重庆公轨两用斜拉桥双肢内倾曲线混凝土高桥塔施工工法(液压爬模施工)

'双肢内倾曲线混凝土高桥塔施工工法1.前言随着社会经济发展，斜拉桥桥塔的形式越来越多样，双肢内倾曲线桥塔以其造型美观成为常用形式之一，构造一般是上、下游两个独立塔肢，随着跨径的增大，塔柱一般较高，为增加美感桥塔一般采用曲线造型，中间采用2～3道横梁将两个塔肢连接成整体结构。目前国内双肢内倾曲线钢筋混凝土桥塔较少。由于桥塔的特殊造型，塑造曲线造型、控制塔底混凝土内力和横梁塔柱异步施工成为整个桥塔施工的关键技术难点。本工法的关键技术获得多项科技成果，获中国建*总公司优秀施工方案一等奖一项，QC成果获2011年度中国建筑协会优秀奖，在桥梁建设期刊上发表论文两篇，获得两项专利授权，《长江公双肢内倾曲线混凝土高桥塔施工工法》经重庆市城乡建设委员会组织专家鉴定，成果达到国内领先水平。2.工法特点2.1发明千吨级预顶力施加装置和施工方法，根据建模计算结果，通过施加大吨位水平预顶力代替常规的多道小吨位。2.2采用千吨预顶、科学测量、预偏控制，配合以直代曲4.5m一个节段爬模工艺，精确塑造了桥塔曲线造型，可靠减小了塔底混凝土内力，提高了施工质量。2.3横梁施工采用装配式钢结构支架系统，支架安拆方便，三道横梁循环使用，节省了大量材料，体现了绿色施工。2.4采用塔梁异步的工艺，先桥塔后横梁的施工顺序，横梁预应力张拉通过操作平台进行，降低了安全风险。3.适用范围本工法适用于双肢内倾曲线混凝土桥塔施工，也可为普通双肢混凝土桥塔施工提供借鉴和启发。4.工艺原理塔柱分节施工，每4.5m一节，采用以直代曲的方法，采用液压爬模工艺施工。通过建模分析计算塔柱应力及水平偏位，利用1000t级预顶装置，通过大吨位预顶力代替多道小吨位预顶力，减小塔底水平应力，保证塔柱线形。在塔柱测量放样时根据模拟计算出的塔柱偏位对塔柱进行向相反方向预偏，确保塔柱线形精度。横梁位置的塔柱施工时预埋横梁钢筋，爬模继续往上施工塔柱，同步进行横梁施工。横梁施工采用装配式钢管支架体系，支架立柱底部与下层横梁上的预埋钢板焊接牢固，中间通过法兰盘连接，安拆方便，各立柱之间采用工字钢连接成整体，两侧与塔柱预埋件可靠连接。每层横梁施工完成后拆除支架用于上层横梁施工，三道横梁循环使用。11 5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程桥塔施工主要包括以下几道工序：爬模施工、装配式钢结构支架系统施工、预顶力施工、横梁施工。施工工艺流程图见图5.1-1所示。图5.1-1桥塔施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1爬模施工1、爬模系统构成爬架系统包括移动支架、后移装置、外爬架、液压系统等通用部件及部分“非标准件”组成。1）移动支架浇筑砼时安装和支撑模板并承受部分砼侧压力；砼浇筑完毕后，通过支架上齿轮齿条带动固定在支架上的模板整体脱模。2）后移装置后移装置可通过后移梁及主背楞使模板前后移动，支撑模板并使模板就位，并可让出足够空间，进行模板维护工作。3）外爬架外爬架由上爬架和下吊架两大部分组成。上爬架拼装后构成模板的安装、调整、拆除，锚锥的安装及未浇砼段的塔肢钢筋绑扎处理的工作平台的支架。下吊架拼装后构成爬升装置操作，锚锥的拆除，塔肢砼表面修饰及设置电梯入口的工作平台的支架。4）液压系统系统由液压动力单元和电控操作系统两个主要部分构成。