空間異型獨(dú)柱塔施工方案研究

王照偉，李剛，徐德志，鄭和暉

（1.黃茅?？绾Ｍǖ拦芾碇行?，廣東 珠海 519000；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；4.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；5.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507）

0 引言

黃茅?？绾Ｍǖ拦こ套鳛樯钪型ǖ牢餮泳€，將成為珠海、中山、江門三市區(qū)域高速路網(wǎng)的重要組成部分，進(jìn)一步加強(qiáng)粵港澳大灣區(qū)的互聯(lián)互通。項(xiàng)目全長(zhǎng)31.22 km，其中跨海段長(zhǎng)14.35 km，主橋?yàn)橹骺?20 m三塔斜拉橋（黃茅海大橋）和主跨700 m雙塔斜拉橋（高欄港大橋），均采用空間曲面異型獨(dú)柱塔及分體式鋼箱梁。獨(dú)柱塔最高達(dá)254.871 m，由塔底18 m直徑的圓形依次變化至中塔柱13 m×10 m的圓端形（壁厚2 m）、上塔柱直徑8.5～11 m的圓形（壁厚1.5～1.2 m），共劃分為44節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)6 m，見圖1。項(xiàng)目位于崖門水道入?？?，6—9月臺(tái)風(fēng)高發(fā)，最大風(fēng)速超過42 m/s，安全渡臺(tái)為重要建設(shè)目標(biāo)，獨(dú)柱塔建造位于項(xiàng)目關(guān)鍵線路，工期壓力大，快速化建造需求高。

圖1 獨(dú)柱塔線形及截面（cm）Fig.1 Linear and cross-section of single-column tower（cm）

異型獨(dú)柱塔施工面臨如下難點(diǎn)：主塔采用空間曲面，線形變化頻繁，爬模系統(tǒng)適應(yīng)難度大；項(xiàng)目渡臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)大、工期緊湊，需采用工業(yè)化建造理念，提升獨(dú)柱塔施工工效。

1 爬模系統(tǒng)適應(yīng)性分析

1.1 爬架適應(yīng)性

混凝土橋塔作為典型的高聳結(jié)構(gòu)，可采用爬模法、提模法、滑模法等工藝進(jìn)行施工，其中以操作簡(jiǎn)便、爬升安全平穩(wěn)、速度快的爬模法應(yīng)用最為廣泛。對(duì)于常規(guī)截面形式的塔柱，液壓爬模多采用固定數(shù)量的雙軌道架體，通過不斷微調(diào)軌道傾角及承重架的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)截面收分的要求。本項(xiàng)目主塔截面圓曲線直徑從18 m變化至8.5 m，且曲率不斷發(fā)生變化，爬模系統(tǒng)需適應(yīng)空間曲面的線形變化，若采用固定數(shù)量的架體，承重架的尺寸將由截面最小的中塔柱進(jìn)行控制，上下塔柱節(jié)段需在架體間頻繁安拆并改制搭板，安全風(fēng)險(xiǎn)高且影響工效。為使固定數(shù)量的架體沿截面均勻布置，爬軌需沿曲線徑向不斷變化，爬軌軌跡將呈現(xiàn)空間扭曲狀態(tài)，實(shí)施難度及安全風(fēng)險(xiǎn)均較高。

為適應(yīng)獨(dú)柱塔線形變化并降低爬升風(fēng)險(xiǎn)，需靈活調(diào)整架體的數(shù)量，爬架系統(tǒng)可采用圖2所示的“標(biāo)準(zhǔn)塊+變化塊”的方式進(jìn)行收分，截面兩側(cè)的三組架體為標(biāo)準(zhǔn)塊，頂?shù)撞康募荏w為變化塊。標(biāo)準(zhǔn)塊的數(shù)量及位置均相對(duì)固定，通過螺旋撐桿進(jìn)行微調(diào)，變化塊的數(shù)量及爬軌間距可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行靈活調(diào)整。

