明月峽長(zhǎng)江大橋雙肢花瓶型超高索塔液壓自爬模施工安全性分析＊

張啟軍

（中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

伴隨著中國(guó)各項(xiàng)基礎(chǔ)建設(shè)蓬勃發(fā)展，一些重要的工裝設(shè)備也迅速創(chuàng)新應(yīng)用，其中液壓爬模裝置在高大橋梁墩塔和高大建筑物方面的重要地位日益突出。中國(guó)的液壓爬模施工工藝經(jīng)過(guò)近20年的不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，歷經(jīng)了多種爬升體系的變遷。目前主要采用液壓油缸作為爬升動(dòng)力，全防護(hù)或半防護(hù)為主要形式，操作方便，爬升速度快，安全系數(shù)高，是高聳建筑物施工時(shí)的首選模板體系[1]。但往往液壓爬模系統(tǒng)的使用意味著施工過(guò)程極具風(fēng)險(xiǎn)，高空作業(yè)、上下交叉作業(yè)、高空墜物、機(jī)械傷害等風(fēng)險(xiǎn)管控難度相應(yīng)增加。

本文以重慶東環(huán)鐵路明月峽長(zhǎng)江大橋工程施工為依托，將最不利工況和最薄弱部位疊加分析，確保超高索塔液壓自爬模系統(tǒng)施工安全。

1 項(xiàng)目概況

明月峽長(zhǎng)江大橋索塔為雙肢花瓶型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩索塔高度分別為189.5 m與203 m，如圖1所示。

圖1 明月峽長(zhǎng)江大橋全貌

塔身為空心矩形截面，塔頂順橋向?qū)挾?.5 m，壁厚1.8 m，橫橋向?qū)挾?.5 m，壁厚1.2 m。縱向自中塔柱按65∶1放坡，橫向按7.2∶1橫向分離。中塔柱壁厚1.2 m，下塔柱壁厚順橋向1.6 m，橫橋向1.5 m，截面如圖2、圖3所示。塔柱施工采用液壓爬模技術(shù)，每個(gè)主塔各采用2套爬模設(shè)備。

圖2 結(jié)構(gòu)立面圖（單位：m）

圖3 結(jié)構(gòu)平面圖（單位：cm）

2 液壓自爬模系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

液壓自爬模系統(tǒng)由模板系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、預(yù)埋件系統(tǒng)和爬架系統(tǒng)組成[2]，爬模總體如圖4所示。

圖4 液壓自爬模系統(tǒng)

2.2 工作原理

自爬模系統(tǒng)由液壓缸交替升降到導(dǎo)軌和爬架上實(shí)現(xiàn)爬模，導(dǎo)軌和爬架之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。液壓自爬模的動(dòng)力來(lái)源是本身自帶的液壓頂升系統(tǒng)，液壓頂升系統(tǒng)包括液壓油缸和上下?lián)Q向盒，換向盒可控制提升導(dǎo)軌或提升架體，通過(guò)液壓系統(tǒng)可使模板架體與導(dǎo)軌間形成互爬，從而使液壓自爬模穩(wěn)步向上爬升，液壓自爬模在施工過(guò)程中無(wú)需其他起重設(shè)備。

3 安全性分析

針對(duì)本工程涉及的液壓爬模系統(tǒng)安全性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，主要通過(guò)有限元分析軟件及設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)風(fēng)力作用下的爬模整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)施工階段下模板、爬架等重要構(gòu)件和埋件分別進(jìn)行驗(yàn)算分析，為現(xiàn)場(chǎng)安全施工控制提供指導(dǎo)。

3.1 整體模型建立

爬模架體采用midas Gen建立的有限元模型，如圖5所示。整體結(jié)構(gòu)共計(jì)292個(gè)節(jié)點(diǎn)，400個(gè)單元，16種截面類(lèi)型，結(jié)構(gòu)構(gòu)件等選用一般梁?jiǎn)卧M。

