山區(qū)高速橋梁高墩爬模施工穩(wěn)定性驗(yàn)算及監(jiān)控要點(diǎn)分析

■何嶸庭

（福建省高速路橋工程有限公司，廈門(mén) 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(chē)?yán)锍?，拉近距離，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)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(diào)控、施工誤差小、模板標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到較多運(yùn)用[1]。 由于高墩橋梁通常采用高強(qiáng)材料和薄壁結(jié)構(gòu)，因而在對(duì)其受力性能研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并在施工期內(nèi)對(duì)其監(jiān)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(qū)某高速公路新建工程，由于地形的限制，需要在一個(gè)U 型河谷建造一座高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁。 該橋設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)采用（88+2×160+88）m PC 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面單箱單室連續(xù)剛構(gòu)梁橋。 為考慮到現(xiàn)場(chǎng)地形以及施工工期，設(shè)計(jì)墩柱結(jié)構(gòu)采用液壓爬模工藝進(jìn)行施工。 大橋橋型布置見(jiàn)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(chǔ)及承臺(tái)的施工后進(jìn)行，采用爬模的工藝。 墩身分為21 節(jié)施工，墩身總體施工流程見(jiàn)圖2。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)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(nèi)側(cè)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(jì)布置6 榀爬模機(jī)位，爬模架體爬升軌跡見(jiàn)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(wěn)定性分析

根據(jù)施工方案， 爬模由預(yù)埋件、 附墻裝置、導(dǎo)軌、支架、模板及液壓動(dòng)力裝置（爬升裝置、外組合模板、移動(dòng)模板支架、上爬架、下吊架、內(nèi)模板及電器、液壓控制系統(tǒng)等部分）組成，穩(wěn)定性分析主要是對(duì)爬架結(jié)構(gòu)、支座、預(yù)埋件及重要構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)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(wěn)定性分析施工工況及荷載取值

風(fēng)荷載的取值，是本工程結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性分析中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 由于大橋橫跨山谷，山谷橫風(fēng)是主要的風(fēng)荷載來(lái)源。 橫橋向風(fēng)荷載假定水平地垂直作用于橋梁各結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積的形心上。 風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值按照規(guī)范[4]中公式計(jì)算：

Wk,n為施工或爬升時(shí)n級(jí)風(fēng)力所對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 （kN/m2）；Wk,p為停工時(shí)p級(jí)風(fēng)力所對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；W0,n、W0,p為施工、爬升或停工時(shí)n級(jí)風(fēng)力所對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)壓（kN/m2），按《液壓爬升模板工程技術(shù)規(guī)范》[5]基準(zhǔn)風(fēng)壓W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算： 按8級(jí)風(fēng)取值W0=0.268 kN/m2、10級(jí)風(fēng)取值W0=0.504 kN/m2； βg,z為高度z處的陣風(fēng)系數(shù)，按照規(guī)范[3]βg,z=1.46； μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，按照規(guī)范[3]μs=0.8；μz為風(fēng)壓高速變化系數(shù)，按高度85 m取值， μz=2.18。

施工或爬升時(shí)8級(jí)風(fēng)力對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載最大標(biāo)準(zhǔn)值為：

停工時(shí)10級(jí)風(fēng)力所對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載最大標(biāo)準(zhǔn)值為：

經(jīng)查詢(xún)工程所在地位置，根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004） 計(jì)算橋墩爬架實(shí)際最大風(fēng)荷載，根據(jù)公式：

式中：ρ—空氣密度；Vg—陣風(fēng)風(fēng)速；CH—橋梁各構(gòu)件的阻力系數(shù)；An—橋梁各構(gòu)件順風(fēng)向投影面積（m2）；

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)H=0.98 kN/m2＜Wk,p，按照停工時(shí)10 級(jí)風(fēng)力所對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載進(jìn)行有限元計(jì)算。

2.2 有限元分析計(jì)算及結(jié)果

利用MIDAS CIVIL 有限元軟件模擬計(jì)算，建立計(jì)算模型并對(duì)模型施加正風(fēng)向荷載內(nèi)力見(jiàn)圖4。 不同工況下最大軸力、彎矩、剪力見(jiàn)表2。

