矮塔斜拉桥空间异形混凝土塔柱施工技术

 沈培良

 (上海隧道工程股份有限公司上海城建投资发展有限公司，上海200120)

摘要：异形结构由于空间张力十足，极具美感与韵律，在桥梁工程领域运用逐渐增多。对极致美观的追求也为施工带来巨大难度。针对南昌朝阳大桥空问实体异形混凝土桥塔，总结既往保障高质量工程的施工经验，结合新型塔柱特殊问题，先后形成矮塔斜拉桥空间异形混凝土塔柱分节原则与定型钢模选型、设计方法，不仅保障塔柱的优美体型与质量，而且对于启发国内同类型异形结构的建设有着一定参考借鉴意义。

关键词：异形桥塔；施工工艺；定型钢模板

中图分类号：U448.27文章编号：1004-4655( 2016) 03-0034-04

1工程背景

 异形结构由于空间张力十足、极具美感与韵律，近年来，在桥梁工程领域运用逐渐增多。

 本工程朝阳大桥桥塔即采用异形混凝土结构，其为六塔七孔单索面矮塔斜拉桥，桥跨组合为( 79+5×150+79)m，上塔柱塔高45 m。总体布置见图1。

 朝阳大桥的桥塔造型是书法“合”字的变形，将古朴的小篆“合”字线条加以柔化（见图2），其空间异形结构大大增加施工难度，保障塔形施工工艺成为塔、墩施工的关键技术问题。

2异形塔柱分节浇筑

2.1分节浇筑原则

 节段划分总体上从质量控制、安全控制、施工可行性、经济性、施工便利性等方面展开。本研究根据分析，提出施工中优先以及重点考虑的对象，制定桥塔分节优化遵循的基本原则。

 1)易于控制混凝土浇筑质量。大体量混凝土浇筑，若构件厚度较厚，混凝土振捣困难，且对模板侧壁压力较大，为控制浇筑，需合理设置分节高度。

 2)控制水化热反应不利影响。由于混凝土水化热产生的裂缝发生在构件表面，深入构件内部，应综合考虑降温措施进行节段浇筑体量的划分。

 3)保障模板受力安全。模板组装时，由于平面外刚度较低，容易产生较大的变形引起附加内力。因此节段划分必须保障模板的受力安全，使单次浇筑的模板空间翘曲度不大。

 4)为下一节施工提供稳定平台。上一节段施工完毕后成为下一节段的作业平台，在施工中应兼顾下一节段的施工便利，设置分节。

 5)其他条件。除此之外，应考虑商品混凝土的制作与运输便利，吊装设备吊装能力，工期要求，预埋构件实施的便利性，混凝土差异收缩不利影响等因素。

2.2塔柱分节

 上、下塔柱构造存在较大差异，根据塔柱构型特点分别分析。

2.2.1下塔柱分节

  绘制塔柱三维模型，观察下塔柱的构型，可将下塔柱分为A、B、C3个区段（见图3）。

 1)A区。由下向上呈聚拢收紧趋势，在覆盖模板时，需预留振捣空间。因混凝土横桥向展开尺寸较大，水化热风险较大。随着浇筑高度的增加，顶面模板变形控制要求提高，且增大漏浆风险；应尽量减小A区高度。

 2)B区。基本为平滑，对于立模、浇筑影响较小，但总体高度较高，对下层模板的变形以及受力安全产生影响。浇筑高度增加，水化热风险提高；宜分节实施。

 3)C区。由中心向两侧展开，采用支架体系对两侧进行支承。由于该段下缘存在弧形变化，应考虑支承的便利性。模板安全要求较高，但相对于A区、B区水化热的风险有所降低，可作为一节进行分次浇筑。

汇总各区控制要点，划分原则见图4。

 根据上述分析，综合考虑混凝土浇筑时的质量、模板变形与漏浆风险、浇筑方量及水化热风险、高空作业风险等因素，确定浇筑节段划分（见图5）。其中，第二次浇筑高度根据各塔柱高度不同进行变化，设置h2高度共有3种，即8.377 m、6.961 m、5.461 m。

2.2.2上塔柱分节

 通过绘制上塔柱的三维模型，观察上塔柱的构型，从下至上分别为A区、B区，C区（见图6）。

 1)A区。为两肢柱式结构，相向内倾。随着高度的增加，下缘侧模侧压力逐渐增大，混凝土重心内偏为浇筑安全带来隐患，浇筑宜分段实施。

 2)B区。该位置为受力敏感部位，一方面不宜设置结合面，另一方面应尽量提高浇筑质量，保障混凝土的均匀性，减小水化温度等产生的开裂风险。宜一次浇筑，高度应控制合理。

 3)C区。该段为独柱式，因位于锚固区，截面内预埋件较多，浇筑较困难。其次，因锚固区受力复杂，浇筑质量要求高，减小水化热风险。再次，浇筑高空作业带来模板安全问题。浇筑宜分段实施，应综合考虑分节高度。