2、爬模系统拼装移动模板支架需现场拼装，主要包括：预拼装、整体拼装、模板的调整、定位与脱模。1）预拼装预拼装在地面进行，主要步骤如下：在横梁上安装好前、后支座，然后将齿条用螺栓（M16×110）与前、后支座连接，最后用销轴（φ20×180）临时固定；11 在模板支架横梁上安装传动齿轮；在竖围檩上安装调节器和拉带，然后用销轴(φ26×125)将竖围檩与前支座连接；用销轴(φ26×125)将调节撑杆分别与竖围檩和后支座连接，支架即成为可移动的三角支撑体系；2）整体拼装检查主纵梁的位置是否正确，安装是否牢固。将拼好的支架吊放到主纵梁上，调整支架位置，使横梁端面距砼面约为200mm，用支架连接件（M20x70和扣板等）将横梁固定在主纵梁上。3）模板的调整、定位与脱模用围檩卡具组件通过连接模板横围檩和支架竖围檩将模板固定在模板移动支架上。放松围檩卡具，转动安装在竖围檩上的调节螺杆，调整好模板平面位置（模板整体上下、左右及竖平面转角均可调整）后拧紧围檩卡具将模板固定，调节装置；拆除临时销轴，用专用工具转动齿轮轴，待前支座位于横梁适当位置后用销轴将其与横梁固定好。用钢楔条扦入前支座腰形孔中，推动模板面顶紧砼面。调节撑杆长度，使模板与水平面夹角满足塔柱外形要求；砼浇筑完毕达到拆模条件后，拆除对拉螺杆和销轴，用专用工具转动齿轮轴，带动模板脱模。3、爬模爬升爬模爬升分为导轨爬升和爬架爬升。1）导轨爬升导轨爬升前应做好准备工作，确认爬升准备工作完全符合要求后，打开液压油缸的进油阀门、启动液压控制柜，拆除导轨顶部楔形插销，开始导轨的爬升。导轨爬升时，外爬架平台上配置好人员对讲机,并选用专用频道，以保证通讯畅通。轨道每爬升一格时应通过对讲机联络，并确认上下换向盒是否都到位，到位后才可开始下一格爬升。导轨爬升至接近上部悬挂附墙挂座的高度时暂停，复核导轨与附墙挂座上导轨槽口的位置是否一致，若不一致，调节下方的支撑脚，使导轨能够顺利地通过附墙挂座的导轨槽口。导轨爬升到位后，应从右往左插上导轨顶部楔形插销，以确保插销锁定装置到位。下降导轨使顶部楔形插销与附墙挂座完全接触。关闭控制柜、切断电源，完成导轨的爬升。拆除下层爬架悬挂件，取出混凝土内的预埋爬锥，及时修补螺栓孔，以便进行爬架的爬升。4、爬架爬升爬架爬升前应做好各项准备工作。经确认爬架爬升准备工作已完全符合要求后，启动液压控制柜，拔去安全插销，开始导轨的爬升。爬升时，外爬架平台配置好人员和对讲机，并选用专用频道，以保证通讯畅通。同时平台上要安排好专门观察人员。爬架架体荷载通过导轨来传递后，拔去承重销。在轨道上每爬升一格需通过对讲机联络，让爬架爬升操作者确认上下爬箱是否都完全到位，到位后才可开始下一格爬升。当爬架爬升到位后，应及时插上承重销及安全插销。关闭控制柜、切断电源，完成爬架的爬升工作。旋上支撑脚至混凝土面，调节支撑架使竖向支架与混凝土面平行。5、预埋件及模板施工1）预埋前，现场技术员应检查其是否完全进入锥形螺母。2）预埋时，严禁采取电焊固定方式。3）严格控制钢筋堆放在爬架上的重量。11 4）等混凝土达到一定强度后，拆除模板系统的对拉杆及附着在模板上的悬挂螺栓。5）模板拆除后应及时进行确定爬架悬挂预埋件位置的工作，在此过程中，操作工人应严格按现场技术人员所提供的数据进行作业，同时值班技术员应跟班作业。6）每次模板安装前，应通知测量测放相应施工节段的模板底标高。7）模板按测量所放理论位置安装到位后，应及时通知测量复核。8）应确保模板下口与已浇节段砼的结合严密。