜的塔柱給施工帶來了一定困難。液壓爬模是目前國內(nèi)斜拉橋塔身施工中較為先進的施工工藝，既能滿足進度要求，又給作業(yè)人員提供了一個安全、寬敞的作業(yè)平臺[2-4]，在實際工程中得到較多運用。而斜塔爬模施工不同于以往直塔柱施工，若直接將成品直塔爬模系統(tǒng)的爬架利用在斜塔施工中，橋塔施工過程中澆筑的節(jié)段混凝土重量會直接由模板傳遞給爬架承擔(dān)，對爬架系統(tǒng)提出更高的要求[5-6]，若專門訂制相配套的爬架，存在工期和造價無法承受的矛盾。因此，需挖掘直塔爬模系統(tǒng)爬架的承載潛力，合理調(diào)整主塔節(jié)段澆筑高度及爬架受力模式，以確保斜塔爬模施工安全[7-11]。

對此，本文結(jié)合一座無背索斜拉橋施工，提出了爬架背梁扣掛勁性骨架受力的模式及2種不同的節(jié)段澆筑高度方案，并對比分析了2種方案下爬模系統(tǒng)的各桿件、拉桿及勁性骨架的受力和變形，獲得了最佳的施工方案[12-15]。大角度斜塔爬模系統(tǒng)在本工程中的成功應(yīng)用，解決了大角度傾斜橋塔的施工問題，供類似工程參考。

1 工程概況

依托工程為一座波形鋼腹板無背索斜拉橋，跨徑布置為35 m+60 m，主梁采用分離式單箱雙室波形鋼腹板整體箱梁，橋塔采用預(yù)應(yīng)力混凝土矩形截面，橫向?qū)? m，縱向?qū)拸乃椎?.5 m漸變到塔頂?shù)? m，橋面以上塔高53.7 m(不含塔頂裝飾)，塔身水平傾角57°，塔高與主跨的高跨比H/L=1/1.12。共平行布設(shè)7道索(S1～S7)，待主塔施工至一定高度后，爬模系統(tǒng)安裝完畢，開始液壓爬模施工，混凝土節(jié)段澆筑與斜拉索張拉交替進行。斜拉橋立面布置如圖1所示。

單位：cm

2 主塔節(jié)段分節(jié)澆筑方案

2.1 澆筑方案

全橋按先梁后塔的順序施工，主塔采用液壓爬模系統(tǒng)分節(jié)段施工。綜合考慮工期要求與施工成本，主塔施工應(yīng)在保證施工安全的前提下盡可能減少澆筑次數(shù)，節(jié)省立模時間，提高施工效率。目前市場上豎向澆筑高度普遍采用4.5 m和6.5 m兩種施工節(jié)段高度，對應(yīng)2種成品爬模系統(tǒng)。本橋采用2種成品模板長度斜置后形成豎向3.7 m和5.35 m兩種標(biāo)準(zhǔn)段澆筑方案，分別標(biāo)識為方案1和方案2，如表1所示。

表1 兩方案節(jié)段劃分數(shù)量及高度

由表1可知，方案1節(jié)段單次澆筑最大高度為3.7 m，共澆筑15次，較方案2多澆筑4次，按20 d澆筑1個施工節(jié)段計算，方案1工期比方案2長3個月，效率較低。方案2通過增大節(jié)段澆筑高度來減少澆筑次數(shù)，但節(jié)段澆筑高度的增加意味著節(jié)段混凝土自重增大，傾斜后澆筑混凝土將直接作用于仰面模板，需將這部分力傳遞給勁性骨架，本工程使用液壓自爬模體系施工，主塔總高53.7 m，俯仰側(cè)最大傾角31.4°，整個爬架由5層工作平臺組成，各層之間以固定扶梯相連，爬架總高度14 m，為解決這一問題，在模板橫背楞處與勁性骨架間增設(shè)拉桿的設(shè)計辦法。

2.2 爬模架體拉結(jié)設(shè)計

為避免仰爬面混凝土自重過大導(dǎo)致架體受力變形過大，在液壓爬模模板橫背楞處與勁性骨架間采用拉桿拉接，包括拉接鋼筋、錐形接頭、螺母與螺桿，與勁性骨架以及模板系統(tǒng)共同組成受力體系。設(shè)定合理的分載比將混凝土的一部分自重通過拉桿傳遞給勁性骨架承擔(dān)，以減小爬架受力，同時通過調(diào)節(jié)拉桿端部的螺桿定位模板，確定混凝土保護層厚度。塔身爬架布置與拉接如圖2所示。

圖2 塔身爬模立面布置

2.3 勁性骨架及爬模系統(tǒng)計算模型

采用Midas/Civil軟件建立俯、仰兩面爬模桁架與勁性骨架共同連接的三維模型，如圖3所示，左右兩側(cè)是俯、仰兩面爬模系統(tǒng)，中間是勁性骨架。骨架設(shè)計角鋼采用L100×10，腹桿采用L75×7，右側(cè)4根采用L140×14；材料使用Q235；邊界條件：模板和骨架的連接采用剛性連接代替拉桿，模板和上架體采用節(jié)點剛性連接，骨架底部和下爬架均采用節(jié)點固結(jié)。

