新型自动化爬升技术在混凝土主塔工程中的应用

2022-06-29郭强苏艳

起重运输机械 2022年11期

关键词：架体液压缸承载力

郭强苏艳

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

0 引言

液压爬模在桥梁、建筑施工中被广泛应用，然而传统的液压爬模爬升机构机位多、承载力小、自动化程度低，主要表现为：当承载架体或轨道爬升到位时，需要人工穿插承重销；爬升轨道与爬升承载架体功能转换时，需要人工进行换向操作；无法满足多功能施工平台承载大的需求。

本文结合目前高塔建设设备的爬升技术，分析其优缺点，并针对目前超高混凝土桥塔建造现状，面向高效高品质建造、劳动集约型生产的巨大需求，设计一种新型的自动化爬升机构，提升爬升效率，为筑塔专用设备多功能集成提供关键支撑。

1 高耸建筑施工装备及其爬升技术现状

当前，国内外高层混凝土建筑及超高混凝土桥塔施工装备主要有顶模、爬模、滑模等。其中，顶模根据在主体结构上支撑方式的不同分为少支点低位整体顶模、微凸支点式顶模以及工具式多支点可变低位顶模。总结了各种高耸建筑施工装备的施工工艺、适用范围及优缺点，如表1所示。

1）顶模

顶模的爬升是通过上下梁的交替顶升实现的。下支撑梁作为承载梁，顶升液压缸升缸推动顶模系统包括上支撑梁向上顶升一个步距，顶升到位后固定上支撑梁；顶升液压缸收缸提升下支撑梁提升一个步距，顶升到位后固定下支撑梁，如此交替循环动作实现顶升平台的顶升。其优点是单点承载力大；可集成各种施工机具，实现一体化施工；低位支撑，优化了养护时间；施工品质好。缺点是造价高；支点少，抗侧倾覆能力较差；对施工断面及爬升线型的适应性差；爬升轨道需要起重设备倒运。该设备已成功应用于多个实际项目中。

2）爬模

爬模的爬升是根据墙体情况布置机位，每个机位处设置液压顶升系统，架体通过附墙锚靴与预埋在墙上的爬锥连接固定，爬升时先提升导轨，然后架体连同模板沿导轨爬升，直至爬升到位。其优点是造价低，施工品质好，对施工断面及爬升线型的有一定的适应性。缺点是机位较多，整体性不够好，承载力不大，爬模能容易适应较薄的墙厚变化，但墙体突变时适应困难。该设备已成功应用于多个大桥工程中。

3）滑模

滑模的爬升是沿着主体结构四周配置并拼装滑升模板体系，预先埋设承力杆，采用不间断的分层浇筑方式，在达到一定的脱模条件时，使用液压提升，使组装好的滑升模板沿着承力杆，不断向上滑升。其优点是施工无间断，施工速度较快。缺点是单点承载力小，施工条件差，工人劳动强度较大，施工品质一般。该设备已成功应用于多个大桥工程中。

2 工程概况及难点

某过江通道南索塔包含2个塔柱和上下横梁，采用C55混凝土。如图1所示，塔柱顶高程为+245.500 m，塔柱底高程为+4.000 m，塔底设有4.0 m高的塔座。塔顶左右塔柱中心间距为34.8 m,塔底左右塔柱中心间距为45.45 m。索塔顺桥向宽度由塔顶的10 m直线变化至塔底的12 m，顺桥向侧面斜率为l/237.5。横桥向由塔顶的7 m直线变化至塔底的9 m，外侧面斜率为l/37.549，内侧面斜率为1/54.913。塔柱采用知形箱形截面，结合大桥塔柱景观效果与涡振性能改善，将塔柱四角进行倒角截面钝化，桥塔外侧倒圆角R＝l.5 m。

图1 索塔外形图

某过江通道南索塔的建造以工厂化生产、装配化施工、智能化控制为总体思路，结合钢筋部品、混凝土自动辅助布料、双层智能养护、自动拆合模、自动爬升和全封闭作业等功能，将桥塔高空现场施工打造为竖向移动工厂。相比传统装备具有以下难点：1）传统的爬模单点承载力低仅10 t，无法满足集成化施工平台的承载要求，且单次行程小，爬升速度慢；2）传统爬模的自动化程度不高，需人工辅助插销与转换功能，安全性不能保证；3）顶模爬升系统承载力高，但爬升轨道需起重设备辅助倒运，大大降低爬升效率。