同时应保证模板间接缝严密。9）模板对拉杆安装时，应确保端部塑料套与模板的结合严密，同时应使拉杆处于拉直状态。10）浇筑过程中应派专人观察模板的变形及偏位情况，并做出及时处理。5.2.2装配式钢结构支架系统施工1、支架构件加工钢管进场之后做防锈处理，并加工成标准节段。每个钢管端头做法兰盘，方便连接。法兰盘采用2cm钢板制作，外径比钢管直径大20cm，内径比钢管直径小10cm。法兰盘按照设计做螺栓孔。立柱安装之前，先按照设计要求做好加工平台及上下爬梯。水平及斜向连接按照设计要求加工成标准构件。2、支架安装支架安装之前做好地基处理工作并在塔柱施工中埋置预埋件。立柱之间通过法兰盘连接，水平及斜向连接采用焊接。每个操作点下在钢管上焊接操作平台。并在钢管立柱上做钢结构爬梯，供施工人员上下。支架安装通过起吊设备（塔吊）并辅助以卷扬机水平方向控制构件位置。第一根立柱安装时需要测量配合精确定位。水平位置精确定位的同时，控制支架标高。3、支架拆除在横梁施工过程中在横梁底板预埋管道，方便钢丝绳从中穿出，在支架构件上方垂直起吊构件，同时通过滑轮组及卷扬机提供水平拉力。利用一个水平拉力，一个竖向拉力，采用“空中荡移法”拆除支架系统。5.2.3预顶力施工因塔柱为双肢内倾，塔底会产生水平应力，上、中塔柱为曲线形。为减小塔底应力，保证塔柱的线形，根据监控单位建模验算结果，对塔柱施加预顶力。预顶力施工分为以下几步：安装顶推设置、测量观测、千斤顶顶推、测量观测、焊接内撑装置、千斤顶回油撤出、（预顶力保持）、千斤顶复位、拆除内撑装置、千斤顶回油撤出、拆除整个预顶装置。施工工艺流程图如图5.2.3-1所示。11 图5.2.3-1预顶力施工工艺流程1、施工准备先加工预顶装置，预顶力采用两根受力满足要求的钢管（本工法应用工程中采用的是两根φ800×12钢管），钢管端头及接头焊接法兰盘，法兰盘内径略小于钢管直径，外径略大于钢管直径（应用工程中法兰盘内径700mm，外径1000mm），千斤顶顶推处为直径与法兰盘一致的钢板。钢管两端通过预埋钢板与桥塔焊接，预埋钢板为方形，边长略大于钢管直径（应用工程中预埋钢板尺寸为1100×1100mm），厚度不小于20mm。千斤顶顶推位置，钢管端头做加强处理，采用五根工字钢并排焊接，工字钢长度与预埋钢板长度一致，每根工字钢腹板每隔10cm设置一道横向加强肋板，加强肋板为1cm厚钢板。预顶位置内撑为工字钢，根据计算结果确定内撑长度，内撑提前加工好。在施加预顶力的同一标高的塔柱位置贴反光片，以便全站仪观测，做好观测记录。2、安装顶推设置钢管每隔一段距离，采用槽钢做成门式限位框架与原有横梁支架体系连接固定，限制钢管位置，使之只能轴向移动。桥塔位置，钢管与预埋钢板沿钢管周围焊接，并沿钢管四周均匀添加8块加强肋板。安装固定千斤顶，务必使千斤顶与钢管同轴。3、观测记录预顶力施加之前，使用全站仪测量桥塔位置，并做好记录。施工过程中跟踪测量，最后进行桥塔偏位核算。4、千斤顶顶推按照分级施加、稳步提升的原则施加荷载。1000t预顶力通过两套装置施加，单套装置施加顺序：100t，200t，300t，350t，400t，450t，500t。每施加一次荷载，全站仪对塔柱偏位做一次测量。同时使用钢尺测量千斤顶伸长量，并使用固定参照物测量钢管压缩量。待塔柱偏位及预顶力均达到设计值时，顶推完成。5、焊接内撑量取顶推位置尺寸，将工字钢切割成适当长度，与端头钢板进行焊接。焊接时保证千斤顶两侧工字钢位置对称，避免偏心受压。