无背索斜塔斜拉桥施工关键技术研究

无背索斜塔斜拉桥施工关键技术研究

张勇

中电建十一局工程有限公司，河南郑州

摘要： 课题针对斜爬模的设计及施工工艺研究，结合了普通爬模和挂篮的特点，通过托梁、挑梁以及配重的布置，提出了一种适用于0~90度范围的斜爬模施工方案。施工采用先进、科学合理的施工技术，在满足工期、安全及质量等方面的要求的同时形成技术成果，对同类型桥梁施工提供借鉴。

关键词：斜塔斜拉桥 爬模施工 监控预警系统 高塔预应力

引言

常规的斜拉桥在桥塔两侧均有斜拉索，恒载作用下塔两侧斜拉索水平力可保持平衡，主塔仅在活载及附加荷载作用下承受一定的水平力及弯矩。而与常规斜拉桥不同，无背索斜拉桥桥塔仅有单侧索，桥塔的受力表现为在斜拉索索力及自身重力作用下的悬臂梁。为了确保主塔处于良好的受力状态,无背索斜拉桥的塔身一般都设计成倾斜的，依靠塔身的自重力矩来平衡斜拉索的倾覆力矩，因此组成了梁塔结构的平衡体系，这也是对常规斜拉桥造型的突破。

斜拉桥施工的关键在于桥塔的施工，目前索塔施工技术主要有支架施工、翻模施工、滑模施工、吊模施工、爬模施工。国内爬模的研究生产和工程应用方面，从无到有，已然取得一些成就，但目前爬模主要应用于一些直立的建筑以及规则桥梁塔柱等混凝土结构施工工程中，研究仅限于直立爬模及其施工技术等内容，对大斜度爬模的研究鲜有涉及。对于悬臂浇筑结构，普通爬模适用于接近悬臂结构与地面夹角接近90度的情况，挂篮适用于接近悬臂结构与地面夹角接近0度的情况，而0~90度范围缺乏一种有效的悬臂浇筑措施。

1.工程概况

人文路跨贾鲁河大桥主桥桥型为双索面无背索独塔斜拉桥，桥梁全长526m，其中主桥长190m，全宽55m，桥面布置为3.5m（人行道）+7.5m（辅道）+5m（隔离带）+23.0m（车行道）+5m（隔离带） +7.5m（辅道）+3.5m（人行道）。主桥为双塔双索面无背索斜拉桥，塔梁相交处固结。主塔为预应力混凝土空心斜塔，上塔柱高70m，每节段6m，塔身倾角60°，横断面为单箱单室，高度按4.5～8m呈线性过渡，塔宽均为4m。下塔柱高12.5m横断面为单箱双室，高度按11.1m～18.8m呈线性过渡，塔柱宽4m。主梁为钢混纵向组合结构，主桥长度190米,纵向布置为30+120+40m，主跨120米,其中主跨跨中100m为钢箱梁，钢梁与混凝土梁结合处设钢混结合过渡段,塔梁分节段同步施工,采用单幅钢混组合梁。

2 技术原理

传统直塔采用爬模施工时，侧面模板只承受竖向荷载，无水平荷载，而倾斜塔柱由于结构不对称，采用爬模施工时会存在以下几方面问题：顶面与背面爬模需承受很大的水平分力，常规爬模难以支撑；侧面模板也为不对称结构，各个锚固挂座受力不均衡，爬模在顶升时会出现锁死现象；倾斜状态下爬模在承受荷载时，其背面与顶面模板将会产生较大偏移。因此，斜塔爬模必须解决这三方面问题，保证结构均衡受力。

1）倾斜塔柱在自重和施工荷载作用下顶面与背面存在很大的水平分力，仅利用模板刚度难以承受，工程创造性的在塔身仰面设置悬臂挑梁，背面设置悬臂托梁，挑梁与托梁固定在上一节段上，利用悬臂梁承受塔柱的偏心荷载和偏心力偶。

2）由于塔身处于倾斜状态，爬模在施工过程中受到自重、混凝土重量和施工荷载等影响时，爬模背面和顶面模板将会产生偏移，偏移量包括锚固件与混凝土塔柱连接处的非弹性变形、锚固件的弹性变形以及托梁在受荷时的变形，其变形量可通过预压试验测定，在浇筑过程中逐渐修正。经试验，锚固点的变形为偏移量的主要影响因素，并且其变形量与托梁长度成比例增长。在施工中，通过计算锚固点支反力，根据计算结果提前对锚固点施加预应力，成功解决了爬模顶部偏移问题。

3）由于塔身处于倾斜状态，主塔两侧面锚固点受力不均衡，各点支反力的差值较大，爬模重心朝塔柱倾斜一侧偏移，在进行顶推过程中，会出现锁死无法顶升的情况。因此在爬模设计时，为解决塔柱由于侧面模板不对称导致重心不居中的情况，通过计算确定爬模重心，采用在在施工平台上增加配重设施，调整爬模的重心处于两支点中部，以解决爬模锁死无法顶升的问题。

