新型自動(dòng)化爬升技術(shù)在混凝土主塔工程中的應(yīng)用

郭 強(qiáng) 蘇 艷

1中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430040

2海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430040

3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 武漢 430040

0 引言

液壓爬模在橋梁、建筑施工中被廣泛應(yīng)用，然而傳統(tǒng)的液壓爬模爬升機(jī)構(gòu)機(jī)位多、承載力小、自動(dòng)化程度低，主要表現(xiàn)為：當(dāng)承載架體或軌道爬升到位時(shí)，需要人工穿插承重銷(xiāo)；爬升軌道與爬升承載架體功能轉(zhuǎn)換時(shí)，需要人工進(jìn)行換向操作；無(wú)法滿(mǎn)足多功能施工平臺(tái)承載大的需求。

本文結(jié)合目前高塔建設(shè)設(shè)備的爬升技術(shù)，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)目前超高混凝土橋塔建造現(xiàn)狀，面向高效高品質(zhì)建造、勞動(dòng)集約型生產(chǎn)的巨大需求，設(shè)計(jì)一種新型的自動(dòng)化爬升機(jī)構(gòu)，提升爬升效率，為筑塔專(zhuān)用設(shè)備多功能集成提供關(guān)鍵支撐。

1 高聳建筑施工裝備及其爬升技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外高層混凝土建筑及超高混凝土橋塔施工裝備主要有頂模、爬模、滑模等。其中，頂模根據(jù)在主體結(jié)構(gòu)上支撐方式的不同分為少支點(diǎn)低位整體頂模、微凸支點(diǎn)式頂模以及工具式多支點(diǎn)可變低位頂模?？偨Y(jié)了各種高聳建筑施工裝備的施工工藝、適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

1）頂模

頂模的爬升是通過(guò)上下梁的交替頂升實(shí)現(xiàn)的。下支撐梁作為承載梁，頂升液壓缸升缸推動(dòng)頂模系統(tǒng)包括上支撐梁向上頂升一個(gè)步距，頂升到位后固定上支撐梁；頂升液壓缸收缸提升下支撐梁提升一個(gè)步距，頂升到位后固定下支撐梁，如此交替循環(huán)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)頂升平臺(tái)的頂升。其優(yōu)點(diǎn)是單點(diǎn)承載力大；可集成各種施工機(jī)具，實(shí)現(xiàn)一體化施工；低位支撐，優(yōu)化了養(yǎng)護(hù)時(shí)間；施工品質(zhì)好。缺點(diǎn)是造價(jià)高；支點(diǎn)少，抗側(cè)傾覆能力較差；對(duì)施工斷面及爬升線(xiàn)型的適應(yīng)性差；爬升軌道需要起重設(shè)備倒運(yùn)。該設(shè)備已成功應(yīng)用于多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中。

2）爬模

爬模的爬升是根據(jù)墻體情況布置機(jī)位，每個(gè)機(jī)位處設(shè)置液壓頂升系統(tǒng)，架體通過(guò)附墻錨靴與預(yù)埋在墻上的爬錐連接固定，爬升時(shí)先提升導(dǎo)軌，然后架體連同模板沿導(dǎo)軌爬升，直至爬升到位。其優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，施工品質(zhì)好，對(duì)施工斷面及爬升線(xiàn)型的有一定的適應(yīng)性。缺點(diǎn)是機(jī)位較多，整體性不夠好，承載力不大，爬模能容易適應(yīng)較薄的墻厚變化，但墻體突變時(shí)適應(yīng)困難。該設(shè)備已成功應(yīng)用于多個(gè)大橋工程中。

3）滑模

滑模的爬升是沿著主體結(jié)構(gòu)四周配置并拼裝滑升模板體系，預(yù)先埋設(shè)承力桿，采用不間斷的分層澆筑方式，在達(dá)到一定的脫模條件時(shí)，使用液壓提升，使組裝好的滑升模板沿著承力桿，不斷向上滑升。其優(yōu)點(diǎn)是施工無(wú)間斷，施工速度較快。缺點(diǎn)是單點(diǎn)承載力小，施工條件差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，施工品質(zhì)一般。該設(shè)備已成功應(yīng)用于多個(gè)大橋工程中。

2 工程概況及難點(diǎn)