3 新型自动化爬升系统的设计

3.1 结构设计

如图2所示，爬升装置主要由埋件系统、锚靴、承重销、轨道、平衡梁、斜撑、上爬箱、自平衡挂爪、顶升液压缸、支撑调整液压缸和下爬箱、换向装置等组成，通过上下爬箱在轨道上交互滑动实现架体和轨道的自动爬升。新型自动化爬升系统的额定爬升能力为350 kN，爬升步距为750 mm，爬升角度为±10°，爬升最大推力为400 kN。

图2 爬升系统结构组成

1）自复位承重销式锚靴

在传统的爬模中，经常出现人工插销不到位而导致爬升事故的情况，与传统的锚靴相比，自复位承重销式锚靴（见图3）不仅省去人工插拔轨道、爬箱承重销的流程，同时采用机械式功能设计，有力保障爬升安全性。

图3 自复位承重销式锚靴结构图

锚靴承重挂板上设有承重销弧形轨道孔，当轨道或上爬箱自下而上爬升时，承重销在其向上的作用力下沿承重销轨道孔做曲线运动，不影响轨道或上爬箱的爬升运动。当轨道或上爬箱爬升到位后，承重销在重力作用下自动复位，爬箱与轨道可回落挂在承重销上，继续进行下一阶段施工。

2）自平衡挂爪

自平衡挂爪是爬升过程中的主要承载结构。挂爪为双轴对称结构，与爬箱之间采用销轴连接。如图4所示，挂爪竖直方向设置2组复位弹簧，在原位状态时，复位弹簧带有一定张紧力，保证挂爪保持水平状态。

图4 自平衡挂爪工作状态

在爬升过程中，上下爬箱交替受力，逐步沿轨道爬升到位。挂爪的工作状态可分为承载状态和避障状态2种。在承载状态时，挂爪前端承受轨道承重孔向上的作用力，后端顶住承重插销，此时挂爪处于平衡状态。在避障状态时，轨道承重孔对挂爪产生向下的作用力，挂爪沿销轴转动，避开轨道封板区直至下一个轨道承重孔位时，挂爪在复位弹簧的作用下恢复至水平位。挂爪尾部设有摆角传感器，实时监控挂爪的姿态。

3）自动换向装置

如图5所示，自动换向装置采用齿轮齿条传动的原理，通过换向液压缸驱动承重插销2做直线式往复运动。可实现承重插销1退出的同时承重插销2能够插入，反之亦然。在爬升上设置行程开关，实时监控承重插销的到位状态。

图5 自动换向装置结构图

结合自平衡挂爪，实现爬升轨道与爬升架体的自动转换，取代人工换向流程，提高爬升效率。

3.2 爬升流程

如图6所示，爬升流程有以下步骤：1）当N节段混凝土浇筑完成后，筑塔机进行爬升；2）爬升装置切换至爬升轨道状态，此时上爬箱挂在锚靴上；3）顶升液压缸伸出，下爬箱沿轨道向下行750 mm，此时下爬箱挂爪复水平位并挂住轨道；4）顶升液压缸回缩，下爬箱带动轨道向上行750 mm后，轨道挂在上爬箱挂爪上；5）重复步骤3）和步骤4），直至轨道爬升到位，挂至第N节锚靴承重销上；6）爬升装置切换至爬升架体状态，收回支撑调整液压缸，此时下爬箱挂爪挂在轨道上；7）顶升液压缸伸出，上爬箱沿轨道向上行750 mm，此时上爬箱挂爪复水平位，挂在轨道上；8）顶升液压缸回缩，下爬箱沿轨道向上行750 mm，下爬箱挂爪复水平位，挂在轨道上；9）重复步骤7）和步骤8），直至架体爬升到位。

图6 爬升流程图

4 新型自动化爬升系统结构分析

设计荷载主要考虑筑塔机自重、机具荷载、模板重量、施工荷载及风荷载等因素。荷载组合分别按照标准组合和基本组合来考虑，其中标准组合评价结构刚度指标，基本组合评价结构的强度和稳定性。基本组合为1.3×恒载+1.5×活载，标准组合为恒载+活载。采用Ansys有限元分析软件对爬升机构进行建模分析，采用Shell单元进行建模（见图7），各部件之间采用耦合及接触单元进行约束。计算中考虑大变形的影响，得出图8～图10所示结果。

图7 爬升机构有限元计算模型

由图8～图10所示各工况计算结果可得，锚靴最大应力σmax＝229 MPa＜f＝295 MPa，轨道最大应力σmax＝264 MPa＜f＝295 MPa；爬箱最大应力σmax＝252 MPa＜f＝295 MPa；水平梁最大应力σmax＝254 MPa＜f＝295 MPa；在各工况下，爬升系统各部件强度、刚度满足规范要求。