三维曲面砼索塔液压爬模设计与研究-.pdf

第 3 9卷 ， 第 3 期 2 0 1 4 年 6月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 3 9，No ． 3 J u n．， 2 0 1 4 三维 曲面砼 索塔液压爬模设计 与研究 高 雄 ， 张栋林 ，王勇朕 ，陈 串’ 1 ．中交武汉港湾 工程设计研究 院有 限公司 ，湖北 武 汉4 3 0 0 4 0 ； 2 ．中交第二航务工程局 第五工程分公司 ， 湖 北 武 汉4 3 0 0 1 2 ； 3 ．舟山市衢黄港 口开发建设有 限公司 ， 浙江 舟山3 1 6 0 0 0 [ 摘 要 ]三维曲面索塔以其线条流畅 ， 造型美观等特点 ， 在斜拉桥主塔中应用越来越广泛 。三维 曲面索塔轮 廓线 型变化复杂 ， 截 面尺寸变化剧 烈 ， 采用液 压爬 模施工技术难度大 ， 目前 国内尚无 先例。以千厮 门嘉 陵江大桥全 曲面天梭形主塔施工为背景 ， 结合 索塔结构尺 寸特点及施 工难点 ， 对三维 曲面索 塔液压爬 模系统 的设计及合理 使 用进 行 了比较详细 、 科 学的研究 和分析。 [ 关键词 】三维曲面 ； 索塔 ；液压 ； 爬模 ； 设计 【 中图分 类号 】U 4 4 8 ． 2 7 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 2 0 1 4 0 3 - 0 1 7 3 - 0 6 Thr e e ． d i me n s i o n a l Cu r v e d Ca b l e To we r Hy dr a u l i c Cl i mb i n g Fo r m wo r k De s i g n a n d Re s e a r c h GAO Xi on g ，ZHANG Do ng l i n ，W ANG Yo ng l i a n ，CHEN Chua n 1 ． Wu h a n Ha r b o r E n g e e r i n g De s i g n a n d Re a e a r c h I n s t i t u t e C o ． L t d ． o f C CC C，Wu h a n，Hu b e i 4 3 0 0 4 0， Ch i na； 2 ．CCCC Se c o n d Ha r b o r Eng i n e e r i n g Co ．， t h e F i f t h En g i ne e r i n g Br a n c h， Wuh a n， Hu be i 4 3 0 0 1 2 ，C h i n a ； 3 ． Z h o u s h a n Q u h u a n g P o r t D e v e l o p m e n t a n d C o n s t r u c t i o n C O ． ， L T D， Z h o u s h a n ， Z h e - j i a n g 3 1 6 0 0 0 ，C h i n a [ A b s t r a c t ]T h r e e - d i m e n s i o n a l c u r v e d c a b l e t o w e r w i t h i t s s m o o t h l i n e s ， m o d e l l i n g b e a u t i f u l w a i t f o r a c h a r a c t e r i s t i c， a p p l i c a t i o n i s mo r e a n d mo r e wi d e l y i n t h e c a b l e - s t a y e d b r i d g e ma i n t o we r ． Ca b l e t o we r c o n - t o u r l i ne s c h a n g e c o mp l e x 3 D s ur f a c e s， s e c t i o n a l d i me n s i o n c h a n g e s d r a s t i c a l l y， a d o p t s h y d