新型液壓自爬模在山區高墩施工中的創新應用及安全性分析

薛茂盛

漳州通平漳武高速公路有限公司,福建 漳州 363000

1 引言

福建省土地面積的90%為山地、丘陵地貌，受地形地貌影響，高墩橋梁在福建省西部山區高速公路工程中廣泛應用。液壓自爬模施工工藝憑借其結構簡單、安裝簡易、操作方便、爬升速度快、施工周期短、安全性能高、墩身垂直度和平整度易調控、施工誤差小等優點，在實際工程中得到較多運用。近年來發展起來的液壓自爬模施工工藝，可以在確保現場施工安全和質量的情況下，提高高空結構物模板工序施工的工效，減少項目施工成本［1］。

2 施工方案比選

以某項目某橋最高墩10#墩（85.705m）為例，按每節砼澆筑高度均為4.5m 的單套模板同等條件進行計算，新型液壓自爬模綜合費用約64 萬元，而常規傳統翻模綜合費用約51 萬元。經方案綜合比選，雖然液壓自爬模較翻模費用高13 萬元，但是從安全性能、施工效率、質量管控難易程度、作業自動化程度、文明施工等方面而言，新型液壓自爬模法優于常規傳統翻模法：①采用液壓自爬模法施工機械化程度較高，除首次裝模外，模板安拆均不占用塔吊，能有效的提高塔吊的使用效率用于其他作業；②液壓自爬模安拆簡易、爬升速度快、施工周期短、安全程度高，新型液壓自爬模法工期100d，常規傳統翻模法工期155d。③液壓自爬模選用進口WISA 板組裝成大塊整體模板，整體性良好，測量放樣及線形調整速度快，混凝土表面光潔、平整、美觀，脫模后可直接在作業平臺上進行模板打磨，操作方便，對作業人員的素質要求不高，保證了工程質量。④液壓自爬模整體和分部位的抗風能力都較強，作業平臺穩定性更好。經綜合比選，本項目山區高墩采用新型液壓自爬模法進行施工。

3 工程概況

3.1 工程介紹

3.2 新型液壓自爬模的結構參數

經創新優化后的新型液壓自爬模結構主要由埋件系統、埋件掛座、爬升導軌、附墻支撐、結構框架體系、WISA 模板、液壓動力系統及臨邊安全防護等裝置組成，新型液壓自爬模結構立面圖見圖1。

主墩外模采用豎背楞為H20 木工字梁、橫背楞為雙12#槽鋼體系模板，面板采用進口18mm 維薩板；內模板采用可拆式組合鋼模板，面板厚6mm，背橫肋為10#槽鋼,每隔一定高度在墩身內腔預設型鋼作為支撐橫梁，上面可搭設碗扣腳手架作為內模裝拆和砼澆筑工作平臺。維薩板正常可以周轉40～80 次，架體采用HCB-80 型液壓自爬模。可以有效的保證工期，安全、高效的進行連續施工。①鋼筋安裝平臺，②模板操作平臺，③液壓操作平臺，④吊平臺。

圖1 液壓自爬模結構立面圖

3.3 架體系統基本參數

架體平臺①至④寬度詳見圖1，允許施工荷載分別為：3kN/m2、1.5kN/m2、1.5kN/m2、0.75kN/m2。架體總高：11.3m（不含導軌），液壓系統行程：265mm，伸縮速率：200mm/min，頂推力：額定80kN、最大100kN，泵站流量：40L/min，同步爬升誤差：≤20mm，爬升速度：6m/h，允許斜度：±16°，澆筑層高：4.5m，模板高度：4.65m（下包10cm，上挑5cm）。經力學計算，當墩身砼強度達20MPa即可承受該新型液壓自爬模全部設計荷載并進行爬升作業。

4 工作原理及流程

新型液壓自爬模處于工作狀態時通過液壓油缸對導軌和架體交替頂升來實現爬升，掛座固定在埋件爬錐上，導軌與掛座兩者之間無相對運動，待墩身砼達到拆模強度進行退模，在預埋的錨錐上安裝連接高強螺桿及錨靴，頂升導軌至目標高度后鎖定在掛座上，至吊平臺拆除外露的埋件及掛座系統。然后解除架體間的拉結，導軌固定不動，架體相對于導軌向上爬升，通過液壓千斤頂步進裝置來回的伸縮完成架體爬升。架體爬升流程：完成砼澆筑→等強拆模后移→安裝埋件及掛座→導軌爬升→架體爬升→鋼筋安裝→清潔模板、刷脫模劑→埋件固定于模板→合模加固→澆筑混凝土。