圖5 架體整體模型

3.2 風(fēng)力作用下的爬模整體穩(wěn)定性

根據(jù)相關(guān)要求，6級(jí)以上大風(fēng)情況下不允許爬模作業(yè)，但仍需對(duì)架體自身安全狀態(tài)進(jìn)行分析。結(jié)合工程當(dāng)?shù)貧庀笄闆r，年平均風(fēng)速為1.12 m/s，最大風(fēng)力一般在8級(jí)。故按照風(fēng)力等級(jí)，對(duì)8級(jí)和9級(jí)風(fēng)作用下處于停工狀態(tài)的爬模分別進(jìn)行驗(yàn)算。針對(duì)本工程爬模整體受力分析而言，上架體受到風(fēng)荷載水平作用響應(yīng)較為顯著，架體上平臺(tái)立柱頂部為變形最明顯部位。架體整體實(shí)景如圖6所示。

圖6 架體整體實(shí)景

風(fēng)力為8級(jí)時(shí)，該部位應(yīng)力在規(guī)范允許范圍內(nèi)，如圖7所示。本工況下的最大組合應(yīng)力為189.33 MPa，最大組合壓應(yīng)力為﹣159.65 MPa，均小于Q235級(jí)鋼材的拉壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖7 架體應(yīng)力（8級(jí)風(fēng)）

風(fēng)力為9級(jí)時(shí)，該部位變形超過(guò)規(guī)范允許范圍，如圖8所示。

圖8 架體變形（9級(jí)風(fēng)拉結(jié)前）

對(duì)架體和索塔進(jìn)行拉結(jié)方可滿足規(guī)范要求，如圖9所示。架體上平臺(tái)立柱頂端最大變形為34.06 mm，大于規(guī)范容許變形值21.0 mm。

圖9 架體變形（9級(jí)風(fēng)拉結(jié)后）

在對(duì)索塔和架體進(jìn)行相應(yīng)的拉結(jié)后，該部位的最大變形為13.59 mm，滿足規(guī)范要求。

3.3 模板系統(tǒng)驗(yàn)算

作用在模板之上的荷載分為模板自重荷載及新澆混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力。本部分重點(diǎn)介紹側(cè)壓力計(jì)算，如圖10所示。

圖10 新澆筑混凝土側(cè)壓力（單位：mm）

新澆混凝土對(duì)模板側(cè)壓力計(jì)算：

式（1）中：γc為混凝土重力密度，取25 kN/m3；t0為新澆混凝土初凝時(shí)間，可按實(shí)測(cè)確定，取10 h；β為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，坍落度為130～180 mm，取1.0；V為混凝土的澆筑速度，取1.0 m/h。

式（2）中：H為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，取6.0 m。

荷載標(biāo)準(zhǔn)值：F=F1+F3=72.24 kN/m2。F為新澆筑混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力。

考慮傾倒混凝土產(chǎn)生的水平載荷標(biāo)準(zhǔn)值為4 kN/m2，分別取荷載分項(xiàng)系數(shù)1.2和1.4，則作用于模板的總荷載設(shè)計(jì)值為q=1.2×72.24+1.4×4=92.3 kN/m2。

在模板荷載作用下對(duì)面板、木工字梁及橫向背楞的強(qiáng)度和撓度分別進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足要求。

3.4 爬架系統(tǒng)驗(yàn)算

外側(cè)爬架由上架體、三腳架、下掛架體、導(dǎo)軌、埋件、附墻裝置及液壓動(dòng)力裝置組成。計(jì)算時(shí)按照爬模最大跨度和截面計(jì)算。支架體系作為液壓自爬模系統(tǒng)主要承力系統(tǒng)用SAP2000有限元分析軟件對(duì)爬模上、下架體進(jìn)行驗(yàn)算，用Midas對(duì)導(dǎo)軌、掛座及埋件等關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。

3.4.1 上、下架體驗(yàn)算

架體驗(yàn)算應(yīng)考慮施工狀態(tài)下荷載效應(yīng)組合，根據(jù)JGJ 195—2010《液壓爬升模板工程技術(shù)規(guī)程》[3]要求。架體平面布置圖如圖11所示。