r a u l i c c l i mb i n g f o r mwo r k c o n s t ruc t i o n t e c h n o l o g y i s di ffi c u l t ， t h e c u r r e n t d o me s t i c i s wi t h o u t p r e c e d e n t ． W h o l e s u rfa c e t i s s o t t y p e i n Q i a n s i me n J i a l i n g fi v e r b r i d g e ma i n t o w e r c o n s t ruc t i o n a s t h e b a c k g r o u n d ， c o m b i n i n g w i t h t h e c h a r - a e t e r i s t i c s o f c a b l e t o we r s t ruc t u r e s i z e a n d c o n s t r u c t i o n d i ffi c u l t i e s ， c a b l e t o we r o f 3 D s u r f a c e o f h y d r a u l i c c l i mb i n g f o r mwo r k s y s t e m d e s i g n a n d r e a s o n a b l e u s e， s c i e n t i f i c r e s e a r c h a nd a n a l y s i s i n d e t a i l ． [ Ke y wo r d s ]3 D s u rf a c e ；c a b l e t o w e r ；h y d r a u l i c ；c l i m b i n g f o r m w o r k ； d e s i g n 0 引言 进 入 2 1世纪 以来 ， 随 着桥 梁建 设技 术 的飞 速发 展 以及新材料的应用 ， 桥梁界在设计与建造桥梁时， 逐步将实用功能与艺术构思融为一体， 充分考虑周 边环境保护 ， 使一座座桥梁成为城市 中新 的旅游风 景线 。 特别是斜拉桥⋯ 中三维 曲面索塔 ， 以其 线条 流畅， 造型新颖优美等特点 ， 应用的越来越广泛。譬 如广州猎德大桥的“ 贝壳” 形索塔 ， 塔柱外形为两贝 壳状三维 曲面相扣 ； 湖南郴州赤石特大 桥的 “ 小蛮 腰” 形索塔 ， 采用双曲线八边形结构 ； 千厮 门嘉 陵江 大桥“ 天梭” 形索塔 ， 外轮廓 为全曲面天梭状 ， 内轮 廓为橄榄 叶形。这种 三维 曲面 的索塔 在增 添了 美感 的 同时 ， 也 大大 增加 了施 工的难 度 ， 特别 是为 了 保证索塔外形轮廓以及高空作业等。千厮门嘉陵江 大桥索塔采用液压 自动爬模系统施工， 本着安全性、 稳定性、 经济性等方面的因素， 合理优化的对液压爬 模系统进行设计 ， 成功地实现 了索塔外形轮廓的设 计 意 图 ， 优质 高效 地确 保 了索塔 的顺 利施 工 。 1工程 概 况 千厮门嘉 陵江大桥索塔采用天梭形结构， 塔高 1 8 2 m。包括上塔柱、 中塔柱 、 下塔柱、 下塔墩。整个 桥塔在横桥向平面内有外 、 中、 内三条轮廓线 ， 每条 【 收 稿 E t 期】2 0 1 3 1 2 1 9 [ 作者简介 】高雄 1 9 8 2 一 ， 男 ， 湖北 天门人 ， 工程师 ， 主要从事特大 型桥梁施_T所需的液 压 自动爬模 、 挂 篮、 临时_T程等设计lT作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 4 公路工程 3 9卷 轮廓线均由圆曲线和直线组合而成。下塔墩、 下塔 柱外轮廓为圆曲线 ， 中、 上塔柱外轮廓采用直线， 中 塔柱与下塔柱连接段采用圆曲线过渡 ； 中、 下塔柱内 轮廓为不同半径圆曲线 ， 上塔柱为竖直线 ， 只在塔顶 7 m处 向外与中轮廓相交。桥塔在桥面处横向最宽 为 3 5 ． 0 m， 塔顶横向宽 7 ． 0 m。主塔纵向宽度塔底 为 1 1 m， 从塔底分叉处到桥面由 1 1 m变为 9 ． 