空间曲面异型桥塔模板设计与施工经验总结

空间曲面异型桥塔模板设计与施工照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景摘要本文针对XXX悬索桥主塔塔柱模板在设计、选型和施工过程中遇到的问题进行说明，系统的阐述了该桥塔柱模板的特点，由于该桥塔柱高达照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景关键词空间曲面异型桥塔模板设计施工SpacesurfacespecialbridgetowertemplatedesignandconstructionAbstractInthispaperthemaintoweryunmengmountsuspensionbridgepylontemplatesinthedesign,selectionandconstructionprocessproblemsencounteredinthespecification,thesystemintroducedthecharacteristicsofthebridgepylontemplate,becausethebridgepylonashighas126.5m,pillardesignforthearch,oftenformingdon'tmakeanymodification,maintainwaterconcreteoriginallinearandlightfeeling,toensurethattheappearanceofthepylonshapingeffectoftemplatedesignputforwardhigherrequirements,templatematchingisverycomplicated,thisarticlethroughtheauthor'stheoreticalcalculationandpracticalexperience,thispaperintroducesthespacesurfacespecialbridgetowerforminthedesign,constructionprocessandtheapplicationofkeycontrolmatters.KeywordsSpaceSurface;special;BridgeTowerTemplate;Design;Construction1工程概况该桥梁为独塔双锁面自锚式悬索桥，索塔采用种子造型，分上塔柱与下塔柱，设置上下横梁。塔身外观似一粒孕育希望的“种子”，塔身全高126.5m，其中主体砼结构高96.325m，顶部装饰高30.175m，主塔为预应力钢筋混凝土塔身，塔柱及横梁采用C50混凝土，塔柱截面为单箱单室预应力砼结构，横桥向外侧壁厚2.0m，内侧壁厚1.5m，顺桥向两侧壁厚1.2m，根部设5m实体过渡段，该桥塔柱设计为空间曲面异型桥塔（见图1a），采用翻模法施工。该桥塔柱横桥向内外轮廓分别为不同半径圆曲线组合而成，顶部开孔。顶部开孔的内轮廓是由一个多个圆曲线和一个圆相扣而成，下轮廓圆弧半径为18米，单肢塔柱，横断面为梯形，其两侧轮廓由一段圆曲线组成，塔身不同位置横桥向塔柱宽度不同，表面径向曲线半径20米（见图1b），基于此种设计，在模板加工制作过程中造成了较大的困难（见图1c）。图1a结构形式图1b主塔外轮廓图1c主塔正侧面图2空间曲面异型模板设计对于不可展开的空间三维曲面来说，其严格意义上是无穷个渐变的断面轮廓线（面）的组合，对于其模板来说，渐变的轮廓面分割的越小，其成型就越接近理想的空间曲面状态，所以对这种空间三维曲面的模板制作来说，就是要在相关规范允许的条件下及外观成型尺寸误差允许的条件下，将这种不可展开的曲面分割成局部的可展开曲面、可加工的面板部件。（1）三维曲面模板纵、横向分块设计思路主塔塔身模板设计既要考虑符合复杂的设计线型，又要考虑安拆的便利性，由于主塔采用分段浇筑法施工，主塔塔身纵向模板设计分为20个节段，分块原则为实心段采用小节模板，空心段采用大节模板，节段最大高度为5.0m，纵向模板采用2块2.5m模板进行拼装，最小高度为2.0m，设在塔身顶部，采用一块2.0m模板直接成型，(见图2a)，其余部分采用定型钢模板依次翻模施工，模板高度由3.5～5.0m不等，每个施工节段模板在竖向分成上下两层，标准节段每层模板高度均为2.5米，非标准节段模板根据施工节段高度确定；在横断面方向分为外侧模板1块，两侧圆弧段模板2块，两侧平面模板2块，内侧模板共计6大块，(见图2b)。塔身外侧模板根据塔身设计曲率工厂加工并编号，现场根据施工进度组装调试后进行安装，加固。图2a主塔模板纵向分节图图2b主塔模板横向分块（2）三维曲面模板加工技术由于该桥砼塔的景观上的意义，为确保塔身外表面质量符合设计及景观的要求，必须将外模板设计成大面积节段整体大钢模，即需将分割成局部可展开，可加工的面板部件，在满足三维曲面各点的曲率尺寸及塔柱各截面尺寸的条件下汇集成节段的三维曲面面板，即采用三维曲面成型的钢模板技术进行设计、加工和制作。模板加工时采用三维曲面成型的钢模板技术，将模板设计、加工成大面积节段整体钢模板；确保模板的加工精度满足要求，杜绝模板在加工过程中不合格品的出现（见图3）。