11 图5.2.3-2顶推示意图图5.2.3-3内撑示意图5.2.4横梁施工施工时采用塔梁异步施工，先施工横梁处的塔柱，并预埋横梁钢筋和波纹管等。横梁施工的同时继续进行塔柱施工，为保证塔柱塔底应力，根据监控单位验算结果确定横梁为完成前塔柱的施工高度。施工中的钢筋、混凝土、预应力工程严格按照要求实施，横梁预应力施工中，需要在塔柱两侧进行预应力张拉。塔柱11 施工时在塔柱外侧埋置预埋，做张拉施工平台。张拉平台做法见图5.2.4-1.图5.2.4-1张拉平台示意图6.材料与设备表6材料设备表序号设备名称规格型号单位数量备注1千斤顶5500kN台21000t预顶力施工设备2手拉葫芦5t个43全站仪台14钢尺20mm把25钢管φ800×12t186钢板20mmt0.67工字钢25at1.28槽钢[14at0.89对讲机对210钢管φ630×8t50装配式钢结构支架系统11工字钢（钢管）25at812钢板20mmt1.513液压爬模系统套2塔柱液压爬模施工14槽钢[14at0.8横梁张拉平台15木板5cm厚m31.216钢管φ48×3.5t0.317预埋件钢板10mm厚t0.08说明：钢筋、混凝土、预应力等工程施工常见材料与设备未列出。上述材料为工法应用工程所采用的材料和设备，借鉴本工法施工时可根据工程实际情况选择适当的材料和设备的型号。11 7.质量控制7.1工程质量控制标准7.1.1斜拉桥桥塔施工质量执行《公路工程质量检验评定标准》JTGF80/-2004，桥塔允许偏差按表7.1.1执行。表7.1.1桥塔允许偏差序号项目允许偏差mm检查方法和频率1塔柱底偏位10全站仪：纵横各检查2点2外轮廓尺寸±20尺量：每段检查3个断面3倾斜度1/3000塔高，且≤30全站仪：纵横各检查2点4壁厚±5尺量:每段每侧检查1处7.1.2斜拉桥横梁施工质量执行《公路工程质量检验评定标准》JTGF80/-2004，横梁允许偏差按表7.1.2。表7.1.2横梁允许偏差序号项目允许偏差mm检查方法和频率1轴线偏位10全站仪：每梁检查5处2外轮廓尺寸±10尺量：检查3~5个断面3壁厚5全站仪：每侧检查1处，检查3~5个断面4顶面高程±10水准仪：检查5处7.2质量控制措施7.2.1爬模施工1、模板的维护与保养1）模板面板在储存时，要避免暴晒雨淋。切割和钻孔后用防水油漆封边。2）施工完一个节段，要及时清理模板表面，并对沉头螺栓处重新涂刷油性腻子。3）吊运模板时注意不能碰坏模板，特别是板面。2模板的定位与调整1）模板调整过程要测量全程干预，一旦定位就不能再调整。2）严格控制保护层厚度，不满足要求要对钢筋进行调整，不可调整模板。7.2.2装配式支架施工法兰盘连接螺栓必须全部上齐。构件之间焊接满足相关质量要求，焊缝要饱满。构件之间连接线性要符合设计要求，不平直的杆件禁止使用。立柱连接及横撑焊接必须保证在一条直线上。装配式支架施工完毕要进行全面检查，合格后才能进行预顶及横梁施工。视基础情况，必要时对支架进行预压。7.2.3预顶力施工注意塔柱预埋件最后要做处理，保证塔柱外观质量。预顶力施加过程中要保证塔柱偏位达到设计值。钢管与塔柱接触位置，做好加强措施防止混凝土被顶裂。选择可视度较好的天气施工，以免影响观测。7.2.4测量桥塔控制精度要求高，测量为控制关键环节。桥塔施工中，在塔柱上布置反光片，作为观测点。见图7.2.4-1观测点布置图。11 图7.2.4-1观测点布置图在桥塔施工过程中利用观测点对塔柱进行测量控制。