表2 不同工況下重要桿件驗(yàn)算結(jié)果

圖4 模型中風(fēng)荷載施加內(nèi)力圖

模型計(jì)算結(jié)果，主要驗(yàn)算的對(duì)象包括：①桿件的最大軸力、彎矩、剪力進(jìn)行分析；②對(duì)受壓桿件進(jìn)行的失穩(wěn)驗(yàn)算；③桿件進(jìn)行材料強(qiáng)度驗(yàn)算；④支座反力計(jì)算；⑤埋件及重要構(gòu)件的計(jì)算。 經(jīng)計(jì)算，本工程中設(shè)計(jì)的爬架滿(mǎn)足施工安全、穩(wěn)定性要求。

3 施工期監(jiān)控

3.1 施工監(jiān)控的必要性

連續(xù)剛構(gòu)橋高墩在實(shí)際施工過(guò)程中，由于施工條件的變化、計(jì)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(shí)荷載等因素，將使結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況偏離設(shè)計(jì)考慮的理論狀態(tài)。 因此，需要在施工過(guò)程中需要采取嚴(yán)格的施工監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)控內(nèi)容及要點(diǎn)分析

高墩剛構(gòu)橋施工監(jiān)控主要內(nèi)容包括：施工過(guò)程中的線形、應(yīng)力、溫度、混凝土彈模、容重及收縮徐變系數(shù)等。

3.2.1 高墩施工監(jiān)控要點(diǎn)

本工程橋墩采用爬模施工工藝，監(jiān)控應(yīng)考慮主要力學(xué)特性，關(guān)鍵內(nèi)容如下：一是對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)控，包括施工現(xiàn)場(chǎng)位置風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)壓、溫度等；二是已成型整體結(jié)構(gòu)性能的監(jiān)控，包括橋梁高墩結(jié)構(gòu)各控制部位的應(yīng)力、位移狀態(tài)和動(dòng)力特性； 三是對(duì)臨時(shí)施工荷載下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)監(jiān)測(cè)。 利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋于施工方案的選擇及技術(shù)方案的調(diào)整，同時(shí)擬將實(shí)際觀察結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，及時(shí)評(píng)價(jià)施工現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的安全性。

圖5 墩柱爬模施工現(xiàn)場(chǎng)

3.2.2 液壓爬模架體監(jiān)控要點(diǎn)

在施工過(guò)程中，液壓爬模架體的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控也是一項(xiàng)重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2.3 環(huán)境因素監(jiān)控

環(huán)境因素主要包括施工現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度，是否出現(xiàn)大風(fēng)、大霧、雷電、臺(tái)風(fēng)等異常天氣對(duì)施工安全帶來(lái)的不利影響。 現(xiàn)場(chǎng)可采用“物聯(lián)網(wǎng)+建設(shè)”的智慧施工管理系統(tǒng)，系統(tǒng)中全天候監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的施工情況。 爬模施工是一項(xiàng)整體性比較強(qiáng)，工序比較復(fù)雜，各分項(xiàng)配合要求高的施工項(xiàng)目，做好項(xiàng)目環(huán)境因素的監(jiān)控，能夠有效提升項(xiàng)目的安全性。

此外，對(duì)高墩的施工監(jiān)控還可以延伸至上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中高墩的受力性能及變形情況。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用液壓爬模技術(shù)對(duì)高墩進(jìn)行施工，爬架承受著施工過(guò)程中主要的荷載以及外界環(huán)境的荷載，施工前應(yīng)充分考慮各方面因素的影響，對(duì)液壓爬架進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算；（2）施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)施工情況無(wú)法準(zhǔn)確控制，需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)最不利桿件的強(qiáng)度以及爬架整體的剛度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證結(jié)構(gòu)的安全性；（3）山區(qū)高墩施工過(guò)程中需要充分考慮風(fēng)荷載的影響，特別是沿海山區(qū)臺(tái)風(fēng)的影響不可忽視， 保障惡劣天氣下施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性；（4）通過(guò)有限元計(jì)算指導(dǎo)施工監(jiān)控要點(diǎn)，能夠把握針對(duì)性結(jié)構(gòu)重點(diǎn)，節(jié)約監(jiān)控成本，實(shí)時(shí)在線的了解施工結(jié)構(gòu)的安全工作狀態(tài)。