某大橋5號墩主塔施工中液壓自爬模計算分析

何 浩，余天慶，寇 越

（1湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068；2中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西 西安710000）

1 工程概況

某長江大橋5＃墩是全橋三個主塔墩中江南側的邊墩，其基礎處于南岸大堤前灘地坡腳上，按施工前地貌承臺一面臨水、一面被大堤前探底護坡掩埋.5＃墩塔柱為花瓶形鉆石構造，塔高209m，主塔順橋向寬7～8.8m.下塔柱高29.0m，中塔柱高106.241m，上塔柱高59.848m，均采用單箱單室截面，下橫梁高10.911m，橫橋向長48m，順橋向寬7 m，采用單箱單室截面，頂、底板厚度為0.8m，腹板厚度為0.8m，橫梁頂面留有1個進人孔，頂面布置有支座墊石及阻尼裝置的固定墊塊.由于本工程場地復雜，運輸困難，施工影響因素大，為了趕在汛期之前完成工期，決定采用液壓自爬模施工方案.

2 液壓自爬模的原理及特點

液壓自爬模系統主要是由兩個部分組成（圖1）：1）模板系統.由模板、上平臺、圍護欄、外爬架和支撐桿件一系列組成；2）液壓裝置.主要由液壓操作平臺和液壓缸組成.其中外爬架、上平臺、導軌、預埋件和高強螺栓是主要的可靠度受力計算分析對象.液壓自爬模是鋼筋混凝土豎向結構施工的一項先進技術，它是通過固定在建筑結構的基礎上進行裝設設定高度的模板，然后再進行鋼筋的綁扎和混凝土的澆筑工作，當混凝土到達強度后，利用千斤頂對模板系統進行提升或者頂升，如此反復循環而完成整個建筑結構的施工.液壓自爬模有如下幾個優點［1］：1）施工的機械化程度比較高，整個施工過程只需要一次模板組裝，整個施工過程實現機械化操作，施工條件好，澆筑混凝土方便；2）適應能力強，可以根據橋墩的型式，設計適合的支架和模板；3）操作方便，可以事先在操作平臺上組裝，對工人的素質要求不高，保證了工程質量；4）模板采用大面積鋼模，整體性良好，澆筑出來的混凝土表面平整，外表美觀.

圖1 液壓自爬模結構圖

3 液壓自爬模計算分析

3.1 計算參數及荷載分布

自爬模的工作平臺最大允許承載為1.5kN／m2；爬升裝置工作平臺最大允許承載為0.75kN／m2；模板后移操作及拆卸爬錐修補平臺最大允許承載為0.75kN／m2；除與結構連接的關鍵部件外，其它鋼結構剪力設計值為FV＝125kN；拉力設計值為F＝215kN；爬模的每件液壓缸的推力為100kN（即10t）；自爬模爬升時，結構砼抗壓強度不低于15MPa.模板自重為0.65kN／m2［2］；下塔柱仰爬時架體受力最大，下塔仰爬架體布置見圖2（共4個機位）.

圖2 下塔仰爬架體布置圖

由布置圖可知單個機位系統承擔最寬為2.65 m，包含平臺橫梁、跳板、液壓設備及工具等.其中木腳手板重量為861kg；橫梁重量為897kg；橫向連接鋼管及扣件為526kg，合計總重為22.84kN，作用在主平臺橫梁上，主橫梁長2 500mm，故線荷載為9.136kN／m［3］.仰爬時墩身傾角為9°，混凝土有部分分力由架體承擔（圖3）.混凝土倒三角處仍然還有方向指向F的側傾分力存在.

圖3 混凝土分力簡圖

則

混凝土自重分到后移架體上的均布荷載為

混凝土自重分力板作用在主背楞上的線荷載為

3.2 架體受力分析

用計算軟件SAP2000對架體進行受力分析，按以上計算參數取值，通過計算、設置節點（圖4）.

圖4 支架節點矩圖

各主要桿件的軸力、彎矩、剪力最大值見表1.

表1 主要桿件軸力、彎矩、剪力值

因受拉桿件遠遠滿足要求，只需對受壓桿件進行失穩驗算，分析結果見表2.

表2 受壓桿失穩驗算分析表

各桿件軸向應力均小于強度設計值f＝215 N／mm2，故滿足要求.

3.3 單個埋件的抗拔力計算

F＝A（τssinα＋δscosα）＝0.1fc（0.9h2＋bh）＝177.73kN＞150kN，其中fc為混凝土抗壓強度設計值（15N／mm2）；h為破壞錐體高度（通常與錨固深度相同）（400mm）；b為錨板邊長（80mm）［4］.

圖6 螺栓拔出破壞圖

3.4 錨板處砼的局部受壓抗壓力計算

FL#1.35βCβLfcALn，ALn為砼的局部受壓凈面積（80×80mm2）；fc為砼軸心抗壓強度設計值（15 N／mm2）；βc為砼強度影響系數（查值為0.94）；βL為砼局部受壓時的強度提高系數（2）［4］；最后算得FL＝1.35×0.94×2×15×6 400kN＝243.65kN＞150kN，所以滿足承載力要求.

3.5 受力螺栓的抗剪力和抗拉力的計算

可知單個機位是雙埋件，所以單個埋件的剪力設計值FV＝50kN，且拉力設計值為F＝75kN；螺栓抗壓強度值、抗拉強度值、抗彎強度值查規范可以得知，其抗拉強度值f＝640N／mm2，其抗剪強度fv＝320kN／mm2［4］.

抗剪驗算：

故滿足要求.

抗拉驗算：

故滿足要求.

符合要求.

3.6 承重插銷的抗剪力計算

承重插銷如圖6，其承重銷的設計承載為200 kN.根據設計圖紙可得承重銷的截面尺寸是：

可查五金手冊鋼Q235的抗拉屈服強度是215N／mm2，可以推出其抗剪強度［3］

由于有兩剪面，可以算出插銷承載力是

可以得到承重插銷可以滿足設計要求.

圖6 插銷立面圖

4 結論

液壓自爬模已經在武漢二七長江大橋5＃墩主塔施工中得到了成功的應用，計算液壓自爬模的內力過程中，使用軟件SAP2000計算得出模板系統在施工過程中加載作用下的內力狀態，通過經驗公式驗算得出在5＃墩混凝土澆筑過程中模版系統是安全的，同時在實際施工實踐中模板系統零安全事故就是對驗算的正確性最好的證明.此計算方法經驗有足夠的精度在日后同類型的爬模計算設計中具有良好的參考使用價值.

［1］崔凌岳.谷拉河大橋墩液壓自爬模施工受力分析［J］.華東交通大學學報，2007，24：13－15.

［2］中國建筑科學研究院.建筑結構荷載規范［M］.北京：中國建筑工業出版社，2001.

［3］中華人民共和國建設部.混凝土結構設計規范［M］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［4］江正榮.建筑施工計算手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2007.