根据建模的计算结果，放样时向相反方向预偏，保证成型后的塔柱线形。塔柱控制过程中，施工前对塔柱进行放线定位，施工后进行线形校核。横梁预应力及1000t预顶力施工过程中对塔柱偏位进行观测、校核。8.安全措施双肢多横梁曲线高桥塔施工中除一般安全控制措施之外，还有以下特别的加强措施：8.1预顶力施加过程中，属于高空作业，安全平网必须按照布置，并进行全员安全交底，上下均停止施工，禁止上下交叉作业。8.2爬模及附墙结构的设计必须根据现场条件，验证其强度、刚度及稳定性，满足施工中爬架的最大荷载及风载，并留有足够的安全系数。8.3爬模及附墙结构的运抵现场要先进行试拼，并进行超载试压检验，确定最不利荷载组合的极限强度和稳定性，与确定施工中的模板、爬架上的设备及材料的数量、重量及分布。8.4模板、爬架的最高点必须设置避雷装置，保证与塔身结构的接地环网具有可靠连接。8.5模板、爬架施工实行定员定岗制度。控制人员的数量和设备、材料重量。爬架上不得堆放重物及大型设备。零星材料、小型设备的放置要有规则，重量应严格控制，且须技术人员同意，避免爬架上超荷载或荷载分布不均衡而引起爬架倾覆及局部破坏。8.6必须随时监测附墙结构支承杆的受力情况，确保附墙结构支承杆的受力可靠。8.7外爬架的安装应先用塔吊将附墙架吊装固定在原模板的对拉螺杆上，固定的爬架螺栓应经检验后使用，然后一节一节装主爬架。每一组爬架组装好后，再进行爬架与爬架之间的连接，使之横向形成一个整体。爬架安装完毕，立即挂上安全网。8.8爬架上的脚手架采用翻板式。其端头靠近模板或塔身墙面，避免在爬架高度内形成“小高空”11 ，保证操作人员安全。工作人员站在活动脚手架处作业时，脚手架应牢固，脚手板要用铁丝固定。8.9为了确保爬架在爬升过程中始终保持垂直、平衡、稳定爬升，爬架之间必须设置限位轨道和滑轮，在附墙上对接螺栓上脱离开后，立即用丝杆调整滑轮，使之与于墙面贴贴紧。8.10爬架爬升时，应先检查吊装用的绳索、吊环、卡具即每块模板上的吊扣是否完整可靠，且应先拆除一切临时支撑，经全面检查清理后方可起吊。8.11模板就位安装时，必须将悬挑平台的位置调整准确，要立即穿好对拉螺栓模板脱模时，应先将对拉螺栓拆开，同时平行地用手动葫芦拉动模板，使模板平衡的脱开并拉出相当距离，以便爬升。8.12爬模爬升或拆除时，指挥拆除和挂钩等作业人员应站在安全可靠的地方，严禁作业人员随爬模起吊。8.13爬模模板退出后，应及时清除模板上的残余混凝土，并涂脱模剂。清扫和涂刷脱模剂时，模板要临时固定，与免倒下伤人。8.14塔身的预留洞口及电梯口必须设有盖板，栏杆等安全防护设施。检修楼梯必须随塔身爬模施工同步进行，爬架于楼梯之间悬挂爬梯，以便紧急情况下爬架平台上施工人员的安全疏散。8.15爬架必须每节段组织一次安全检查，编制专门的安全的检查记录。9.环保措施9.1成立对应的施工环境卫生管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、设备、废水、生产生活垃圾的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度，随时接受相关单位的监督检查。9.2将施工场地和作业限制在工程建设允许范围内，合理布置，规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。9.3优先选用先进的环保机械，设置隔音罩措施降低施工噪音至允许值以下，同时尽可能避免夜间施工。