圖2 架體收分方案（cm）Fig.2 The collection and distribution scheme of climbing frame（cm）

總體而言，爬軌調(diào)整屬于連續(xù)的微小變化，架體能適應(yīng)整體線形變化，且爬升安全風(fēng)險(xiǎn)可控[1-2]。

由于主塔各截面的曲率均不相同，爬軌與塔壁的間隙也在不斷變化，若間隙過大，則錨錐處于彎剪受力狀態(tài)，加大了爬模系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。為增強(qiáng)爬軌的適應(yīng)性，爬軌的布置曲線可取最大及最小截面的均值，當(dāng)爬軌沿13.25 m直徑的圓曲線進(jìn)行布置時(shí)，可適應(yīng)全塔直徑8.5～18 m的截面變化，爬軌錨板與壁體的最大間隙僅2.1 cm，錨錐基本處于直剪受力狀態(tài)，爬升系統(tǒng)安全可靠，見圖3。上述分析表明，爬架能適應(yīng)主塔整體及局部線形的變化，具備較好的實(shí)施性。

圖3 軌道適應(yīng)性分析（cm）Fig.3 Adaptability analysis of climbing scaffold（cm）

1.2 模板適應(yīng)性

對(duì)于造型獨(dú)特的混凝土橋塔，多采用“以折代曲”模板或全覆蓋鋼模，前者如赤石大橋、水東灣大橋，后者如獵德大橋、昂船洲大橋（中上塔柱）[3-7]。全覆蓋鋼模制作安裝難度大，單塔措施費(fèi)較常規(guī)木模高約2 700萬，且需定期維護(hù)，經(jīng)濟(jì)性差?？烧{(diào)圓弧模板具有便于制造、可靈活調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，由膠合面板、豎向木梁和帶調(diào)節(jié)螺栓的橫肋組成，通過調(diào)整螺栓間距實(shí)現(xiàn)面板弧度的調(diào)整，進(jìn)而適應(yīng)主塔的復(fù)雜線形變化，在陽邏長(zhǎng)江大橋、新建東北鐵路通道等工程中得到應(yīng)用。本項(xiàng)目獨(dú)柱塔線形復(fù)雜，通配鋼模造價(jià)過高，常規(guī)組合模板改制工作量大、工效低，綜合考慮施工可行性、加工質(zhì)量、工效及成本，采用可調(diào)圓弧模板方案。

為滿足截面收分要求，模板系統(tǒng)采用圖4所示的“標(biāo)準(zhǔn)塊+變化塊”結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)塊模板根據(jù)弦高誤差進(jìn)行小范圍改制，變化塊模板全塔通配。模板分塊尺寸直接影響塔身線形擬合精度，綜合考慮擬合精度、模板運(yùn)輸及吊裝難度，結(jié)合同類項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)塊寬度暫定為3 m。

圖4 模板配置示意圖Fig.4 Schematic diagram of formwork configuration

根據(jù)JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，模板制作容許的正負(fù)累計(jì)偏差為1 cm[8]。考慮到相鄰節(jié)段的線形差異較小，標(biāo)準(zhǔn)塊可在相鄰的數(shù)個(gè)節(jié)段內(nèi)通用，以減少模板投入。經(jīng)初步測(cè)算，下塔柱曲率變化大，標(biāo)準(zhǔn)塊可連續(xù)使用3個(gè)節(jié)段（無需改制），中上塔柱高度斜率變化小，標(biāo)準(zhǔn)塊可連續(xù)使用7個(gè)節(jié)段。中上塔柱為先變小后變大的同心圓截面，可考慮將中上塔柱模板進(jìn)行周轉(zhuǎn)，即中塔柱模板倒置后用于上塔柱。