圖3 Midas有限元計算模型

2.4 勁性骨架與爬架計算結(jié)果分析

采用內(nèi)部振搗器時，GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》A.0.4提供2種方法計算新澆筑混凝土作用于模板的最大側(cè)壓力。

1) 規(guī)范經(jīng)驗公式

(1)

2) 靜水壓力計算公式

F=γcH

(2)

式中：F為新澆筑混凝土對模板的最大側(cè)壓力，kN/m2；γc為混凝土重度，kN/m3；t0為新澆筑混凝土初凝時間，h，結(jié)合實測取t0=5 h；β為混凝土塌落度影響修正系數(shù)，取β=1；V為混凝土澆筑高度與澆筑時間的比值，結(jié)合實橋取值V=2；H為混凝土側(cè)壓力計算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度，m。

由于泵送混凝土的流動性強，用靜水壓力計算結(jié)果接近實際情況，將按靜水壓力方法計算的結(jié)果分別施加在爬架與勁性骨架上分析，得到的計算結(jié)果如表2所示，表2列出的結(jié)果均為最大值。發(fā)生最大變形的位置均位于順橋向仰面第3層水平桿處；最大組合應(yīng)力位于順橋向仰面第1層水平桿與橫橋向第2、第3根立桿交點處。

根據(jù)表2計算結(jié)果，并結(jié)合GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，在澆筑混凝土側(cè)壓力下方案2勁性骨架最大組合應(yīng)力為-240.4 MPa，已超過規(guī)范限值215 MPa，不滿足規(guī)范要求，且順橋向變形增大明顯，不利于施工安全。

基于以上計算結(jié)果及現(xiàn)場施工條件，提出在5.35 m的塔柱節(jié)段高度不變的情況下，采取“1次立模，2層澆筑”工藝，即液壓爬模每次爬升高度5.35 m，該段混凝土分2層澆筑，分層高度為2.35 m+3 m，第2層混凝土待第1層混凝土澆筑24 h，且強度不小于10 MPa后方可澆筑，混凝土終凝后在10 MPa強度下不再變形，且對模板無靜水壓力。將按照靜水壓力法計算得到的混凝土壓力值分別施加在分層澆筑的3 m節(jié)段和2.35 m節(jié)段，得到的計算結(jié)果如表3所示。

由表3計算結(jié)果可知，分層澆筑工況下混凝土澆筑高度較小，爬架和勁性骨架的位移較表2中單次澆筑工況下顯著減小；爬架和勁性骨架的應(yīng)力及內(nèi)力也均在安全范圍以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。故橋塔11節(jié)段澆筑方案結(jié)合“1次立模，2層澆筑”工藝可滿足勁性骨架及爬架的變形、受力安全，同時也可減少立模次數(shù)，節(jié)省工期。

3 爬模施工流程

按照上文分析，通過增加勁性骨架與模板背楞拉桿拉接過程及在同一節(jié)段內(nèi)采用混凝土分時段澆筑工藝，實現(xiàn)了斜向大長度節(jié)段澆筑，現(xiàn)場澆筑節(jié)段混凝土如圖4所示，爬模施工流程總結(jié)如下。

表2 爬架與勁性骨架計算結(jié)果

表3 分層澆筑下爬架與勁性骨架計算結(jié)果

圖4 現(xiàn)場橋塔混凝土澆筑

1) 塔柱起步段、第1節(jié)、第2節(jié)部分使用鋼模板，支架澆筑，第1節(jié)段鋼筋安裝完畢后，安裝預(yù)埋件及上爬架；

2) 第2節(jié)段混凝土達到一定強度后，鑿毛混凝土面，接高勁性骨架及主筋，綁扎第3節(jié)段鋼筋，在第2節(jié)段安裝導(dǎo)軌及部分下爬架；

3) 上爬架后移，通過液壓裝置提升導(dǎo)軌第3節(jié)段，架體通過導(dǎo)軌爬升，安裝下爬架吊平臺及防護設(shè)施，并將上爬架提升至第3節(jié)段；

4) 合模后在液壓爬模模板橫背楞處安裝與勁性骨架連接的拉桿，通過拉桿螺距調(diào)整保護層厚度，第1次澆筑混凝土，待混凝土強度大于10 MPa后，第2次澆筑混凝土，完成第3節(jié)段混凝土澆筑，接高勁性骨架及主筋，綁扎第4節(jié)段鋼筋。拆除拉桿外螺桿后拆模；

5) 按3)、4)步循環(huán)施工橋塔4～11節(jié)段，完成橋塔施工。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)對勁性骨架與爬模系統(tǒng)共同受力的體系計算分析，采用合理的拉桿布置形式及密度可滿足拉桿受力變形要求，同時拉桿將爬架所受混凝土壓力傳遞一部分給勁性骨架，勁性骨架受力及變形在安全范圍內(nèi)。

2) 通過在模板橫背楞與勁性骨架之間增設(shè)拉桿拉結(jié)，使勁性骨架與爬架組成共同受力系統(tǒng)，增大了橋塔爬模系統(tǒng)施工安全性，同時通過調(diào)節(jié)拉桿端部螺桿定位模板，可確定混凝土保護層厚度。

3) 橋塔按11節(jié)段施工時，結(jié)合“1次立模，2層澆筑”工藝可減小橋塔單次節(jié)段澆筑高度，同時不增加立模次數(shù)，提高施工效率。