某過(guò)江通道南索塔包含2個(gè)塔柱和上下橫梁，采用C55混凝土。如圖1所示，塔柱頂高程為+245.500 m，塔柱底高程為+4.000 m，塔底設(shè)有4.0 m高的塔座。塔頂左右塔柱中心間距為34.8 m,塔底左右塔柱中心間距為45.45 m。索塔順橋向?qū)挾扔伤數(shù)?0 m直線(xiàn)變化至塔底的12 m，順橋向側(cè)面斜率為l/237.5。橫橋向由塔頂?shù)? m直線(xiàn)變化至塔底的9 m，外側(cè)面斜率為l/37.549，內(nèi)側(cè)面斜率為1/54.913。塔柱采用知形箱形截面，結(jié)合大橋塔柱景觀效果與渦振性能改善，將塔柱四角進(jìn)行倒角截面鈍化，橋塔外側(cè)倒圓角R＝l.5 m。

圖1 索塔外形圖

某過(guò)江通道南索塔的建造以工廠(chǎng)化生產(chǎn)、裝配化施工、智能化控制為總體思路，結(jié)合鋼筋部品、混凝土自動(dòng)輔助布料、雙層智能養(yǎng)護(hù)、自動(dòng)拆合模、自動(dòng)爬升和全封閉作業(yè)等功能，將橋塔高空現(xiàn)場(chǎng)施工打造為豎向移動(dòng)工廠(chǎng)。相比傳統(tǒng)裝備具有以下難點(diǎn)：1）傳統(tǒng)的爬模單點(diǎn)承載力低僅10 t，無(wú)法滿(mǎn)足集成化施工平臺(tái)的承載要求，且單次行程小，爬升速度慢；2）傳統(tǒng)爬模的自動(dòng)化程度不高，需人工輔助插銷(xiāo)與轉(zhuǎn)換功能，安全性不能保證；3）頂模爬升系統(tǒng)承載力高，但爬升軌道需起重設(shè)備輔助倒運(yùn)，大大降低爬升效率。

3 新型自動(dòng)化爬升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，爬升裝置主要由埋件系統(tǒng)、錨靴、承重銷(xiāo)、軌道、平衡梁、斜撐、上爬箱、自平衡掛爪、頂升液壓缸、支撐調(diào)整液壓缸和下爬箱、換向裝置等組成，通過(guò)上下爬箱在軌道上交互滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)架體和軌道的自動(dòng)爬升。新型自動(dòng)化爬升系統(tǒng)的額定爬升能力為350 kN，爬升步距為750 mm，爬升角度為±10°，爬升最大推力為400 kN。

圖2 爬升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1）自復(fù)位承重銷(xiāo)式錨靴

在傳統(tǒng)的爬模中，經(jīng)常出現(xiàn)人工插銷(xiāo)不到位而導(dǎo)致爬升事故的情況，與傳統(tǒng)的錨靴相比，自復(fù)位承重銷(xiāo)式錨靴（見(jiàn)圖3）不僅省去人工插拔軌道、爬箱承重銷(xiāo)的流程，同時(shí)采用機(jī)械式功能設(shè)計(jì)，有力保障爬升安全性。

圖3 自復(fù)位承重銷(xiāo)式錨靴結(jié)構(gòu)圖

錨靴承重掛板上設(shè)有承重銷(xiāo)弧形軌道孔，當(dāng)軌道或上爬箱自下而上爬升時(shí)，承重銷(xiāo)在其向上的作用力下沿承重銷(xiāo)軌道孔做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，不影響軌道或上爬箱的爬升運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軌道或上爬箱爬升到位后，承重銷(xiāo)在重力作用下自動(dòng)復(fù)位，爬箱與軌道可回落掛在承重銷(xiāo)上，繼續(xù)進(jìn)行下一階段施工。

2）自平衡掛爪

自平衡掛爪是爬升過(guò)程中的主要承載結(jié)構(gòu)。掛爪為雙軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，與爬箱之間采用銷(xiāo)軸連接。如圖4所示，掛爪豎直方向設(shè)置2組復(fù)位彈簧，在原位狀態(tài)時(shí)，復(fù)位彈簧帶有一定張緊力，保證掛爪保持水平狀態(tài)。

圖4 自平衡掛爪工作狀態(tài)

在爬升過(guò)程中，上下爬箱交替受力，逐步沿軌道爬升到位。掛爪的工作狀態(tài)可分為承載狀態(tài)和避障狀態(tài)2種。在承載狀態(tài)時(shí)，掛爪前端承受軌道承重孔向上的作用力，后端頂住承重插銷(xiāo)，此時(shí)掛爪處于平衡狀態(tài)。在避障狀態(tài)時(shí)，軌道承重孔對(duì)掛爪產(chǎn)生向下的作用力，掛爪沿銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，避開(kāi)軌道封板區(qū)直至下一個(gè)軌道承重孔位時(shí)，掛爪在復(fù)位彈簧的作用下恢復(fù)至水平位。掛爪尾部設(shè)有擺角傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控掛爪的姿態(tài)。

