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重庆千厮门大桥索塔爬模设计研究摘要：千厮门嘉陵江大桥是重庆轨道六号线进出渝中半岛跨越嘉陵江的重要通道。大桥索塔采用全曲面天梭外形，橄榄叶型内轮廓线条，凹槽、倒角形状复杂，尺寸变化剧烈。为了尽可能实现空间双曲面外观效果，尽可能采用自动液压爬升系统并提高其安全性，同时在保证结构外形的情况下尽可能缩短节段施工周期，本文结合索塔结构施工难点，对爬模最佳的分段高度、模板系统的设计及爬架系统的合理使用进行了比较详细、科学的研究和分析。 关键词：索塔 特点 难点 分段 模板 爬架1 工程概述千厮门嘉陵江大桥南穿渝中区洪崖洞旁沧白路，跨嘉陵江，北接江北区江北城大街南路 。单塔单索面钢桁梁斜拉桥，跨径布置为88m312m（主跨）240m80m720m。 图1 总平面布置图桥塔采用天梭形：1）塔高162.5-182m； 2）塔在桥面处横向最宽35.0m； 3）塔顶横向宽7.0m； 4）主塔纵向宽度塔底11m； 5）塔底分叉处到桥面纵向由11m变为9.0m； 6）桥面以上13米到塔顶纵向由9.0m变为7.5m，按直线变化； 7）均采用箱型结构形式。 2 结构特点、难点2.1 结构特点千厮门大桥索塔采用全曲面天梭外形，橄榄叶型内轮廓线条，凹槽、倒角形状复杂，尺寸变化剧烈。下塔柱截面由2段R=4.178m和4段R=16.745m以及直线段组成，随着塔柱的增高，直线段的长度加长，2对圆弧保持不变。竖直方向外侧面轮廓线是一个半径为308.145m的圆弧。塔柱内部由三个空腔组成，2个对称的空腔外侧轮廓与塔柱外轮廓为同心圆。下塔柱截面依然变宽，圆弧1尺寸保持不变，直线段和圆弧2逐渐缩小，与R=200mm的倒角圆弧相连。外侧面轮廓线是一个半径为R=308.145m的圆弧。内侧轮廓线和凹槽处轮廓线也分别是圆弧。 塔柱交汇段以下，中塔柱外侧面轮廓线变成直线，内侧面仍为圆弧，凹槽处横桥向宽度逐渐增大。 上塔柱交汇段以上，外侧面轮廓线仍然为直线，凹槽处横向宽度由宽变窄，锚固区采用开放式锚箱结构。 下塔柱空腔横系梁索塔牛腿上塔柱下塔柱分叉中塔柱内腔 图2 索塔外观立体图2.2 模板设计难点1）水平截面和高度方向均为圆弧，水平截面圆弧半径不变，塔柱水平截面圆弧弧长沿高度变化。若以首段为基准，圆弧段随高度转动后，水平截面尺寸变化，且模板拼缝、围楞、拉杆位置等均发生变化。图3 索塔轮廓投影图2）1#模板随着塔柱外轮廓线旋转，底口弧长不断减小，导致2#和直线模板向左侧滑动，最终积累误差体现在直线模板的边线和理论边线的尺寸相差178mm3）1#模板随着塔柱外轮廓线旋转，底口弧长不断减小，导致2#模板向左侧滑动，最大积累误84mm。 图4 模板拼装误差示意图14）圆弧随着塔柱外轮廓线旋转，水平截面形状由圆形变为椭圆形，2个节段间尺寸偏差为2mm，累计最大偏差为21mm。图5 模板拼装误差示意图25）内侧倒角水平截面半径不变，但随高度方向圆弧旋转，倒角圆弧弧长逐段变化。6）若以首段为基准，圆弧段随高度转动后，水平截面尺寸变化，且模板拼缝发生变化。 7）与直线段相连的倒角模板，以及与圆弧2相连的倒角模板若倒用，弧长最大差值为64mm。 图6 倒角弧长误差示意图8）内侧面呈窄-宽-窄-宽变化，且高度方向圆弧半径不同,分别R=46m，R=227m 9）内腔随外轮廓线型，每段空间全曲线变化，倒角结构复杂，每个倾斜角度不同。2.3 架体设计难点1）圆弧段随高度旋转后爬升轨迹变化；2）爬架爬升实际轨道线为折线，夹角为0.84度；3）中上塔柱凹槽段尺寸狭小区域架体结构布置；4）塔墩及下塔柱凹槽段尺寸变化剧烈区域的架体结构布置。3、爬模系统总体设计思路3.1 设计原则1）尽可能实现空间双曲面外观效果； 2）尽可能采用自动液压爬升系统，提高安全性； 3）在保证结构外形的同时，尽可能缩短节段施工周期。3.2 设计方案比选根据大桥索塔奇特的外观造型，爬模板设计由下面两个方面的设计思路作了对比分析：1）采用空间全曲线爬模优点：采用空间全曲线完全符合设计截面尺寸，无误差；缺点：模板逐段新制或改造工作量大，耗费时间长，因此而导致工期时间长，造价高。