深中通道伶仃洋大桥一体化智能筑塔机结构设计

苏 艳 曾 炜

1中交武汉港湾工程设计研究院有限公司 武汉 430040 2海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室湖北 武汉 430040 3交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心 武汉 430040 4中交二航局第二工程有限公司 重庆 401121

0 引言

混凝土桥塔在大跨径斜拉桥、悬索桥中应用广泛，从东部沿海的西堠门大桥到伶仃洋上的港珠澳大桥，从赤石大桥的小蛮腰到西部山区的贵州平塘大桥，混凝土桥塔一直在高度、体量、造型以及建设条件等方面不断创造新纪录。

作为典型的高耸结构，混凝土桥塔采用原位施工的方式进行建造，施工工艺主要有顶模法、提模法、滑模法以及爬模法等。通过国内外技术调研及资料分析，目前混凝土桥塔建造技术存在的问题有：

1）劳动力需求大 桥塔钢筋绑扎、模板安装以及混凝土浇筑等工序均需耗费大量的劳动力，这与我国当前建筑工人日益短缺的现状矛盾相一致。

2）作业条件较差 常规爬模系统遮挡条件差，现场施工受天气影响程度高；作业空间狭小，施工机具难布置；应急疏散避险及救援方面考虑不充足。

3）施工品质不高 钢筋定位精度、混凝土布料和振捣质量控制难；混凝土养护条件差、时间短、易开裂、外观质量不佳；线形受环境等因素影响大，结构外形不顺直。

4）施工效率较低 目前国内大型桥梁塔柱平均速度约为0.7 m/d。

5）信息化程度低 常规施工过程数据监测采集效率低下、实时信息难以获取，关键设备的运行状态数据只能由现场操作人员查看，或根据经验判断，施工管理者无法远程监管、实时决策及传达指令等。

针对上述现状，面向高效高品质建造、劳动集约型生产的巨大需求，如何提高恶劣建设条件下的超高桥塔施工品质、效率，减少人员操作、保障人员作业条件和安全是当前迫切需要解决的问题。

1 工程概况

深中通道项目北距虎门大桥约30 km，南距港珠澳大桥约38 km，全长约24 km，其中跨海段长22.4 km，是集桥、岛、隧、地下互通为一体的系统集群工程。伶仃洋大桥是桥梁标段关键控制性工程，为主跨1666三跨全漂浮体系悬索桥。

如图1所示，仃洋大桥索塔下、上塔柱均采用八角形截面，下塔柱高程范围为+0～+79 m，截面尺寸由13 m×16 m（横桥向×顺桥向，下同）过渡到8.4 m×12 m，下横梁范围横桥向壁厚5.0～4.0 m，顺桥向壁厚5.0～4.0 m；高程范围+16.85～+26.85 m 横桥向壁厚3.5～2.2 m，顺桥向壁厚3.5～2.2 m；高程范围+26.85～+79 m 横桥向壁厚2.2 m，顺桥向壁厚2.2 m。上塔柱高程范围为+79～+262.5 m，截面尺寸由8.4 m×12 m 过渡到7.5 m×12 m，高程范围+79～+130.4 m 范围横桥向壁厚2.0 m，顺桥向壁厚2.0 m；横梁范围横桥向壁厚2.0 m，顺桥向壁厚2.5 m，其余壁厚1.6 m。

图1 索塔外形图

2 一体化智能筑塔机

2.1 结构组成

一体化智能筑塔机具有钢筋部品调位、混凝土自动辅助布料及振捣、智能养护和应急逃生等功能，其结构主要有架体结构、爬升机构、埋件系统、模板系统、养护系统、布料装置、振捣装置及智能化控制系统等。

如图2所示，架体结构共9层，从上至下分别为浇筑混凝土段作业层（4层）、已浇筑混凝土段养护层（2层）、已浇筑混凝土段修复层及轨道倒运层。单个塔肢包含4组架体，单组架体对应一套爬升机构，4组架体支架设计收分装置，以满足主塔截面沿高度方向的不断变化。一体化智能筑塔机为多功能集成设备，设备总高约26.7 m，自重大，高度高，且单个塔肢仅4套爬升机构，爬升承载力大。

图2 筑塔机现场应用图

3.2 工艺流程

如图3所示，一体化智能筑塔机的标准工作流程为内模支架爬升、钢筋笼安装、架体爬升、模板爬升及轨道提升。当N节段混凝土浇筑完成后，内模支架进行爬升；内模支架爬升到位后，进行钢筋笼整体吊装部品；钢筋笼安装到位后，进行架体爬升；架体爬升到位后，模板自提升；进行下N+1节段混凝土浇筑，同步进行轨道倒运。

图3 筑塔机工艺流程图

3 筑塔机结构有限元计算

3.1 有限元模型建立

采用Ansys有限元软件进行计算，外架体结构均为细长杆，采用Beam单元建模，轨道及爬箱采用Shell单元建模。筑塔机的有限元模型如图4、图5所示。

图5 筑塔机爬升机构板单元模型

3.2 载荷分析

模型计算载荷主要包括结构自重载荷、附属设备（包含布料机、泵站、洗手间、电动葫芦）自重载荷、风载荷、模板载荷、轨道载荷及施工载荷等，结构自重载荷、附属设备自重载荷为永久载荷SG，风载荷Sw、模板载荷、轨道载荷及施工载荷为可变载荷SQ。

其中，自重载荷在模型自动施加；附属设备自重载荷按其在筑塔机上的实际位置简化为对应位置的节点载荷；模板与轨道的载荷根据具体工况施加至对应位置，风载荷根据风向与迎风面施加为节点载荷。