以下塔柱為例，對(duì)于1—3號(hào)節(jié)段，1號(hào)節(jié)段與2號(hào)節(jié)段的底口弦高差為0.47 cm，2號(hào)節(jié)段與3號(hào)節(jié)段的底口弦長(zhǎng)弦高差為0.54 cm。下塔柱10—12號(hào)節(jié)段的線形變化大，若采用3 m標(biāo)準(zhǔn)塊模板，弦長(zhǎng)誤差范圍為1.11～1.42 cm，標(biāo)準(zhǔn)塊長(zhǎng)度縮短至2 m后，弦長(zhǎng)誤差可減少至0.57 cm。各節(jié)段模板編號(hào)、尺寸信息、擬合誤差等信息如表1所示，各節(jié)段的擬合誤差均控制在1 cm以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)塊總面積約1 650 m2，變化塊面積約為800 m2，主塔模板面積合計(jì)約2 450 m2。

表1 標(biāo)準(zhǔn)塊模板統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of standard block formwork

1.3 工藝試驗(yàn)

為驗(yàn)證模板收分方案的實(shí)際精度，選取中塔柱1/4部分進(jìn)行局部足尺工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)段由上下2個(gè)節(jié)段組成，底部節(jié)段高6 m，上部節(jié)段高3 m，塔壁厚1.5 m。模板系統(tǒng)由內(nèi)外模板、拉桿、工作平臺(tái)組成，外模采用可調(diào)圓弧模板，內(nèi)模采用整體造型木模板?？烧{(diào)圓弧模板采用2.1 cmWISA面板、H200背肋、雙拼槽鋼圍檁，圍檁與面板間設(shè)置可調(diào)節(jié)螺桿，進(jìn)行局部線形調(diào)整。

可調(diào)圓弧模板的高度為3 m，下節(jié)段澆筑完畢后，將模板周轉(zhuǎn)至上節(jié)段。試驗(yàn)塊澆筑并養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行整體及局部偏差測(cè)量，上下節(jié)段間的錯(cuò)臺(tái)小于2 mm，表面平整度偏差小于3 mm，整體線形平順且外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良，說明可調(diào)模板能適應(yīng)主塔線形的變化。

2 鋼筋部品方案分析

目前，橋塔鋼筋主要采用現(xiàn)場(chǎng)綁扎工藝，綁扎時(shí)間占節(jié)段工期的60%左右，存在人員投入多、工效低、精度差等問題。鴨池河大橋、南沙大橋及伶仃洋大橋等項(xiàng)目開始逐步應(yīng)用鋼筋部品及鋼筋網(wǎng)片方案，將部分鋼筋綁扎作業(yè)轉(zhuǎn)移至地面，減少現(xiàn)場(chǎng)綁扎及焊接工作量，提升鋼筋工程的工效和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)鋼筋工業(yè)化建造[9-10]。

主塔按6 m節(jié)段劃分時(shí)，統(tǒng)計(jì)各區(qū)段鋼筋部品及鋼筋網(wǎng)片的最大吊重，網(wǎng)片由外向內(nèi)的4層（不含拉鉤筋）分別命名為外1、外2、內(nèi)1和內(nèi)2，吊重統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2和表3。整體部品工業(yè)化程度更高，但其吊重及剛度較大，吊裝、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)位難度大，對(duì)精度要求高；鋼筋網(wǎng)片工業(yè)化程度相對(duì)較低，但吊重及剛度相對(duì)較小，便于運(yùn)輸、吊裝及調(diào)位。對(duì)于下塔柱及中上塔柱，分別討論整體部品及鋼筋網(wǎng)片方案的可行性。

表2 鋼筋部品統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of reinforced bar parts