3施工关键技术

本桥主塔为预应力混凝土空心斜塔，塔身倾角60°，上塔柱高70m，每节段长6m，节段中间有横隔板，在塔身倾角及分段长度上均为罕见，国内外同等无背索斜拉桥桥塔多数为钢塔，混凝土填芯，本桥主塔采用混凝土塔柱在国内外也属罕见，这些因素叠加在一起，使本项目桥梁施工难度大大增加。当前斜拉桥主塔施工主要采用爬模法，但仅限于一些直立的建筑以及规则桥梁塔柱等混凝土结构施工工程中，而对大斜度爬模的研究鲜有涉及。本文从主塔爬模设计与施工、预应力张拉施工、监测预警系统的研发等几个方面进行论述。

3.1斜爬模结构设计与施工技术

1）爬模结构设计

爬模是利用附着在已浇筑成型的混凝土结构上的爬升机构，随建筑结构逐层升高施工的一种模板工艺。它是继翻模、滑模之后的一种新工艺。爬模技术综合了大模板和滑动模板的优点釆用模板与爬模架联体同爬技术。目前已广泛应用于索塔、高墩和桥梁工程等。釆用爬模施工成型的混凝土表面光滑平整，达到清水混凝土质量，同时其自带模板、操作平台和脚手架随结构的增高而升高，抗风能力强，施工更安全、速度更快等，解决了翻模与滑模施工存在的诸多问题。爬模施工技术已广泛应用于桥梁索塔施工中。由于主塔倾斜度大，荷载分布不均衡，特别是主塔背面荷载较大，因此爬模结构设计为与主塔倾斜度相同，爬模结构主要由五部分组成，分别为液压爬升体系、模板体系、工作平台体系、爬升体系与开合模体系。

2）爬模施工技术

（1）爬模安装

爬架各分段构件在工厂加工并现场进行试拼，检查验收合格后方可使用。锚固件安装：挂件定位依靠模板上预留的螺栓孔及紧固螺栓定位，支立模板时要保证顶面水平，在预埋锚筋时，严禁采取电焊固定方式，防止瞬间电流烧伤锥形螺母内丝；挂件安装：挂件事先须将内螺杆旋到底，将挂件调整至中心位置，然后再拧紧外螺帽，挂件在拆卸时严禁摔碰、烧伤。爬升悬挂件安装好后，应派专人检查其连接高强螺栓是否完全安装与紧固；架体模板安装：首次拼装架体在平整场地预先拼好，整体安装在墩柱上，然后再将外模板安放到位；爬轨安装：第一次安放爬轨时要调整好垂度，以保证导向正确，发现不正确时，及时予以纠正。用棉纱清洁爬轨，并在爬轨表面涂上润滑脂。爬轨爬升时，液压装置应由专人操作，并检查压力表指示是否正常。安放轨道时，发现吊放不顺利时应调整挂件位置和爬架底部调整螺杆，发现有焊渣或齿块不正使爬轨下放困难时，用砂轮磨光机及时打磨修理。

（2）爬模爬升

自爬模的顶升运动通过液压油缸对导轨和爬架交替顶升来实现。导轨和爬模架二者之间可进行相对运动。在爬模架处于工作状态时，导轨和爬模架都支撑在埋件支座上，两者之间无相对运动。退模后就可在退模留下的爬锥上安装受力螺栓、挂座体、及埋件支座，调整上下换向盒舌体方向来顶升导轨。待导轨顶升到位，就位于该埋件支座上后，操作人员可转到下平台去拆除导轨提升后露出的下部埋件支座、爬锥等。在解除爬模架上所有拉结之后就可以开始顶升爬模架，这时候导轨保持不动，调整上下舌体方向后启动油缸，爬模架就相对于导轨向上运动。通过导轨和爬模架这种交替附墙，提升对方，爬模架沿着墙体上升，直到坐落于预留爬锥上，就这样实现逐层提升。

3.2液压爬模监控预警系统

预压变形监测通过监控预警系统控制，通过在爬模设备上各关键部位布设传感器用来监控施工过程中的各项力学参数，通过无线传输技术，将现场的情况和各项受监测的力学模型参数回传到系统中进行分析后显示。

（1）系统的工作原理

该监控系统主要由三个部分组成，包括现场传感器系统和数据采集终端、云服务器和远程客户端。架构模型如下图所示。

（2）系统的工作流程

通过对该桥梁进行结构力学分析，建立该桥梁的监控模型。在现场预先设计的位置安装相应的传感器和数据采集仪，将传感器的监控结果传输到系统所在的服务器中，进行相应的数据处理，最终显示出对应的结果，整个过程如下图所示。