图3模板数控精确加工采用三维曲面成型的钢模板技术进行加工，利用PROENGINEER软件制作，从三维立体图中根据空间曲面的特征，用轮廓等分原则寻找理想的可局部展开的等分段。沿塔高方向模板共分为41小段（见图4a）。根据塔柱横截面的形式，每段又分为多块模板（见图4b）。每块模板的面板采用5mm后的钢板；竖楞采用槽钢，间距300mm；背楞采用双槽钢，最大间距为1250mm；拉杆为M25精轧螺纹钢，间距为1200mm。其中，图5和图6分别是F7和F21节段圆弧钢模板的示意图。图4a主塔模板分段图图4b主塔横向模板组装图图5F7节段圆弧钢模板图图6F21节段圆弧钢模板图（3）模板受力分析、计算为了确定模板的最佳组合方式，避免因前期分析不准确造成的模板材料浪费，利用MIDAS/FEA软件对所有模板进行了受力分析。其中，F7和F21节段圆弧模板的计算模型（见图7）。aF7节段圆弧模板bF21节段圆弧模板图7有限元模型图计算时，面板采用板单元模拟；竖肋、背楞及边框采用梁端元模拟；竖肋与面板、竖肋与背楞间采用弹簧连接单元模拟。强度计算时面板承受的荷载设计值为0.032N/mm，变形计算时其承受的荷载标准值为0.017N/mm（在高度方向面荷载按照梯形分布）。限于篇幅，本文仅列出F7和F21圆弧模板的面板计算结果，见图8～11。从计算结果来看，F7面板的von-mises应力最大为75.3MPa，变形为0.9mm；F21面板的von-mises应力最大为89.2MPa，变形为0.6mm。因此，面板的应力及变形均满足要求。另外，竖肋、背楞及拉杆的相关控制指标也均满足要求，相关计算结果不再一一列出。图8F7面板von-mises应力（MPa）图9F7面板变形（mm）图10F21面板von-mises应力（MPa）图11F21面板变形（mm）3空间曲面异型模板施工根据该工程的实际情况，主塔塔身模板的施工主要存在以下三个难点：（1）模板吊装高空作业，安装精度不易控制；（2）模板分块数量多，线型及接缝效果难控制；（3）由于该桥设计理念为保持混凝土的原有风格，以清水混凝土为标准，不进行任何外部装修，这就对混凝土的外观质量提出了较高的要求。针对上述难点，主要采取了如下措施：（1）施工中采用三维坐标法与天顶测角法相结合的方案实施索塔的施工测量。本工程塔柱倾斜度要求不大于H/3000（H为塔高）,轴线允许偏差≤10mm，轮廓尺寸允许偏差≤20mm[3]，测量精度要求较高，模板是否精确安装会直接影响主塔的线型、空间位置及垂直度等指标，所以应对控制点进行详细的复合，并选用满足精度要求的测量仪器进行放样工作。另外，模板放样主要经过3个步骤：模板支设参照物放样、立模控制线放样、模板检查验收。对塔柱的施工放样，充分考虑日照与大气温差引起塔柱变形对测量工作的影响，通过变形观测，掌握塔柱在自然条件下的变化规律。同时还需考虑预偏量及预拱度。模板安装高度超过20m时，应考虑高空空气对流及风力对测量精度的影响。（2）模板在加工厂加工切割前，预先对模板进行编号和颜色识别，部分曲率相近的模板需采用特殊辨识方法，如凹槽对接辨识法，凹槽深度控制在3mm内，以便切割后现场对接时能够识别，现场模板拼装时，只需将标识颜色在表面左右对齐，然后对凹槽深度进行测量，合格后其模板内侧的表面将自动对齐，工人将不需进入模板内侧检查平整度，此方法适用于大型模板的安装，具体方法（见图12）。图12模板对接识别方法图模板按节段和类别堆放，防止不同部位的模板安装错误，导致塔柱线型、位置与设计不符情况出现，逐段拼装索塔劲性骨架、内外模板。为确保砼成型的外型质量需尽量减少模板内对拉杆，将模板的外背楞设计成桁架式外背楞，使用套筒拉杆，减少成型后的孔眼封堵工作量（见图13a-b）。大型模板在运输过程中采用加固措施，现场采用大型设备进行起吊，专人指挥，设置多点起吊，确保模板起吊过程中避免与其它硬物碰撞，导致模板变形，施工现场无法安装。图13a套筒拉杆设计图图13b套筒拉杆三维效果图（3）模板曲线位置打磨彻底，防止混凝土内的气泡在振捣过程中无法顺利排出，每次使用后涂油进行保护，以便再次使用。优化混凝土的最佳施工配合比，采用正确的浇筑方式和振捣方式，确保砼浇筑质量。混凝土用砂、石不使用具有碱活性集料，选用碱含量小于0.6%的低碱水泥并控制混凝土中总碱含量。在模板内侧粘贴透水模板布，透水模板布可有效控制混凝土表面气泡及麻面的产生，以保证混凝土外观质量能够达到清水混凝土质量和外观要求。另外，通过优化方案和技术创新控制了施工成本。如：（1）由于该桥两侧塔柱为对称结构，在工期安排中尽量安排两个塔柱错峰施工，可利用对侧塔柱的拆除模板进行本塔柱施工，同时塔柱芯模只制作下横梁以下部分，下横梁以上部分利用下部芯模进行改装，以减少模板加工量，节约工程成本。（2）合理安排整体模板的拼装方式，采用大型起吊设备，按施工起重能力合理分段，尽可能减少模板节段数和模板接缝数。图14浇筑完成的主塔塔身（3）由于本次施工部分模板只使用一次且未对模板进行钻孔等损伤，二次利用的空间很大，使用后的模板进行归类，可作为其他桥梁的备用模板使用，提高模板的摊销率。4结束语经过严密的理论计算和现场实践，主塔塔柱已顺利封顶，主塔模板强度、刚度、稳定性等均满足设计及施工要求，成型后的主塔塔身线型流畅，棱角分明、外形美观，未出现涨模、麻面、气泡等情况（见图14）。施工过程中，