汇总各区控制要点，划分原则见图7。

 根据A、B、C三区各自的特点，综合考虑模板安全、浇筑质量、减小水化热风险等因素，最终确定浇筑方案（见图8）。

3异形塔柱定型钢模施工工艺

 为提升混凝土成型质量，需对其外骨架——模板进行细化分析，建立对应的模板体系。常规桥塔滑模或爬模施工在此处并不适用，而上下塔柱各部位空间曲面拓扑关系并不明显，矮塔斜拉桥中各分节模板通用的可能性较小。

3.1模板选型

 我国现用模板体系多为木模版以及组合钢模板。由于本桥各分节浇筑高度较高，对安全性以及外观需求较高，不再探讨木模板在本桥的适用性，仅对传统组合钢模板与大块定型钢模板之间进行比选。

 传统组合钢模板通用规格为单块钢板尺寸一般从500 mm×100 mm到2 000 mm×2 000 mm不等，若外形较规整，也常采用小钢模板拼装大模板。

 大块定型钢模板在一定程度上继承组合钢模板的分块加工组合理念，但不同的是由厂家根据桥塔的具体形状、墩身坡率、直径、高度等技术标准制作而成。单块钢板尺寸也可存在较多形式，单边尺寸甚至可以根据浇筑要求超过3 000 mm。

 表1为普通组合钢模板与大块定型钢模板在施工全过程中的使用状况以及经济性的对比表。

 通过对比可以看出，在异形桥塔施丁时，大块定型钢模板虽然加工难度大于普通组合钢模板，但具有构件成型质量较好、工期短、安装难度小等特点，且无太大的经济性劣势，一般在异形桥塔施工中更为适用。

3.2下塔柱模板设计

 朝阳大桥1 5号与20号墩、1 6号与19号墩、17号与1 8号墩均为对称墩身，结构类似，采用3套模板施工。以1 5号与20号墩为例，模板的总体设计图见图9。

 1)第一次浇筑模板设计。单块模板高度按≤3 m设计；加强肋横向布置，背枋竖向布置；

顺桥向背枋考虑设计为桁架形式。因下塔柱下大上小，为便于振捣及浇筑混凝土，在第一浇注段顺桥向靠底部设计有工作窗。

  2)第二次浇筑模板设计。单块模板高度按≤3m设计，加强肋横向布置，背枋竖向布置，顺桥向背枋考虑为桁架形式。

  3)第三次浇筑模板设计。单块模板高度按≤3m设计；加强肋竖向布置，背枋横向布置。为便于振捣及浇筑混凝土，在顺桥向斜腿靠底部位置设计有工作窗。

 4)第四次浇筑模板设计。单块模板宽度按≤3m设计；加强肋横向布置，背枋竖向布置；顺桥向背枋设计为桁架形式；由于桥塔外展弧度较大，为保障浇筑质量，在弧形部位设置2处工字钢三角支撑。

3.3上塔柱模板设计

 上塔柱模板设计，根据每节造型确定，模板总体布置见图10。

  不同于下塔柱高度有3种不同规格，上塔柱设计为同一高度，各塔柱的模板可交互使用，考虑工期因素，制作2套模板进行周转，用于6个塔柱的施工。

 1)第一次浇筑模板设计。单块模板高度按≤3m设计；加强肋横向布置，背枋竖向布置，

横桥向与顺桥向均设置对穿拉杆。

 由于上塔柱1～5节为人字形，考虑到两侧不能同时施工，在塔柱双肢之间设临时支撑，以防混凝土浇筑时模板失稳。

 2)第二次~第四次浇筑模板设计。当第一节墩身混凝土浇筑完毕，先不拆除模板，作为第二节墩身模板的基础模板。第二节墩身浇筑完成，具备拆模条件时，拆除第一节模板，作为墩身曲线段模板的基础模板。以此类推。

 3)第五次浇筑模板设计。由于该位置曲面交汇变化较为复杂，为便于模板加工，单块模板高度控制在1.5 m左右，长度根据要求调整。

 4)第六次~第十次浇筑模板设计。由于塔柱合并为独柱式后，第六次~第十次浇筑的塔柱外形较为近似，仅尺寸上有所差别，宜采用同等设计方法。

4结语

 本文高度总结以往实践经验的方法，综合质量控制、安全控制、施工可行性、经济性、施工便利性等多方面，确定大体积空间异形塔柱分节所需考虑的关键原则，即易于控制混凝土浇筑质量、控制水化热反应不利影响、保障模板受力安全、为下一节施工提供稳定平台以及施工便利等其他条件。

 南昌朝阳大桥已顺利建成通车，其采用本文介绍的异形混凝土塔柱施工关键技术，保证异形混凝土构件的成型质量，并大大缩短桥塔施工周期，节省了工程造价，证明该技术有较强的先进性、可操作性和经济性。

 矮塔斜拉桥空间异形混凝土塔柱分节方法、定型钢模板选型以及设计方法对于国内同类工程项目均具有一定的参考借鉴意义。