0 m， 从桥面以上1 3 m到塔顶 由 9 ． 0 m变为 7 ． 5 m， 按直 线变化。塔柱采用单箱单室结构形式 ， 下塔墩采用 单箱多室结构形式， 塔柱壁厚 1 ． 0 m， 塔墩壁厚 2 ． 0 m。索塔结构图如图 l 、 图 2所示。 7 5 00 | ； l l l l L I i ‘ -I 卜 I I I l l 眦 I l I l I I ， L 一J 图 1索塔立面图 F i g ur e 1 Ca b l e t o we r e l e v a t i on 圈 2索塔横 断面圈 F i g u r e 2 C a b l e t o w e r c r o s s s e c t i o n a l d r a w i n g 2 索塔结构特点及爬模 系统设计 难点 2 ． 1 索塔结构特点 见表 1 表 1 索塔结构特 点 T a b l e l C a b l e t o w e r s t r u c t u r e 萼 轮 廓 线 形 及 变 化 附 图 名 称 ” 全 蓝面天梭外形 ； 橄榄叶型 内轮廓线条 ； 内侧凹槽 、 倒 角 形状复杂 ； 尺寸变化剧烈 外 侧 面轮 廓线 、 内 侧 面 轮廓 线、 凹槽 面 轮 廓 线 均 为 直 上塔柱线 ； 凹槽 处 横桥 向 面宽 度 由 宽 变窄 ． 变 化剧 烈 ； 倒 角 孤 长逐渐变长 外侧面轮廓线由曲线 直线 ， 内侧面 轮廓线 2 2 7 ． 0 m 的圆弧。 中塔柱 面轮廓线与外侧面轮 平行 ， 凹槽处 横桥 向 度逐渐 增大 ， 倒角 弧 渐变长 m工 差 一 随塔柱增高 ， 截面变宽， 圆弧 1保持不 变。 直线段和 圆弧 2逐渐缩小 ， 形成 R0 ． 2 11 3 的 倒 角 倒 角弧 长逐 渐 变 长 ； 且塔柱由单肢变成双肢 ， 沿塔柱高度方向外侧面 轮 廓线 为 R 3 0 8 ． 1 4 5 m 的 圆 弧 。内 侧 下塔 柱轮廓 线为 R 4 6 ． 0 m 的 圆 弧 ．凹 槽 面轮廓 线为 R 5 3 ． 5 8l m 的圆弧 ． ＼ } ＼ I I z L ＼／ ／ ／ 磐堕耍／， L 外轮廓截 面由 2段 R 4 ． 1 7 8 m和 4段 R1 6 ． 7 4 5 IT I 以 及 2段直线段组成 ； 随塔 柱增高 ， 截 面变宽 ， 直线段 的长 度 加 长 ， 圆 弧段保持不 下塔墩变 ； 沿 塔 柱 高度方向外 侧面轮廓线 为 R 3 0 8 ． 1 4 m的圆弧 2 ． 2 爬模 系统设计难点 见表 2 3 爬模 系统 总体设计思路 3 ． 1 设 计 目标 ① 尽可能实现空间全曲线外观效果。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 高 雄 ， 等 三维曲面砼 索塔液压爬模设计 与研究 1 7 5 ① 黧 篓 黧 辫 簧 ① 线 均 为 圆 弧 。 模 板 周 转 使 用 适 应 难 度 大 ，特 别 是 模 板 沿 竖 向 圆 弧 轮 廓 线 旋 转 后 ，水 平 截 面 尺 寸 一 二二 二 ． ’ ② R冀 2 0、0 ⋯⋯⋯⋯⋯ 蘸 ② 内 侧 凹 槽 倒 角 囤 弧 水 平 截 面 半 径 不 变 ，沿 高 度 方 向 圆 弧 逐 渐 旋 转 且 弧 长 逐 渐 变 化 。 ⋯ ’ ③薹 量 需 蔷 蔫 毒 等 一 窄 一 宽 变 化 ， 且 高 度 方 向 圆 弧 半 径 不 同 c下 塔 柱 为 4 ．0 m ，中 塔 ② lb“l薹to“曼 蠢 i ③ 顺 桥 向 内 侧 面 尺 寸 呈 窄 一 宽 一 窄 一 宽 变 化 ，且 高 度 方 向 圆 弧 半 径 不 同 下 塔 柱 为 46． ，中 塔 ～ 。 柱 为 227 ．0 m 。 ’ ② 高空作业尽可能采用 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 模板设计方案比选 见表 3 综合考虑工期、 造价、 误差大小等因素以及现场改 造模板的精度控制、 效率等因素， 选用方案二 其 中顺 桥 向内侧面模板高度方向按轮廓线形设计成曲线 。 表 3模板设计方案 比选 T ab l e 3 Te mp l a t e de s i g n s c h e me co mp a r i s o n 4索塔分段 在模板设计选用方案二 的基础上， 针对 主塔分 节高度 4 、 4 ． 