山區高速橋梁高墩爬模施工穩定性驗算及監控要點分析

■何嶸庭

（福建省高速路橋工程有限公司，廈門 361001）

福建省90%的面積為山地、丘陵地貌，橋梁在公路交通中扮演著重要的角色。 橋梁能夠有效縮短行車里程，拉近距離，為區域經濟發展提供最便捷的通道。 福建省西部高速工程因地形限制，較多采用高墩橋梁。 爬模施工工法具備爬升速度快、施工周期短、墩身垂直度和平整度易調控、施工誤差小、模板標準化程度高等優點，在實際工程中得到較多運用[1]。 由于高墩橋梁通常采用高強材料和薄壁結構，因而在對其受力性能研究的基礎上進行穩定性分析，并在施工期內對其監控就顯得尤為重要[2]。

1 工程概況

1.1 工程介紹

福建省西部地區某高速公路新建工程，由于地形的限制，需要在一個U 型河谷建造一座高墩連續剛構橋梁。 該橋設計橋面與河床地面最大高差為93 m，墩身最高85.705 m。 主橋上部結構采用（88+2×160+88）m PC 預應力混凝土變截面單箱單室連續剛構梁橋。 為考慮到現場地形以及施工工期，設計墩柱結構采用液壓爬模工藝進行施工。 大橋橋型布置見圖1。

圖1 福建西部某特大橋高墩橋型布置

1.2 主墩爬模施工流程

該特大橋主跨高墩墩身在完成樁基礎及承臺的施工后進行，采用爬模的工藝。 墩身分為21 節施工，墩身總體施工流程見圖2。標準節砼澆筑高度為4.5 m，模板配置高度4.65 m，下包0.1 m 以防漏漿，墩身爬模架體布置為橫橋向每面2 榀，間距為4 m，內側只布置2 榀上架體； 順橋向每面布置2 榀，間距為2.2 m，共計布置6 榀爬模機位，爬模架體爬升軌跡見圖3。

圖2 墩身總體施工流程

圖3 爬模架體爬升軌跡

2 爬模施工穩定性分析

根據施工方案， 爬模由預埋件、 附墻裝置、導軌、支架、模板及液壓動力裝置（爬升裝置、外組合模板、移動模板支架、上爬架、下吊架、內模板及電器、液壓控制系統等部分）組成，穩定性分析主要是對爬架結構、支座、預埋件及重要構件進行穩定性驗算[2]。

2.1 施工工況及荷載取值

施工工況及荷載取值如表1 所示。

表1 穩定性分析施工工況及荷載取值

風荷載的取值，是本工程結構安全穩定性分析中最重要的一個環節。 由于大橋橫跨山谷，山谷橫風是主要的風荷載來源。 橫橋向風荷載假定水平地垂直作用于橋梁各結構迎風面積的形心上。 風荷載的標準值按照規范[4]中公式計算：

Wk,n為施工或爬升時n級風力所對應的風荷載標準值 （kN/m2）；Wk,p為停工時p級風力所對應的風荷載標準值（kN/m2）；W0,n、W0,p為施工、爬升或停工時n級風力所對應的基本風壓（kN/m2），按《液壓爬升模板工程技術規范》[5]基準風壓W0為基準風壓的標準值按下式計算： 按8級風取值W0=0.268 kN/m2、10級風取值W0=0.504 kN/m2； βg,z為高度z處的陣風系數，按照規范[3]βg,z=1.46； μs為風荷載體型系數，按照規范[3]μs=0.8；μz為風壓高速變化系數，按高度85 m取值， μz=2.18。

施工或爬升時8級風力對應的風荷載最大標準值為：

停工時10級風力所對應的風荷載最大標準值為：

經查詢工程所在地位置，根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01-2004） 計算橋墩爬架實際最大風荷載，根據公式：

式中：ρ—空氣密度；Vg—陣風風速；CH—橋梁各構件的阻力系數；An—橋梁各構件順風向投影面積（m2）；

經計算，FH=0.98 kN/m2＜Wk,p，按照停工時10 級風力所對應的風荷載進行有限元計算。

2.2 有限元分析計算及結果

利用MIDAS CIVIL 有限元軟件模擬計算，建立計算模型并對模型施加正風向荷載內力見圖4。 不同工況下最大軸力、彎矩、剪力見表2。

表2 不同工況下重要桿件驗算結果

圖4 模型中風荷載施加內力圖

模型計算結果，主要驗算的對象包括：①桿件的最大軸力、彎矩、剪力進行分析；②對受壓桿件進行的失穩驗算；③桿件進行材料強度驗算；④支座反力計算；⑤埋件及重要構件的計算。 經計算，本工程中設計的爬架滿足施工安全、穩定性要求。

3 施工期監控

3.1 施工監控的必要性

連續剛構橋高墩在實際施工過程中，由于施工條件的變化、計算模型建立的誤差、混凝土收縮徐變、混凝土澆筑方量偏差、施工臨時荷載等因素，將使結構實際狀況偏離設計考慮的理論狀態。 因此，需要在施工過程中需要采取嚴格的施工監測。

3.2 監控內容及要點分析

高墩剛構橋施工監控主要內容包括：施工過程中的線形、應力、溫度、混凝土彈模、容重及收縮徐變系數等。

3.2.1 高墩施工監控要點

本工程橋墩采用爬模施工工藝，監控應考慮主要力學特性，關鍵內容如下：一是對施工現場環境的監控，包括施工現場位置風速、風向、風壓、溫度等；二是已成型整體結構性能的監控，包括橋梁高墩結構各控制部位的應力、位移狀態和動力特性； 三是對臨時施工荷載下結構的反應監測。 利用現場監測結果及時反饋于施工方案的選擇及技術方案的調整，同時擬將實際觀察結果與有限元計算結果進行分析，及時評價施工現場結構的安全性。

圖5 墩柱爬模施工現場

3.2.2 液壓爬模架體監控要點

在施工過程中，液壓爬模架體的結構安全監控也是一項重要的監測項目。 利用有限元軟件建立爬架模型，分析爬架整體受力情況以及主要桿件受力最不利部位，安裝傳感器進行實時監測。

3.2.3 環境因素監控

環境因素主要包括施工現場溫度、濕度，是否出現大風、大霧、雷電、臺風等異常天氣對施工安全帶來的不利影響。 現場可采用“物聯網+建設”的智慧施工管理系統，系統中全天候監測現場的施工情況。 爬模施工是一項整體性比較強，工序比較復雜，各分項配合要求高的施工項目，做好項目環境因素的監控，能夠有效提升項目的安全性。

此外，對高墩的施工監控還可以延伸至上部結構施工過程中高墩的受力性能及變形情況。

4 結語

（1）采用液壓爬模技術對高墩進行施工，爬架承受著施工過程中主要的荷載以及外界環境的荷載，施工前應充分考慮各方面因素的影響，對液壓爬架進行穩定性驗算；（2）施工過程中，現場施工情況無法準確控制，需要根據計算結果，對最不利桿件的強度以及爬架整體的剛度進行實時監測，保證結構的安全性；（3）山區高墩施工過程中需要充分考慮風荷載的影響，特別是沿海山區臺風的影響不可忽視， 保障惡劣天氣下施工臨時結構的安全性；（4）通過有限元計算指導施工監控要點，能夠把握針對性結構重點，節約監控成本，實時在線的了解施工結構的安全工作狀態。