3）自動(dòng)換向裝置

如圖5所示，自動(dòng)換向裝置采用齒輪齒條傳動(dòng)的原理，通過(guò)換向液壓缸驅(qū)動(dòng)承重插銷(xiāo)2做直線(xiàn)式往復(fù)運(yùn)動(dòng)。可實(shí)現(xiàn)承重插銷(xiāo)1退出的同時(shí)承重插銷(xiāo)2能夠插入，反之亦然。在爬升上設(shè)置行程開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)監(jiān)控承重插銷(xiāo)的到位狀態(tài)。

圖5 自動(dòng)換向裝置結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合自平衡掛爪，實(shí)現(xiàn)爬升軌道與爬升架體的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，取代人工換向流程，提高爬升效率。

3.2 爬升流程

如圖6所示，爬升流程有以下步驟：1）當(dāng)N節(jié)段混凝土澆筑完成后，筑塔機(jī)進(jìn)行爬升；2）爬升裝置切換至爬升軌道狀態(tài)，此時(shí)上爬箱掛在錨靴上；3）頂升液壓缸伸出，下爬箱沿軌道向下行750 mm，此時(shí)下爬箱掛爪復(fù)水平位并掛住軌道；4）頂升液壓缸回縮，下爬箱帶動(dòng)軌道向上行750 mm后，軌道掛在上爬箱掛爪上；5）重復(fù)步驟3）和步驟4），直至軌道爬升到位，掛至第N節(jié)錨靴承重銷(xiāo)上；6）爬升裝置切換至爬升架體狀態(tài)，收回支撐調(diào)整液壓缸，此時(shí)下爬箱掛爪掛在軌道上；7）頂升液壓缸伸出，上爬箱沿軌道向上行750 mm，此時(shí)上爬箱掛爪復(fù)水平位，掛在軌道上；8）頂升液壓缸回縮，下爬箱沿軌道向上行750 mm，下爬箱掛爪復(fù)水平位，掛在軌道上；9）重復(fù)步驟7）和步驟8），直至架體爬升到位。

圖6 爬升流程圖

4 新型自動(dòng)化爬升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)荷載主要考慮筑塔機(jī)自重、機(jī)具荷載、模板重量、施工荷載及風(fēng)荷載等因素。荷載組合分別按照標(biāo)準(zhǔn)組合和基本組合來(lái)考慮，其中標(biāo)準(zhǔn)組合評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo)，基本組合評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。基本組合為1.3×恒載+1.5×活載，標(biāo)準(zhǔn)組合為恒載+活載。采用Ansys有限元分析軟件對(duì)爬升機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模分析，采用Shell單元進(jìn)行建模（見(jiàn)圖7），各部件之間采用耦合及接觸單元進(jìn)行約束。計(jì)算中考慮大變形的影響，得出圖8～圖10所示結(jié)果。

圖7 爬升機(jī)構(gòu)有限元計(jì)算模型

由圖8～圖10所示各工況計(jì)算結(jié)果可得，錨靴最大應(yīng)力σmax＝229 MPa＜f＝295 MPa，軌道最大應(yīng)力σmax＝264 MPa＜f＝295 MPa；爬箱最大應(yīng)力σmax＝252 MPa＜f＝295 MPa；水平梁最大應(yīng)力σmax＝254 MPa＜f＝295 MPa；在各工況下，爬升系統(tǒng)各部件強(qiáng)度、剛度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖8 爬升機(jī)構(gòu)施工狀態(tài)下應(yīng)力云圖

圖9 爬升機(jī)構(gòu)施工狀態(tài)下位移云圖

圖10 爬升機(jī)構(gòu)爬升狀態(tài)下應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

本文總結(jié)了各種高塔建設(shè)施工裝備的施工工藝、適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了一種新型自動(dòng)化爬升系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的爬升裝置相比，其承載力、自動(dòng)化程度高、爬升效率高，為一體化主塔施工裝備的應(yīng)用提供支撐。該爬升系統(tǒng)運(yùn)用于某大橋南索塔建造，爬升效率提高約40%，節(jié)省人力約50%，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。