5 、 6 m／ 节 ， 从节段数量 ， 浇筑高度对 爬模系统设计 的影响 ， 尺寸误差 ， 工期 、 造价 以及安 全等方面进行 了比对 ， 采用 4 ． 5 m ／ 节进行分段。 塔柱节段划分在下塔墩及下塔柱段首节段按竖 直高度 2 ． 5 m划分 ， 第二 节段按 高于实心段 0 ． 4 0 ． 5 m划分 ， 其余节段以弧长对应的弦线斜长4 ． 5 m 为 标准 节段 进行 划 分 ， 在 中塔 柱 段 以斜 长 4 ． 5 m 为 标准节段进行划分 ， 在上塔柱段兼顾考虑钢锚箱 的 高度 ， 按 最 大节 段长 度不 超过 斜长 4 ． 5 m进 行划 分 ， 全 塔共 分节 段 4 5节 。 5 外模设计 模板结构为钢木组合模板 面板为 2 1 m m厚维 萨板 ， 背 楞 为 H 2 0木 工字 梁 ， 围檩 为 双 拼 [ 1 4型 钢 ， 模板总体设计考 虑水 平断面按塔柱轮廓线 型设计， 塔柱顺桥向外侧模板在竖直方 向按以直代 曲设计 ， 模板可以通用。模板高度按 4 ． 6 5 m考虑 。 底 口预留 1 0 c m与已浇筑砼搭接 ， 顶 口预留 5 c m防 止砼 溢 出。 下塔 墩 1 一 9 节 段模 板设计 模板横断面分成 l 0块 4块 M1 ， 4块 M 2， 2块 M 3 ， 均为钢木组合模板 ， 模板布置如图 3所示。圆 弧模板 M1 、 M 2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 型圆心逐节旋转使用 ， 模板通用性强。施工过程中， 因模板旋转会导致砼水平截面逐渐 由圆弧变成椭 圆， 相邻节段问误差 2 mm， 可以利用模板的柔性 ， 通 过模板对拉杆调整 ， 予 以消除； 竖直方 向以直代 曲， 误差 8 mi l l 。模板横截面尺寸通过顶 口和底 口的切 割收分满足塔柱横截面尺寸变化。平面模板 M3根 据塔柱节段尺寸做成不同的模块 ， 通过模块增减组 拼来满足塔柱截面直线段尺寸变化。 图 3下塔墩模板布置 图 Fi g u r e 3 The p y l o n o f t he t e mp l a t e l a y o u t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 6 公路工程 3 9卷 下塔柱 l 0 一1 7 节段模板设计 模板横断面分成 7块 2块 M1 ， 2块 M 3M 4 ， 2 块 M 5， 1 块 M6 ， 在下塔墩模板 的基础上新增 了模 板 M 4 、 M5 、 M6 ， 模板布 置如 图 4所示。其中 M4为 钢木组合模板 ， 根据塔柱节段尺寸做成弧线型 高 度方向 ， 与模板 M 3配合使用 ， 通过模板切割收分， 满足凹槽处模板需求 。模 板 M5为纯钢模， 高度方 向为直线 ， 供凹槽处圆弧倒角使用， 每个节段模板高 度方向由4块组 成， 采用折线 拟合曲线 ， 以减小误 差。模板 M 6为钢木组合模板， 高度方向按塔柱轮 廓 做成弧线型 ， 通过在模板中间增减小块模板满足 图 4下塔柱模板布置图 Fi g ur e 4 Un d e r pi l l a r t e mp l a t e l a y o ut 塔柱截面尺寸变化需求。 中、 上塔柱 1 8 一 4 5 节段模板设计 模 板 配置 同 下塔 柱 ， 在 下塔 柱 模 板 的基 础上 新 增了模板 M 7 ， 模板布置见图 5 。模板 M7为钢木组 合模板 ， 高度方向按塔柱轮廓做成弧线型 ， 通过在模 板中间增减小块模板满足塔柱截面尺寸变化需求 。 限于篇幅原因， 内腔结构及模板设计略。 M5 图 5中上塔柱模板布置图 Fi g u r e 5 Upp e r p i l l a r t e mpl a t e l a y ou t 6 爬 架系统设计 6 ． 1 爬架设计方案比选 见表 4 表 4 爬架设计方 案比选 Ta b l e 4 Cl i mbi n g s c a ff o l d de s i g n s c h e me c o mpa r i s o n 综合考虑高空施工安全、 工期等因素 ， 选用方案 --一 0 6 ． 