2）高度方向以直（折）代曲，接受模板旋转产生的偏差优点：模板改造工作量小，耗费时间少，施工工期较短，造价低；缺点：微观上以直代曲存在折角，模板旋转后截面尺寸存在一定偏差，误差情况主要有以下三点：a.外侧圆弧：高度方向8mm，模板旋转截面尺寸误差2mm/段，累积误差21mm（可通过拉杆调节，消除模板旋转误差）；b.内侧圆弧：11mm（上塔柱段）；c.圆 倒 角： 3mm（下塔柱段）。比选结果：考虑到误差不大，以及工期、造价等因素，采用高度方向以直代曲的设计方案。4、索塔分段研究在以直代曲的基础上，比较不同节段浇筑高度优缺点。根据历来施工经验，通过分析对比常用的三种不同节段高度时的优缺点，以确定最佳浇筑高度。如下表所示： 表1 节段分段高度优缺点对比表项目4m/段4.5m/段6m/段节段数494332优点以直代曲误差较小，节段间尺寸变化较小。属于常规浇筑高度，爬模系统不需要特制浇筑次数少、工期短。缺点浇筑次数较多、工期较长。处于4m和6m浇筑高度之间。以直代曲误差大；节段间尺寸变化较大；系统需特制、结构庞大。误差高度方向6mm，模板旋转误差2mm/段，累积误差21mm高度方向8mm，板旋转误差2mm/段，累积误差21mm高度方向15mm，模板旋转误差6mm/段，累积误差21mm工期/造价长/高正常/较低短/高研究结果：综合考虑误差、工期因素，建议浇筑高度采用4.5m较为合理。塔柱段以弧长对应的弦线斜长4.5m为标准节段划分，全塔共分节段43节。下塔柱5m实心段，考虑大体积砼温控需要，首节段按竖直高度2.5m划分，第二节段按高于实心段0.4m0.5m划分；在下横梁处，考虑下横梁施工，节段划分线位于下横梁顶标高处；上塔柱钢锚箱段，考虑液压爬模埋件系统与预应力钢筋需相互避开，按最大节段长度不超过斜长4.5m划分。 5、外模板系统设计爬模板采用木面板+木梁+钢围楞组合结构，倒角采用钢模板，标准节段高度4.5m。圆弧段模板倾角随高度不断变化，通过底部切割收分改造（避免和操作平台冲突）。 内侧模板收分调整通过插入调整模板、无缝伸缩背楞部完成，经过受力计算确认每层模板预倾角，保证成品外型尺寸。 5.1 区域划分根据塔柱外形将塔柱分为四个区域： 1区：1#9#节段；2区：10#17#节段；3区：18#20#节段；4区：21#43#节段。 4区3区2区1区图7 索塔分区示意图5.2 关键部位设计5.2.1 1区（1#9#节段）模板布置如下图所示。图8 19#节段模板布置示意表2 1-9#节段模板设计说明模板编号设计思路误差分析尺寸收分备注M1水平方向按圆弧线型设计，高度方向按直线代曲线设计，模板在施工过程中，绕外轮廓线型圆心旋转，模板通用性强，会产生一定的误差。若模板完全按照塔柱空间曲线设计，则在18#节段以下，每节均需改装模板，施工效率低，现场改装精度不好控制，且成本较高。施工过程中，模板旋转后，会导致砼水平截面逐渐由圆弧变为椭圆，该误差可以利用模板的柔性，通过模板对拉杆调整，予以消除；模板竖向以直代曲，最大会产生8mm误差；对模板顶口和底口进行收分调整，满足截面尺寸要求。相邻节段间尺寸偏差为2mmM2M3按塔柱节段尺寸做成不同的模块，根据塔柱节段变化进行增减。没有误差通过增减模块调节5.2.2 2区（10#17#节段）模板布置如下图所示：图9 1013#节段模板布置示意表3 10-13#节段模板设计说明模板编号设计思路误差分析尺寸收分备注M1同塔柱1区同塔柱1区M4按塔柱节段尺寸做成弧线型，施工过程中 ，绕塔柱轮廓线型圆心旋转，凹槽平面段，和M3配合使用，满足界面尺寸要求。没有误差通过切割模板平面段进行收分M5为保证在塔柱截面收分过程中，外圆弧和凹槽面能光顺过渡（倒角弧长渐变），拟用外圆弧模板包住倒角圆弧模板，倒角圆弧模板和凹槽平面模板法兰对接。若做成空间曲线型，则模板加工难度很大；若做成直线型（一个节段高度范围内，采用3段或4段折线逼近圆弧），容易加工成型。采用3段折线拟合，误差为7mm。采用4段折线拟合，误差为3mm。不收分纯钢模M6按塔柱轮廓线型做成弧线型。没有误差通过在模板中间增减小块模板，满足截面尺寸要求。