（3）监测应用

在分析贾鲁河大桥主塔爬模施工特点的基础上，提出爬架结构施工安全监控及预警措施，通过安装振弦式应变传感器及无线采集传输设备进行数据收集和传输。由于桥梁桥塔液压爬模具有倾斜角度大、爬模节段高等特点，导致爬架结构偏心过大，顶升过程中两侧千斤顶受力差异性过大，结合现场监控，完成大斜度爬模配重试验研究，并结合数值分析对试验结果进行讨论。

通过有限元计算提出了监控系统多级预警方案，并选择部分监测数据，分析不同测点数据时程曲线的变化规律，结果表明，在整个爬模施工过程中，爬架受力基本明确，关键测点的应力幅值均未超过预设预警值，架体在施工过程中处于安全状态。

3.3高塔预应力施工技术

1）塔柱预应力钢束吊装定位技术

人文路跨贾鲁河大桥主塔预应力混凝土段高60m，单根钢束最长达89.72m，主塔为单箱单室结构，箱室边壁厚度仅1m，因此，预应力施工场地窄小，张拉阶段必须通过对张拉端口处的预埋件进行处理，才能为张拉腾出适宜的空间，并要求采用体积较小的千斤顶才能保证张拉正常进行，因此，在预应力孔道上口布置穿束机进行穿束作业无法实现。

上塔下段施工时，因钢绞线较短，采用吊车将钢绞线吊起后，人工逐根送入孔内，并在孔道下部设挡板阻挡钢束下滑，采取该措施不仅施工难度大，而且极易造成钢束因自重而下坠，需返工重新穿束，且存在施工质量风险；上塔中段施工时，采取上述方法穿束时，因钢束自重较大，在预应力下部设挡板并配合孔道上部及铅丝或钢丝绳固定钢束时，多次发生钢束坠入孔内现象，且钢束相对位置存在错位，需要多次调整钢束，给预应力施工造成了很多麻烦。预应力索张拉时，为消除钢绞线在孔道内因自重下垂造成的顺直和松弛度加大预应力损失，还需进行单根预拉后，再进行整束的张拉。

塔柱预应力钢束定位技术的原理为；

（1）利用人工或卷扬机在现场的平台或桥梁梁面上将钢绞线逐根穿入固定在钢板平台上用于整束钢绞线编束，并与钢束上端头和下端头部位长度和位置对应的钢导管中，在导管出口端的平台上整理钢绞线，在钢绞线的下端1-1.5m范围形成锥形的柔性束头；采用钢绞线卡片、2个锚板加抱箍将钢束上端锁定，防止锚束整体起吊至安装过程中的钢束错动，方便锚束整体定位与锁定。

（2）将完成上下端编束的整束钢绞线采用吊车吊起，配合人工将钢绞线缓缓送入预留孔道直到钢绞线下端从孔道下端穿出，实现整束穿束作业。

（3）采取钢束张拉所用的锚板先临时锁定，在张拉阶段用千斤顶进行操作，即可轻松完成临时锁定解锁，操作过程简单可控，可一次性实现钢束穿束的精准定位。

2）预应力波纹管上安装排气管注浆技术

通过在波纹管的一侧用手电站钻一个直径约22mm的孔，由波纹管内自内向外穿出一个芯孔直径为16mm的平头螺丝，平头螺丝螺杆长度60mm，平头座垫厚12mm、直径36mm。

在平头螺丝穿出波纹管的一侧加一个垫片后，用20mm的螺母将平头螺丝与波纹管内外壁压紧即完成波纹管与排气管接头的联接。为确保接头的密封效果，在波纹管开孔处涂一道密封胶即可。完成接头处理工作后，将塑料排气管套在平头螺丝的螺杆上，并用16#铅丝绑扎牢固，即完成了波纹管与排气管接头的处理和引出梁(柱)体外的工作。

4.结语

本文提出一种理论上可用于任意角度的的悬臂结构爬模施工解决方案，其很多内容都可应用在日益复杂的城市市政工程施工环境中。爬模结构经过严谨的结构计算和实践检验，并采用爬模预警监测系统，减少了管理投入，施工管理安全可控，取得了良好的社会效益。无背索斜拉桥大倾角长节段混凝土塔柱爬模设计丰富了目前斜塔爬模施工领域的施工方式，通过创新爬模设备，完善与之相适应的施工方法与施工工艺，提高了工效。其采用的爬模结构经过严谨的结构计算和实践检验，确保了斜爬模施工的安全性。相较于支架法施工成本大为降低。

随着社会经济发展和现代城市化基础设施建设推进，大跨度的悬臂结构等工程数量日益增多，此次无背索斜塔斜拉桥的关键技术应用将会越来越广，所以该项科研成果有着广泛的推广应用和发展前景，会创造更大的工程效益。

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