高墩液壓自爬升模板系統(tǒng)空間有限元分析

劉磊磊

（中鐵十八局集團第五工程有限公司 天津 100855）

隨著國家軌道交通建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展和交通強國戰(zhàn)略的實施，高速鐵路的建設(shè)規(guī)模逐漸向地形復(fù)雜艱險的山區(qū)拓展[1]。為克服山區(qū)地形復(fù)雜、峽谷溝深等難題，高墩橋梁結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟效益。

橋梁高墩施工過程[2]具有安全質(zhì)量高、控制難度大等特點。液壓自爬升模系統(tǒng)[3-5]憑借穩(wěn)定性好、施工速度快、自帶工作平臺和休息平臺、安全、高效、節(jié)約材料等特點，在橋梁高墩施工中得到廣泛使用。

液壓自爬升模板系統(tǒng)是保證橋梁高墩順利施工的關(guān)鍵，爬升模板質(zhì)量事故會引發(fā)嚴(yán)重的后果。為了提高液壓自爬升模板系統(tǒng)的安全性和可靠性、降低安全隱患，在高墩施工前對液壓自爬升模板系統(tǒng)的荷載進(jìn)行可靠分析是十分有必要的。

本文依托通用有限元軟件midas Civil 2015，以某工程高墩施工用到的液壓自爬升模板系統(tǒng)為un研究對象，對爬模結(jié)構(gòu)施工狀況、爬升狀況、停工狀況分別進(jìn)行荷載驗算，分析過程和結(jié)論可為類似工程提供技術(shù)參考和經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

某高速公路項目橋梁工程包括9 座橋梁，累計單線長度3696 延米（包括T 梁預(yù)制和架設(shè)382片，18 m 現(xiàn)澆箱梁18 片、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁6 聯(lián)、連續(xù)剛構(gòu)橋1 座），如圖1 所示。項目標(biāo)段橋梁墩柱形式多樣，主要由柱式墩、3 柱式墩、空心薄壁墩和板式墩四種形式。項目線路經(jīng)過的地區(qū)為山區(qū)，地勢高差大，橋梁高墩較多，最高墩柱高達(dá)85m。特級高空作業(yè)點較多，高墩施工施工過程中的安全質(zhì)量控制難度大。高墩施工過程采用液壓自爬模系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖1 橋梁墩柱形式

圖2 液壓自爬升模板系統(tǒng)

2 液壓自爬升模板系統(tǒng)荷載確定和計算工況

2.1 恒載計算

外爬架的恒載包括操作平臺自重、模板自重、外架自重。外架自重和操作平臺自重荷載均由軟件自動加載，模板的自重按140 kg/m2計算，平臺自重按80 kg/m2計算。

2.2 臨時施工荷載

爬架中包含上平臺、下平臺，施工臨時活載均布加載在平臺橫梁上。

2.3 風(fēng)荷載計算

對于風(fēng)荷載，本計算選取單片爬架承擔(dān)最大荷載的情況進(jìn)行計算，即爬模最后一模爬升或施工的情況，模板離地面高度約67 m。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可根據(jù)規(guī)范[6]中相應(yīng)的公式計算，主要參數(shù)取值如下：

高度z 處的陣風(fēng)系數(shù)，取1.53；風(fēng)荷載局部體形系數(shù)，取0.7；風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.77；

對于距地面10 m 高度處相當(dāng)風(fēng)速，風(fēng)力為7 級時，取17.1 m/s，風(fēng)力為9 級時，取24.4 m/s；

對于設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)壓，風(fēng)力為7 級時，計算值為0.18 kN/m2，小于0.3kN/m2，按規(guī)范取0.3 kN/m2；風(fēng)力等級為9 時，取0.37 kN/m2。

根據(jù)上式計算得7 級風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.57 kN/m2，9 級風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.7 kN/m2。

2.4 計算工況

共進(jìn)行3 種工況的計算，按最不利荷載組合考慮，分別為：

（1）工況一：施工狀態(tài)

荷載效應(yīng)組合為：1.2×結(jié)構(gòu)自重+0.9×1.4×(主平臺荷載+7 級風(fēng)荷載)

（2）工況二：爬升狀態(tài)

荷載效應(yīng)組合為：1.35×結(jié)構(gòu)自重+0.9×1.4×(主平臺荷載+7 級風(fēng)荷載)

（3）工況三：停工狀態(tài)

荷載效應(yīng)組合為：1.35×結(jié)構(gòu)自重+1.4×9 級風(fēng)荷載

3 液壓自爬升模板系統(tǒng)空間有限元分析

3.1 液壓自爬升模板系統(tǒng)有限元模型

基于通用有限元分析軟件midas Civil 2015 對液壓自爬升模板系統(tǒng)進(jìn)行建模，計算模型如圖3 所示。液壓自爬升模板系統(tǒng)進(jìn)行建模時，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受荷載分配如下：

圖3 液壓自爬升模板系統(tǒng)有限元計算模型

（1）對于自爬升模板系統(tǒng)的邊界條件，工況一、工況三的豎向力由預(yù)埋件承擔(dān)，水平力由預(yù)埋件和下架體滑輪承擔(dān)；

（2）工況二的豎向力由無縫鋼管導(dǎo)軌承擔(dān)(模擬為僅受豎向力的一般支承)；

（3）水平力由圍圈桁架上的精軋螺紋鋼拉桿和下架體滑輪承擔(dān)（模擬為僅受水平力一般支承）。

3.2 液壓自爬升模板系統(tǒng)有限元計算

將上述計算得到的液壓自爬升模板系統(tǒng)荷載加載至有限元模型，進(jìn)行受力分析計算。

以工況1（施工狀態(tài)）為例，如圖4(a)所示，該工況下的支座豎向最大反力為73.2 kN，水平最大反力為24.5 kN。最大組合應(yīng)力結(jié)果如圖4(b)所示，所有桿件最大拉應(yīng)力為61.2 N/mm2，最大壓應(yīng)力為46.7 N/mm2，均小于強度設(shè)計值[f]=205 N/mm2，并且最大壓應(yīng)力小于各桿件臨界應(yīng)力，因此滿足要求。如圖4(c)所示，該工況下最大豎向變形為3 mm，出現(xiàn)在圍圈桁架，最大橫向變形為6 mm，滿足規(guī)范要求。三個計算工況的結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表1 液壓自爬升模板系統(tǒng)工況計算結(jié)果

圖4 工況1 計算結(jié)果

表1 計算分析結(jié)果表明，高墩液壓自爬升模板系統(tǒng)的強度、剛度均滿足規(guī)范要求。但要求施工單位在6 級以上大風(fēng)時應(yīng)停止作業(yè)，并對高墩液壓自爬升模板系統(tǒng)的重點部位進(jìn)行錨固處理，加強墩柱結(jié)構(gòu)四周爬模之間連接的牢固性，增強整體的穩(wěn)定性和牢固程度。

4 結(jié)語

以某高墩橋梁項目主墩施工為工程背景，對液壓自爬升模板系統(tǒng)的施工工況、爬升工況和停工工況分別進(jìn)行了相關(guān)驗算。

在考慮爬升模板系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自重、施工荷載、風(fēng)荷載等荷載工況的基礎(chǔ)上，采用通用有限元分析軟件midas Civil 2015，對爬升系統(tǒng)進(jìn)行荷載分析，發(fā)現(xiàn)液壓爬模在以上工況下均能滿足規(guī)范要求。施工單位在6 級以上大風(fēng)時應(yīng)停止作業(yè)，并加強重點部位的錨固，加強墩柱四周爬模的連接，增強其整體性。