1）风载荷

工作状态工作面风速为20.7 m/s，非工作状态100 a重现期10 m高度10 min，平均年最大风速43 m/s。根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》规定：

工作状态基本风压为

工作状态风荷载标准值为

非工作状态基本风压为

工作状态风荷载标准值为

式中：µz为高度变化系数，取为2.8；µs为体型系数，取为0.5。

2）施工载荷

在筑塔机正常施工作业时，整个架体水平投影面内总施工竖向荷载为5 kN/m2，其中顶层为3 kN/m2，顶层以下2层分别为1 kN/m2。在筑塔机进行爬升时，整个架体水平投影面内总施工竖向荷载为2 kN/m2，全部施加于爬升作业层。

3.3 荷载组合

筑塔机的工作情况非常复杂，其工作状态可从简分为：正常作业状态（包含混凝土浇筑状态、模板提升、轨道转运）、爬升状态及非工作状态等。根据筑塔机工作状态的不同，载荷组合如表1所示。

表1 载荷组合表

3.4 计算工况

根据筑塔机的工作状态、附属设备的工作情况及风载荷特征，对其进行10种工况分析。

工况1：工作面风速为20.7 m/s，轨道拆除、外模板提升状态，布料机不工作，风沿横桥向吹，计算外架体、爬升机构的受力与变形。

工况2：工作面风速为20.7 m/s，轨道拆除、外模板提升状态，布料机不工作，风沿纵桥向吹，计算外架体、爬升机构的受力与变形。

工况3：工作面风速为20.7 m/s，混凝土浇筑状态，布料机工作，风沿横桥向吹，计算外架体、爬升机构的受力与变形。

工况4：工作面风速为20.7 m/s，混凝土浇筑状态，布料机工作，风沿纵桥向吹，计算外架体、爬升机构的受力与变形。

工况5：工作面风速为20.7 m/s，混凝土浇筑状态，布料机工作，施工荷载偏载，风沿横桥向吹，计算外架体、爬升机构的受力与变形。

工况6：工作面风速为20.7 m/s，混凝土浇筑状态，布料机工作，施工荷载偏载，风沿纵桥向吹，计算外架体、爬升机构的受力与变形。

工况7：工作面风速为20.7 m/s，外架体爬升状态，布料机不工作，风沿横桥向吹，计算外架体、爬升机构的受力与变形。

工况8：工作面风速为20.7 m/s，外架体爬升状态，布料机不工作，风沿纵桥向吹，计算外架体、爬升机构的受力与变形。

工况9：风速V10＝43 m/s，非工作状态，风沿横桥向吹，计算外架体、爬升机构的受力与变形。

工况10：风速V10＝43 m/s，非工作状态，风沿纵桥向吹，计算外架体、爬升机构的受力与变形。

3.5 计算结果

采用大型有限元分析软件Ansys对一体化智能筑塔机进行结构计算分析。对各工况进行计算分析，可得图6～图9所示工况10时的外架体最大应力σmax＝289 MPa＜f＝295 MPa，轨道最大应力σmax＝265 MPa＜f＝295 MPa。在工况2时，上爬箱最大应力σmax＝288 MPa＜f＝295 MPa；在工况5时，主架体垂直塔身方向最大变形为62.3 mm＜15 300/125＝122 mm，刚度满足规范要求。由计算结果中可知，一体化智能筑塔机结构强度、刚度满足规范要求。

图6 工况10架体应力云图

图7 工况10架体位移云图

图8 工况2上爬箱与水平梁应力云图

图9 工况10轨道应力云图

4 爬升系统锚固性能实验分析

为验证筑塔机爬升系统的受力性能和相应锚固系统的承载能力，以及在剪力作用下混凝土的局部承压能力和拉力作用下混凝土的受力性能，对其进行试验分析。通过试验为新型筑塔机的结构设计提供依据，为系统安全性提供数据支撑。

根据有限元分析，爬升系统最大单点支反力为125 t，系统重心位置偏离轨道轴线350 mm，距离塔壁1 300 mm，此即为爬箱加载点的坐标。通过爬箱偏心加载，模拟实际使用中筑塔机重心相对轨道轴线偏移造成的锚固系统弯剪受力。当加载至1 220 kN时，在远离加载点锚杆附件出现混凝土裂缝，近加载端锚杆处无裂缝；继续加载，裂缝慢慢延伸；当加载至1 960 kN时，远离加载端锚杆处混凝土表皮开裂；加载点近端锚杆处混凝土裂缝有些扩展；当加载至2 360 kN时，远离加载端锚杆处混凝土表面开始剥离，表面混凝土开始压溃；当加载至2 600 kN时，远离加载端锚杆断裂，锚杆处混凝土钢筋被拉出，结构破坏，承载力急剧下降。

通过试验可得爬升系统及锚固系统可承受荷载大于1.2倍的标准荷载，符合工程应用。

5 结论

本文以竖向移动工厂的混凝土索塔成套筑塔技术为理念，介绍了集高空混凝土浇筑养护、预应力张拉、人员避险等功能于一体的超高混凝土桥塔一体化智能筑塔机，并成功应用于深中通道伶仃洋大桥。

对筑塔机的结构进行有限元仿真计算，通过计算可得筑塔机最大应力为289 MPa，小于规范要求的强度设计值。对爬升系统及锚固系统进行试验验证，可得爬升系统及锚固系统可承受荷载大于1.2倍的标准荷载，符合工程应用，多方面为筑塔机的安全使用提供数据支撑。目前，筑塔机已首次完成使命。