5.2.3 3区（18#20#节段）模板布置如下图所示：图10 1820#节段模板布置示意表4 18-20#节段模板设计说明模板编号设计思路误差分析尺寸收分备注 M1由于模板M1在塔柱1区和2区使用过程中，模板尺寸收分后，不适于塔柱3区的使用，塔柱3区、4区和1区、2区的线型也不一致，且木面板也需更换一次，所以考虑按塔柱4区线型新制一套模板。以直代曲，外轮廓竖向最大误差21mm（仅3区）。通过模板切割进行收分 M4按塔柱节段尺寸做成直线型（和4区通用），会产生一定误差。以直代曲误差为18mm（仅3区）。通过切割模板平面段进行收分 M5若做成空间曲线型，则需塔柱3区、4区均需另新制一套（轮廓线型不一致）。若做成直线型，则3区、4区可做成通用型，但是在3区会产生一定误差。做成空间曲线型，则没有误差。做成直线型，误差为18mm（仅3区）。不收分纯钢模 M6塔柱2区和3区线型不一致，模板不能通用，需新制一套。没有误差通过在模板中间增减小块模板，满足截面尺寸要求。由于3区索塔外侧高度方向为R=108m曲线，采用4.5m节段浇筑高度，会产生21mm/节段以直代曲偏差。可以考虑采用3m浇筑高度，将偏差控制在10mm之内。5.2.4 4区（21#43#节段）模板布置如下图所示。图11 2143#节段模板布置示意表5 21-43#节段模板设计说明模板编号方案思路误差分析尺寸收分备注M1重复使用塔柱3区模板没有误差同塔柱3区M3 重复使用塔柱1区模板没有误差通过模板切割进行收分M4重复使用塔柱3区模板没有误差通过切割模板平面段进行收分M5重复使用塔柱3区模板没有误差不收分纯钢模6、爬架系统比选及施工6.1爬架系统选择方案1：中下塔柱采用悬臂挂架，中上塔柱采用液压爬升；方案2：高度方向全部采用液压爬升，凹槽处部分尺寸变化剧烈区域采用悬臂挂架。两种方案优缺点对比：项目方案1：部分高度液压爬升方案2：全高度液压爬升优点中下塔柱（墩）无需液压爬升装置，架体结构轻巧，投入少。安全性高，爬架高空抗风性能及稳定性好。缺点中下塔柱（墩）架体全部采用塔吊提升，安全及可靠性较差。中下塔柱（墩）区域爬升时，为适应爬升轨迹变化，爬架架体需小范围摆腿。比选结果：考虑到高空施工安全，高度方向全部采用液压爬升，局部区域采用悬臂挂架较为合理。6.2爬架施工1）从第3节段开始采用液压爬模施工。2）在下塔柱两端弧线段安装液压爬模系统。3）在横桥向直线段安装悬臂挂架系统（通过塔吊提升）。 4）在39节段施工过程中，通过增加横桥向悬臂挂架数量来调整施工平台。 5）下塔柱9#17#分为两肢，在10#13#节段施工中，将横桥向直线段处挂架系统转6）换到塔肢凹槽内施工，液压爬模系统正常爬升施工。7）施工至13节段时，塔柱两侧圆弧段的液压爬模系统拆除4片。 8）施工至15节段时，在顺桥向内侧面安装液压爬模系统。9）施工至17节段时，将凹槽内的悬臂挂架系统拆除，安装液压爬模系统。10）施工至26节段后，将凹槽内的液压爬模系统调整一次，直至31节段。 11）施工至32节段后，将顺桥向内侧面的液压爬模系统拆除，其余爬架系统正常施工。12）38节段完成后，横桥向的液压爬模系统拆除，安装悬臂挂架系统，施工至塔顶。 液压爬升采用爬轨及液压油缸自爬升，大约1小时内完成爬升动作；悬臂挂架采用塔吊提升，1-2小时内完成。 7、结束语本文通过对索塔外形特点的研究，以采取比选的方法对爬模体系进行了科学合理的分析，在尽可能满足索塔外形的条件下克服了工期、成本及安全等方面的难题，设计出了适合千厮门大桥索塔的一套爬模体系，为后续索塔的施工提供了良好的技术保证，也为本项目关键线路上的工期保证打下了良好的基础。后期施工中我们将再接再厉，通过大家共同的努力来克服施工中遇到的种种难题，确保本工程安全、经济、高效的完成！ 参考文献：1、冶金建筑研究总院主编.组合钢模板技术规程（GBJ214-89）.北京：中国建筑工业出版社，19892、冶金工业部主编.液压滑动模板施工技术规范（GBJ113-87）.北京：中国建筑工业出版社，19793、北京钢铁设计研究总院主编.钢结构设计规范（GB50017-2003）.北京：中国计划出版社，20034、杨宗放，郭正兴编著.现代模板工程.北京：中国计划出版社，19955、江正荣编著.建筑施工计算手册.北京：中国建筑工业出版社，20076、中建标公路委员会编著.公路工程技术标准.北京：人民交通出版社，2004