31万州长江二桥索塔爬架模板设计优化01

万州长江二桥主塔爬架模板设计优化王崇旭 王嗣江 王宗仁 包剑武*路桥华南工程有限公司 摘 要：在万州长江二桥项目索塔施工过程中，我部结合以往施工经验，根据万州长江二桥索塔的构造特点，对爬架、模板系统进行了一次全面的设计优化，使之既满足了施工要求，又节约了成本，加快了施工进度。主题词：爬架 模板 设计 优化1. 工程概况万州长江二桥全桥长1148.86m，桥跨布置形式为740m简支T梁+580m悬索桥+740m简支T梁。主桥为580m悬索桥，主梁形式为钢桁梁加劲梁；两岸引桥为740m简支预应力T梁。万州长江二桥索塔高144m,索塔混凝土标号为C40，混凝土方量为6269m3，钢筋量为610T。索塔整体为倾斜式门式塔架，塔身斜度为17:1，设上、下两道横梁和一道系梁。根据索塔的结构特点，决定采用爬模法进行施工，分段进行塔身砼浇注施工，每段高度4.5m，上、下横梁和横隔板与塔柱异步施工。为此，项目部自行设计了一套爬架、模板系统，并对该系统进行了设计优化，既保证了索塔施工过程中的质量和安全，又降低了成本，加快了施工进度。2.模板的设计优化2.1.模板设计思路万州长江二桥索塔构造如图1所示，主塔分三段，下端为6m高变截面实心段，中间为130m高变截面空心段，上端为塔帽。根据索塔的结构特点，初步决定实心段大体积砼分两层进行浇注，每层厚度3m，标准段砼按4.5m一节进行浇注。实心段制作一套模板，应用于上、下游塔柱，标准段制作两套模板，上、下游塔柱同时进行施工。2.2.模板高度的选定实心段模板高度选定为3m，施工时先拼装第一层模板，浇注完第一层砼后，再拼装第二层。标准节施工过程中需要使用爬架，模板的高度和爬升问题牵涉到爬架的高度，所以需要进行比选。爬架总高度爬架高度附墙架高度爬架高度模板高度翻模高度爬架高度越大，其自重越大，则所需的附墙架高度越大，则爬架总高度就越大。 表一 模板高度组合方案对比表 （单位：m）序号模板高度组合模板总高度爬架高度优 点缺 点14.54.5913.5砼表面分块少，外观效果好单块模板重量大，爬架、模板总消耗量大213.515.510砼表面分块多，不均匀，外观效果差爬架、模板总消耗量小32.252.252.256.7511.25砼表面分块均匀，单块模板重量小爬架、模板总消耗量稍大通过对以上几套方案的比选，本着“保证质量，施工方便，节约成本”的原则，在保证索塔砼的外观质量的同时，考虑施工过程中模板提升方便和节约模板制作成本等因素，确定采用第三套方案。2.3.模板分块布置索塔塔柱标准段截面从标高143.7m起到标高273.7m段为线性变化，标高143.7m处横截面尺寸为9.55.5m，标高273.7m处横截面尺寸为5.55.5m，截面形状为矩形加半径50cm的圆弧倒角。在模板设计时，主要考虑以下三个因素的影响：(1)、塔柱截面长边的线性变化；(2)、模板的分块，分块过多会造成塔身砼表面接缝过多；(3)、单块模板的爬升重量。模板的分块布置如图2所示。将塔柱AA面模板每段分为三块，分别为I类、类、类三种。其中类、类模板为对称形状，在施工过程中每上升一节，割去10.35cm的宽度。倒角段为圆弧模板，分为、两类，塔柱BB面模板为一整块，形状为平行四边形，宽度4.2m，高度2.25m。内模板的设计与外模板相似，不同的是AA面对应内模板分为两块，在施工过程中也是每上升一节，沿斜边割去10.35cm的宽度。在施工过程中，下方两段模板向上爬升，安装在上方模板上，如此循环往复，直到塔顶。2.4 模板材料选用模板材料的选用主要考虑砼在浇注过程中对模板产生的侧压力和模板的自身刚度两个因素。