2爬 架 系统构造 及参数 爬架 系统 主 要 由上 爬 架 、 模 板 系统 、 承 重 架 、 下 吊架 、 埋 件系统 、 液压系 统 、 爬 升装置 等几 部分组 成 ， 如图 6所示。主要是 由型钢做成 的标准杆件 ， 通过 螺栓、 销轴等拼装成整体。爬架 系统总高度 1 6 m， 共有 6层平台， 从上到下依次为钢筋绑扎平台、 模板 操作平台 2层 、 液压爬升操作平 台、 砼修饰平 台及 电梯人 口平台， 最大平台宽度 2 ． 9 6 m。主要技术参 数 如下 爬升装置单元设计额定垂直爬升能力 1 0 0 k N； 最大垂直爬升能力 1 3 0 k N； 图6 爬架系统立面图 Fi g u r e 6 El e v a t i o n o f c l i mb i n g f r a me s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 8 公路工程 3 9卷 图 1 l 典 型 隧道 隧道 外 径 对 衬 砌 内力 影 响 圈 F i g u r e 1 1 I n t e r n a l f o r c e s o f l i n i n g wi t h v a r i o us t u nn e l di a me t e r 4 结语 上方 基坑 开挖 将 引起 软 土公路 隧道产 生 变形与 附加 内力 ， 论文通过简化的解析模型推导了受上方 卸荷 影 响的 隧道 变形 与 内 力 ， 并 对 影 响 隧 道 变形 与 内力 的因素 进行 分析 ， 得到 了如下结 论 ① 基坑开挖影响下 ， 隧道衬砌附加弯矩与附加 轴力最大值出现在隧道水平直径处 ； 附加剪力的最 大值大于出现在衬砌 上 4 5 。 与 1 3 5 。 位置附 近 。 ② 拱顶与拱底土体基床系数增加均能使隧道 横 向变形减小。总体上拱顶土体基床系数变化对隧 道衬砌附加 内力影响幅度较大 ， 而拱底土体基床系 数变化对隧道附加内力分布的影响不大。 ③ 隧道半径对隧道衬砌附加内力有较大影响 ， 在实际 工程 中更需 要注 意基 坑开 挖对 下卧 大直径 隧 道的影响。除了隧道拱底弯矩外 ， 隧道衬砌厚度变 化对隧 道衬砌 附 加 内力 影 响不大 。 ④ 通过对上海地区几条典型隧道进行分析 ， 隧 道受上 方基坑 开 挖影 响时 ， 随 衬 砌 厚度 与 隧道 外 径 的比值减小 ， 隧道 变形呈线性增加。而衬砌 内力则 与隧道外径近似线性相关。 [ 参考文献] [ 1 ] 张健 ．新建铁路路基 上跨 既有隧道 安全性 评估 [ J ] ．公路 T 程 ， 2 0 1 2 6 3 7 4 0 ． [ 2] 黄宏伟 ， 黄栩 ， S c h w e i g e r F ． H e l m u t ．基坑开挖 对下卧运 营盾构 隧道影响 的数值模拟研 究 [ J ] ．土木 T程学 报， 2 0 1 2 ， 4 5 3 l 8 2一l 8 9 ． [ 3] Mi n d l i n R ． D ． F o r c e a t a p o i n t i n t h e i n t e r i o r o f a s e m i - i n fi n it e s o l i d [ J ] ． P h y s i c s ， 1 9 3 6 ， 7 5 1 9 5 ． [ 4 ] 刘 国彬 ， 侯学渊 ．软 土基坑隆起 变形的残余 应力分析法 [ J ] ． 地 下T程 与隧道 ， 1 9 9 6 2 2 7 ． [ 5】 陈郁 ， 李永盛 基坑 开挖卸荷引 起下卧 隧道隆起 的计算 方法 [ J ] ．地下空间与T程学报 ， 2 0 0 5 ， 1 1 9 1 9 4 ． 【 6] 张治 国， 黄茂松 ， 王卫 东 ．邻 近开挖对 既有软 土隧道 的影响 [ J ] ．岩土力学 ， 2 0 0 9 ， 3 0 5 1 3 7 31 3 8 0 ． [ 7 ] 黄栩， 黄宏伟 ， 张冬梅 ．开挖卸荷引起下 卧已建盾构隧道的纵 向变形研究 [ J ] ．岩土T程学报 ， 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