9.4爬模施工中采用安全密网将整个系统全部封闭，防止杂物坠落。9.5装配式支架尽量采用螺栓连接，减少焊接作业。10.效益分析10.1经济效益10.1.1本工法根据监控单位的计算结果施加大吨位预顶力，代替了三道小吨位预顶力，省去了两道预顶力的施加，两道预顶力需630×8mm钢管190m，钢管价格按市场价3600元/吨，需人工60工作日，每工作日人工费150元；需使用塔吊4个台班，每台班机械使用费1000元。两道预顶力材料费：190m×122.7kg/m×3.6元/kg=83926.8元；两道预顶力人工费：60×150元/天=9000元；两道预顶力机械费：4×1000元/天=4000元。小计：83926.8+9000+4000=96926.8元10.1.2本工法采用装配式钢管支架，立柱间通过法兰盘连接，安拆方便，每道横梁施工完成后拆除钢管支架用于上层横梁施工，每道横梁循环使用，本工法应用11 工程共设三道横梁，仅用一套钢管支架，节省两套钢管支架，节约钢材189t，按市场价3600元/t，节省材料费：189t×3600元/t=元经济效益总计：96926.8+=.8元综上所述，本工法有较好的经济效益。10.2社会、技术、环境等效益在整个工程建设中，本工法的液压爬模技术、预顶力施加技术、装配式钢管支架体系等施工技术的成功应用，既节约了施工成本，又加快了施工进度，施工过程中未发生一起安全、质量事故。工程的顺利建成，提升了大桥建设的整体水平，为以后类似条件桥塔的设计和施工提供了可靠的决策依据，体现了良好的社会、技术及环境效益。11.应用实例重庆市江津区粉房湾长江大桥11.1工程概况重庆市江津区粉房湾长江大桥桥塔为宝塔型，全高188.3m，由上塔柱、中塔柱、下塔柱、上横梁、中横梁、下横梁构成。桥塔上、中塔柱高度共计150.8m，下塔柱高37.5m。索塔采用C55混凝土。索塔上、中塔柱采用圆弧线，塔柱外侧曲线半径600.2m，塔柱轴线半径602.6m。上、中塔柱均采用箱型截面，截面纵桥向尺寸8.0m，横桥向尺寸4.8m。上塔柱纵、横桥向壁厚分别为1.5m、1.0m。中塔柱纵、横桥向壁厚均为1.5m。索塔塔柱间采用横梁连接。塔柱共设上、中、下三道横梁，均为全预应力混凝土结构。上横梁高度4.5m，宽度7.0m。箱体壁厚1.0m。中横梁高度4.5m，宽度7.0m。箱体壁厚1.0m。下横梁中部断面外轮廓为7.4m（高）×7.0m（宽），箱体壁厚1.0m。下横梁底板纵向设置成R-140.076m的圆弧线型。11.2施工情况在主塔施工过程中，为保证塔柱曲线线形优美流畅，采用液压爬模技术，以直代曲，将模板确定为4.5m一节。为减小塔柱外侧拉应力并一定程度减小塔柱内倾偏位，设计要求在下塔柱施工过程中施加三道预顶力。三道预顶力施工耗时费力，高空作业有极大安全隐患而且对后续工作开展有很大制约。施工中经过精密计算经设计单位复核并吸收小吨位预顶力施工经验，总结提炼出1000t水平预顶力施工方法，将三道较小的预顶力改为一道1000t预顶力取得了良好的施工效果。横梁施工采用装配式钢管支架体系，并将钢管支架作为预顶力施加的操作平台。利用此双肢内倾曲线混凝土高桥塔施工工法，在塔柱施工中施工进度超前，并成功实施超大吨位的的1000t预顶，保证了质量也降低了成本，取得了巨大的成功，赢得了监理、业主单位的一致好评。该工程桥塔于2010年5月开始施工，2012年12月施工完成。11'