表3 鋼筋網(wǎng)片重量統(tǒng)計(jì)Table 3 Weight statistics of steel mesh t

2.1 下塔柱部品可行性

國內(nèi)尚無弧形鋼筋部品生產(chǎn)線，本項(xiàng)目的整體部品需采用胎架法制作。以下塔柱底部截面為例，其1/4圓弧最外側(cè)與最內(nèi)側(cè)的環(huán)向?yàn)?23 cm（圖5），徑向偏差為40 cm，不同節(jié)段間均存在較大的曲率差異，導(dǎo)致胎架通用性差，部品及網(wǎng)片制作難度大、經(jīng)濟(jì)性差。若采用直網(wǎng)片，現(xiàn)場(chǎng)需將直網(wǎng)片線形調(diào)整至設(shè)計(jì)曲率，最外側(cè)1/4網(wǎng)片需調(diào)位92次（單個(gè)節(jié)段調(diào)位1 332次），最大水平間距達(dá)到2.83 m（圖6），調(diào)位難度大且工效低。

圖5 內(nèi)外網(wǎng)片差異（1/4）（cm）Fig.5 Differences between inner and outer meshes(1/4)（cm）

圖6 直網(wǎng)片調(diào)位（1/4）（cm）Fig.6 Straight mesh adjustment(1/4)（cm）

考慮到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)位精度低，直螺紋套筒難以滿足連接需要，若采用容差更大的錐套進(jìn)行連接，將增加近700萬元的成本。對(duì)于下塔柱，弧形網(wǎng)片難以制作，直網(wǎng)片現(xiàn)場(chǎng)調(diào)位難度大，故下塔柱不宜采用部品方案。

2.2 中上塔柱部品可行性

中上塔柱由圓端形過渡至圓形，線形變化相對(duì)簡(jiǎn)單，鋼筋豎向傾角（1°～3°）小于鴨池河大橋塔柱鋼筋傾角（4°～8°），可采用短線匹配法進(jìn)行部品制造，通過直螺紋套筒進(jìn)行連接，單節(jié)段鋼筋安裝工效可從2.5 d壓縮至12 h左右。

部品對(duì)接誤差受制造精度和吊裝變形的影響，在提升制造精度的同時(shí)，還需控制吊裝過程中的變形值，減小現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接及調(diào)位工作量，提升部品安裝工效。以單層部品為例，分別開展四點(diǎn)吊、八點(diǎn)吊及十六點(diǎn)吊分析，三者最大變形量分別為15.12 cm、0.62 cm及0.20 cm，八點(diǎn)吊即可滿足錐套及直螺紋套筒的偏差要求。

3 結(jié)語

針對(duì)黃茅海通道空間異型獨(dú)柱塔的建造，通過方案研究及比選、工藝試驗(yàn)及有限元分析，開展爬架及模板系統(tǒng)適應(yīng)性分析、鋼筋部品可行性研究，得到如下結(jié)論：

1）獨(dú)柱塔截面尺寸變化大，固定數(shù)量的架體難以適應(yīng)塔身線形的變化，可采用“固定架體+活動(dòng)架體”的收分方案，固定架體沿直徑13.25 m的圓截面均勻布置，活動(dòng)架體根據(jù)線形變化進(jìn)行靈活調(diào)整，爬升系統(tǒng)可適應(yīng)主塔整體及局部線形的變化。

2）全覆蓋鋼模方案的臨時(shí)投入及后期維護(hù)費(fèi)用高昂，推薦采用可調(diào)圓弧模板及“標(biāo)準(zhǔn)塊+變化塊”的收分方案，針對(duì)下中上塔柱分別提出模板配置方案，擬合誤差均控制在1 cm以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

3）開展模板適應(yīng)性的工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)段整體線形平順且外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良，節(jié)段間錯(cuò)臺(tái)小于2 mm，表面平整度偏差小于3 mm，說明可調(diào)圓弧模板方案可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工。

4）下塔柱線形變化頻繁，網(wǎng)片制作及安裝難度大，推薦采用現(xiàn)場(chǎng)綁扎方案；中上塔柱線形變化相對(duì)較小，可采用分塊部品方案，結(jié)合八點(diǎn)吊工藝，可將吊裝變形控制在0.62 cm左右，可大幅降低現(xiàn)場(chǎng)調(diào)位及連接難度。