高墩液壓自爬模施工工藝及有限元分析研究

艾新潔

（中鐵十四局集團第一工程發展有限公司，山東 日照 276800）

目前，爬模為國內橋梁高墩施工中比較常見的工藝，傳統爬模施工技術已經較為成熟，但是，在具體使用上存在受系統重量限制、爬架操作不方便、安拆模板不快捷、鋼制模板重量大、安全性低等一些的弊端，因此在高墩施工上對液壓自爬模施工工藝以及受力分析顯得尤為重要。眾多專家學者對高墩液壓自爬模施工進行了研究分析，但大多數的研究偏向現場施工安全及施工工藝的研究，對于爬模過程的受力情況研究較少。本文結合渝黔高速公路擴能項目紅豆樹大橋高墩液壓爬?，F場施工情況，通過文獻查閱等技術手段對液壓自爬模的施工工藝進行總結分析，并通過數值模擬等手段研究了施工狀態及爬模狀態兩種情況下的受力模型，確定了設計滿足設計要求，保證了施工安全。

1 工程概況

紅豆樹大橋位于重慶市巴南區接龍鎮橋邊村，丘陵地貌，場地附近最高海拔403.26m，最低海拔326.95m，相對高差76.31m。橋梁跨越丘間谷地，谷地呈“W”型分布，淺坳溝內土層主要為坡洪積粉質黏土，為水田；兩側斜坡橫坡5～37°，局部形成陡坎，斜坡上基巖多裸露。紅豆樹大橋橋梁中心里程為：K27+076，正交設置；全橋共設置2聯：4×40+4×40；上部結構采用預應力砼（后張）T梁，下部結構0#橋臺采用柱式橋臺，8#橋臺采用U型橋臺擴大基礎，其余墩臺采用樁基礎；4#、5#墩采用矩形薄壁空心墩形式，最大墩高61.14m，外部輪廓尺寸為3×3m，內部尺寸17.35×1.8×1.8m，倒角0.6m，其余墩柱采用柱式墩。紅豆樹大橋橋位示意圖如圖1。

2 液壓自爬模施工工藝

2.1 液壓自爬模概述

（1）液壓自爬模施工原理。液壓爬模系統主要是利用自鎖液壓穿心千斤頂的伸縮來實現提升架體系統，導軌則是依靠附在爬架上的液壓油缸進行向上提升，當導軌提升到位后，會與上部爬架懸掛件連接，爬架體系和模板系統是通過頂升液壓油缸沿著導軌進行爬升的，導軌與架體系統互相交替爬升來實現液壓爬模系統的整體爬升（如圖2）。

圖1 紅豆樹大橋橋位示意圖

圖2 液壓自爬模

（2）爬模系統組成（如圖3）。液壓自爬模主要由四部分組成,分別是埋件系統、模板系統、液壓系統及支架系統。其構成如圖所示。本爬架配備的模板為鋼模板，模板高度4.61m,施工高度4.5m；以1.5m×4.61m模板為標準板，根據不同截面另配異模；模板面板6mm，背肋[10，通長主背肋根據需要配置；模板間與主背肋連接處采用U型連接件配合插銷連接，主背筋采用通長（根據拉桿的間距采用不同規格國標槽鋼），以便保證模板拼縫的平整。

圖3 液壓爬模系統組成

2.2 模板爬升流程

自爬模的頂升運動通過液壓油缸對無縫鋼管導軌和爬架交替頂升來實現。無縫鋼管導軌從爬架下架體立桿中穿過，二者之間通過液壓千斤頂相互作用，無縫鋼管主要承受豎向荷載。爬架上橫梁設置圍圈桁架，以平衡爬架水平分力。澆筑混凝土時，導軌和爬模架都支撐在預埋件支座上，兩者之間無相對運動。退模后在退模留下的爬錐上安裝受力螺栓、掛座體、及埋件支座，首先，移動無縫鋼管導軌至上部預埋件支座，就位于上部埋件支座上后，操作人員立即轉到下平臺拆除導軌提升后露出的位于下平臺處的埋件支座、爬錐等。在解除爬模架上所有拉結后，就可以開始頂升爬模架，這時候導軌保持不動，啟動油缸，爬模架就相對于導軌運動，通過導軌和爬模架這種交替附墻，相互提升，爬模架即可沿著墻體上預留爬錐逐層提升。壓自爬模施工圖如圖4。

圖4 液壓自爬模施工

其施工工藝如圖5所示。

圖5 爬模施工流程圖

3 空心墩空間有限元仿真分析

基于Midas數值模擬軟件，對單次澆筑高度4.5m的雙聯柱墩截面進行計算。雙聯柱墩凈距6m，各墩截面尺寸均為3×4m。風荷載按最大橋墩高度60m計算。通過對施工狀態與爬升狀態兩種工況進行模擬計算，建立爬模的Midas計算模型如圖6所示。

圖6 爬模Midas計算模型

3.1 施工狀態

施工狀態工況下，荷載組合方式為1.2×結構自重+0.9×1.4×(主平臺荷載+風荷載)，其豎向力由預埋件承擔，水平力由預埋件和下架體滑輪承擔。其預埋桿件反力云圖如圖7所示。

通過圖7可知，該工況下的預埋桿豎向最大反力為89.2kN，預埋桿水平最大反力為18.4kN。其桿件最大組合應力如圖8所示。

圖7 預埋桿件反力云圖

通過圖8可知，所有桿件最大拉應力為129.1N/mm2，最大壓應力為66.4N/mm2，均小于強度設計值[f]=215N/mm2，并且最大壓應力小于各桿件臨界應力，因此滿足要求。其結構變形云圖如圖9所示。

通過圖9可知，該工況下最大豎向變形為13.1mm，出現在圍圈桁架端部，最大橫向變形為4.5mm，滿足要求。

3.2 爬升狀態

爬升狀態工況下荷載組合方式為1.2×結構自重+0.9×1.4×(主平臺荷載+風荷載)，豎向力由無縫鋼管導軌承擔(模擬為僅受豎向力的一般支承)。水平力由圍圈桁架和下架體滑輪承擔（模擬為僅受水平力的一般支承）。其支座反力云圖如圖10所示。

圖8 桿件最大組合應力

圖9 結構變形云圖

圖10 支座反力云圖

通過圖10分析可知，該工況下的支座豎向最大反力為84.4kN，水平最大反力為25.5kN。

其最大組合應力如圖11所示。

由圖11分析可知，所有桿件最大拉應力為128.5N/mm2，最大壓應力為93.1N/mm2，均小于強度設計值[f]=215 N/mm2，并且最大壓應力小于各桿件臨界應力，因此滿足要求。其結構變形云圖如圖12所示。

圖11 最大組合應力

圖12 結構變形云圖

通過圖12分析可知，該工況下最大豎向變形為13.7mm，出現在上架體橫梁，最大橫向變形為5.7mm，滿足要求。

4 結語

本文依托于渝黔高速公路擴能工程紅豆樹大橋高墩施工工程，對高墩液壓自爬模施工技術進行了研究，得到以下結論：（1）基于現場施工情況以及文獻查閱等技術手段對液壓自爬模工作原理進行總結分析，深入解構了液壓自爬模的系統組成。（2）基于現場施工情況，總結分析了液壓自爬模的模板爬升施工工藝，為相似工程提供了工程借鑒。 （3）基于結構力學知識，結合現場施工情況，應用數值模擬的技術手段分析了兩種工況下的液壓爬模受力情況，確保了設計合理性，保證了施工安全。