砼在浇注过程中产生的侧压力采用以下两个公式计算： F0.22ct012V1/20.222581.21.150.751/252.6KN/m2FcH254.5112.5KN/m2式中： F新浇筑砼对模板的最大侧压力（KN/m3）c砼的重力密度（KN/m3） t0 新浇砼的初凝时间（h） 1外加剂影响修正系数，不掺外加剂时取1.0；掺有缓凝作用的外加剂时取1.2 2砼坍落度影响修正系数，当坍落度小于30mm时，取0.85；5090mm时取1.0；110150mm时，取1.15。以上两个F取最小值，侧压力F52.6 KN/m2，通过计算确定，拉杆采用M24螺杆，布置间距为82.5110cm；竖向龙骨采用6.3槽钢，布置间距为25cm,横向龙骨采用214a槽钢，布置间距为82.5cm；在两根横向槽钢之间布置656mm扁钢，对拉螺杆布置在横向槽钢上。面板采用8mm厚钢板，边框采用L636mm角钢，边框连接螺栓布置间距为25cm，边框上粘贴橡胶垫片。模板具体构造如图3所示。另外，由于、类模板每上升一节要割去10.35cm的宽度，还要考虑割除后与I类模板的连接，所以在设计时竖向龙骨采用L658mm扁钢，间距为10.35cm，扁钢上留螺栓眼，螺栓眼布置与I类模板竖向边框对应。经计算，I类模板单片重量为1296.4Kg，单位重为151.6Kg/m2，单块模板最大吊重1.5t，全套模板总重约158t。根据以往设计经验，大块钢模板单位重约180200Kg/m2,节约钢材30余吨。2.5 模板的加工制作及验收由于索塔外模板是由多块模板拼装而成，所以要特别控制模板的平整度和连接螺栓眼的位置，在验收时逐项进行验收。在施工过程中，注意定期对模板进行校正，更换老化的橡胶垫片，以保证塔柱砼的外观质量。3.爬架的设计优化3.1 爬架设计思路由于塔柱从塔底6m加厚段开始，其截面均以线性变化，并由下到上，顺桥向截面宽度线性减少，横桥向整个截面宽度不变，但以17：1的坡度往桥轴线方向倾斜。所以爬架系统在设计时采用四面分离形式，爬架与爬架之间用通道连接。爬架结构形式如图4所示。图4 爬架结构形式（尺寸单位：mm）3.2 爬架尺寸的取定爬架高度根据模板爬升高度确定，模板采用32.25m方案，则要求爬架高度为11.25m。爬架的操作层高度取2m，理论上需要6层，最顶一层高度为1.2m，爬架附墙段高度取4.07m，爬架总高度为16.7m。3.3 爬架系统的构成为了便于安装把爬架分成三段：附墙段、中间段和顶段。各接头焊接结点板，采用螺栓连接。爬架是以竖向桁架片为承载结构，操作平台为横向联结，配以外侧的剪力撑，以及爬架间的联结和爬架与模板之间的联结，形成一个稳定的爬架系统。爬架构分层构造如图5所示。3.4 爬架材质组成由于爬架高度达16.7m，高度较大，在选用材料时应除了考虑体系的受力外，还要考虑杆件的受压稳定性，所以在材料的选用时，选用惯性距较大的方钢和槽钢。爬架的竖向桁架片组成：立杆：中间是双肢8#槽钢，两边是单根7050方钢；横杆：附墙段是10#槽钢，中间段和顶段是2根7050方钢，加强背是2根L758角钢。操作平台组成：承重杆是3根纵向5槽钢，面层是4mm的棱形网片，承重杆下配以L635角钢斜撑。爬架的附墙为L12010角钢焊接而成，附墙架与塔身预埋套管连接，每个爬架上采用16个螺栓，附墙螺栓为的45号钢，规格为M24110mm。爬架每一层脚手平台之间设爬梯，作为人行通道，悬挂修理脚手架，作为爬架爬升一个施工段后塔柱表面修补时用。