圖11 架體平面布置圖（單位：mm）

根據(jù)爬模系統(tǒng)各平臺(tái)施工荷載、爬模自重及風(fēng)荷載（分級(jí)）組合效應(yīng)對(duì)平臺(tái)桁架進(jìn)行計(jì)算。值得一提的是，應(yīng)注意因荷載組合工況不同，上、下架體應(yīng)分別驗(yàn)算，并且在上架體驗(yàn)算后，應(yīng)將節(jié)點(diǎn)最不利荷載施加于下架體。上架體最大軸力66.3 kN，剪力17.7 kN，彎矩8.7 kN·m；下架體最大軸力81.2 kN，剪力0.52 kN，彎矩4.12 kN·m，均滿足規(guī)范要求。

3.4.2 重要構(gòu)件驗(yàn)算

3.4.2.1 導(dǎo)軌

導(dǎo)軌本身在架體爬升階段受力較大，而導(dǎo)軌的剛度大小會(huì)對(duì)架體的爬升產(chǎn)生直接影響且當(dāng)架體爬升至節(jié)段中間位置時(shí)導(dǎo)軌受力和變形最大。導(dǎo)軌應(yīng)力圖如圖12所示，經(jīng)過(guò)模型分析計(jì)算可以得到，導(dǎo)軌的最大拉應(yīng)力值為147.94 MPa，圧應(yīng)力值為﹣0.04 MPa，均小于其所用Q345級(jí)鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值310 MPa。

圖12 導(dǎo)軌應(yīng)力圖

導(dǎo)軌變形圖如圖13所示，在剛度計(jì)算中，導(dǎo)軌底部的最大變形為6.33 mm，中部最大變形為2.89 mm，能夠滿足規(guī)范要求。

圖13 導(dǎo)軌變形圖

綜上，在施工工況下架體所受應(yīng)力和變形值均較大，但能夠滿足承載力和正常使用要求，停工工況下的應(yīng)力和變形則相對(duì)較小；爬升工況下架體的應(yīng)力大小介于二者之間，且導(dǎo)軌自身受力較大，但仍能滿足正常使用要求。

3.4.2.2 掛座及埋件

在工程的實(shí)際施工過(guò)程中，架體是通過(guò)掛座和預(yù)埋件系統(tǒng)附著在已澆筑成型的結(jié)構(gòu)上。因此，掛座和埋件系統(tǒng)是荷載效應(yīng)組合集中傳遞的最后部件，承受了主要的荷載作用，其強(qiáng)度關(guān)系到整個(gè)爬模裝置的施工安全。因?qū)ζ溥M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)存在各種制約條件，于是在上述對(duì)架體結(jié)構(gòu)初步計(jì)算的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)支承處的反力作用于掛座和埋件的整體模型，可以得到如圖14所示的模型分析結(jié)果。

掛座及埋件在停工、爬升和施工各階段受力狀態(tài)與導(dǎo)軌相似，均滿足要求。

圖14 掛座及埋件應(yīng)力云圖

4 結(jié)語(yǔ)

明月峽長(zhǎng)江大橋雙肢花瓶型超高索塔液壓自爬模施工，通過(guò)對(duì)風(fēng)力作用下的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析、施工狀態(tài)下各部件受力分析，明確最不利工況和最薄弱部位，確保液壓自爬模自身各工況條件下安全可靠。同時(shí)，在使用過(guò)程中，嚴(yán)格按照規(guī)程操作和加強(qiáng)過(guò)程隱患排查治理，總體確保了施工安全可控。

本文重點(diǎn)從爬模設(shè)計(jì)檢算進(jìn)行了闡述，其分析思路對(duì)類(lèi)似工程具有一定指導(dǎo)意義。類(lèi)似工程施工時(shí)還需充分考慮不同施工因素，并強(qiáng)化使用過(guò)程的管控，確保超高建筑液壓自爬模施工安全。