3.5 爬架荷载计算经过计算，单片爬架最大自重14.8t，人群及小型机具荷载按5KN/m2计算，经验算爬架设计能满足受力要求，附墙架安全系数为3.4，满足规范要求。爬架上、下游塔柱各一套，经设计优化厚，总重量为104t，与同类型的厦门海沧大桥和忠县长江大桥索塔爬架相比，材料用量减少，施工工期加快。详细比较见表二。表二 同类型悬索桥索塔结构和爬架重量对比表桥 名主塔横截面尺寸(m)主塔砼方量(方)塔高(m)爬架高度(m)爬架重量(t)索塔施工工期(月)厦门海沧大桥118.8619512819.71209忠县长江大桥6.86483015814.311210万州长江二桥9.55.5675014416.710464.索塔模板、爬架系统安装施工工艺塔柱施工采用爬模施工工艺，塔柱模板的施工工艺包括模板的安装爬升和爬架的爬升。塔柱刚开始施工时，由于爬架尚未安装，故前三节的模板的吊装和组拼只能利用塔吊。爬架附墙架高度为4.1m，塔柱每一施工段高度为4.5m，必须空出一段，作为爬架附墙架安装空间，待施工完三个标准段，即13.5m，才能进行爬架的安装。从第四个标准段开始，爬架、模板的拼装施工进入正常，其施工工艺流程为：绑扎钢筋(含安装劲性钢骨架) 爬升爬架 爬升并拼装模板 浇注砼。4.1 爬架的安装及爬升在塔柱施工完三个标准节后，即可进行爬架的安装。先安装附墙架，用16颗M24高强螺栓将附墙架安装在塔柱已浇注完砼上，然后安装中间段、顶段，在将四片爬架连成一个整体，形成稳定结构。高强螺栓必须定时更换，在爬升两、三次后需要更换一批新螺栓。爬升爬架时，首先将电动葫芦挂在模板顶上的葫芦挂臂上，然后放下葫芦吊钩，在爬架预定的预定的重心处穿好钢丝绳，挂上吊钩，即可爬升爬架。由于爬架尺寸及自重都较大，故每一组爬架都用四只电动葫芦同时进行起吊爬升。为了保证爬架在爬升过程中不向任何一个方向倾斜，始终保持与塔柱平行，平衡、稳定爬升，在爬架与爬架之间设有限位轨道和滑轮，并且在爬架附墙架从对拉螺栓上脱开后，即由丝杠调整的滑轮与墙面相贴，这样爬架在爬升时，在任何一个方向都不会发生歪斜。4.2 模板的爬升和拼装爬升模板时，首先在爬架的葫芦挂钩上挂好葫芦。将新浇砼的施工段上一块模板留作基准模，将葫芦的挂钩钩在下一块模板穿好钢丝绳的挂点上，即可开始爬升模板。小块模板的爬升采用塔吊协助进行。在模板爬升时，始终是沿着装在爬架上的轨道爬升的，故可保证其爬升时的稳定性。当模板爬升到预定的位置以后，即可坐在基准模板上并与之用螺栓联结，然后进行拼装、调位和校正。由于塔柱是倾斜的，因此采取以下几种措施，保证模板在各种荷载作用下的稳定性。a、每一施工段塔柱模板的底部，都用对接螺栓与上一施工段的一块基准模板相连接，并借此通过基准模板将模板的荷载传到下一段已浇注好的砼柱上。b、模板的横向支撑采用以下三种方法：第一是内外模板之间用对拉螺栓进行连接，形成一个整体。第二是将部分对拉螺栓与劲性骨架焊接在一起，通过劲性骨架将模板的荷载传到下一段已浇注好的砼柱上。第三是内模板之间采用支撑钢管进行对撑，平衡模板之间的侧压力。5.结 语万州长江二桥主塔塔柱自2002年4月17日开始施工，到2002年10月22日封顶，总工期6个月，比计划工期9个月提前了3个月完成。结合万州长江二桥索塔结构特点，对索塔爬架、模板系统进行的设计优化，取得了显著的效果，主要体现在以下几个方面。5.1保证了施工质量，主塔项目经监理部评定工程质量为优良；5.2保证了施工安全，在144m高塔全部施工过程中，未出现任何安全事故；5.3加快了施工进度，比计划工期提前了3个月竣工；5.4节约了施工成本，模板、爬架系统节约钢材50余吨，节约施工成本二十余万元。