架體爬升機位布置：橫橋向外側每面2 榀，間距為4m；墩身內側只布置2 面上架體，由縱橋向兩側的承重下架體共同托起進行提升；縱橋向每面布置2 榀，間距為2.2m；小計單支墩布置6 榀爬模機位，雙支墩合計布置12 榀爬模機位。

5 液壓自爬模安全性分析

公路橋梁高墩施工階段穩定性影響因素來自溫度、風力、線性穩定和非線性穩定等多個方面因素［2］。本文結合實際工程案例，考慮施工風荷載和線荷載，通過MIDAS CIVIL 有限元軟件建模對爬架主要受力桿件進行應力與穩定性驗算，確保液壓自爬模結構施工安全。

5.1 施工風荷載計算

對于風荷載的取值，是本項目安全性分析中最重要的一個環節。

將三相逆變器等效模型通過坐標變換得到d-q軸下的等效受控源模型[14]，根據逆變電路等效關系求得逆變器-電機系統歸算到直流端等效的開環阻抗為：

風荷載按水平垂直作用于橋梁各部分迎風面積的形心上最不利情況考慮，基本風壓按照規范［3］A.0.4 表取最大值：8 級風取值W0.8=0.268kN/mw；按高度85m 取值，按規范［4］表8.2.1 取值μZ=2.18，表8.3.1 取值μs=0.8，表8.6.1 取值βgZ=1.46，根據規范［3］附錄A 公式：A.0.4-1 和A.0.4-2 求得：

Wk,n：施工或爬升時8 級風力所對應的風荷載標準值（kN/m2）。

5.2 施工荷載取值及分布分析

表1 施工荷載取值及分布分析表

備注1.上平臺周長26m，主平臺27m；

2.“/”下方數值為支撐平臺數。

根據上表分析對比可知，退模爬升狀態下整個爬架體系比合模施工狀態的受力小，僅對合模施工澆筑狀態下的最大受力桿件進行安全分析即可。

5.3 有限元計算結果及安全性驗算

經有限元建模計算表明，合模澆筑狀態時承重三腳架立桿（雙22#槽鋼）為最大受力桿件，針對該桿件進行力學分析：

表2 合模澆筑狀態承重三腳架立桿檢算

由表2 可知桿件軸力和長細比均小于設計容許值，穩定性滿足要求。

22#槽鋼截面面積為6360mm2，截面系數W=436000，槽鋼塑性發展系數取1.2，最大剪應力：τ=20.7×1000/6360=3.25（N/mm2）

最 大 彎 應 力：σ=M/1.2W=（11.4×1000000）/436000x1.2=21.79N/mm2)

承載力計算：［3（τ/125）2+（σ/215）2］1/2=0.11 ＜1，強度滿足要求。

6 施工注意事項及建議

（1）新型液壓自爬模法作為新工藝，施工前務必制定好爬架爬升前、爬升中和爬升后安全檢查驗收記錄表，主要內容有：驗收人，檢測項目，驗收內容，技術要求，檢查方法與工具，檢查結果，日期等，并嚴格落實。

（2）山區高墩建設過程中受施工條件、氣候環境、受力計算誤差、臨時荷載分布情況等因素影響，結構實際與設計狀態易發生偏離，因此，在施工過程中必須嚴格進行監控量測，利用監測數據及時反饋于現場安全管理并進行技術方案優化調整，同時將監測結果與有限元計算進行對比分析，以檢驗模型計算的準確性。

（3）要加強作業人員施工前的心里和身體健康體檢、技術培訓、安全交底、持證上崗，強化施工機具、人員通道、臨邊防護、特種設備等安全合規管理。

（4）施工過程建議采用“物聯網+建設”的智慧管理系統，全天候監測現場和環境情況，爬模施工是比較復雜的施工項目，做好項目環境因素的監控，能夠有效提升施工過程的安全性。

7 結語

本文介紹了某山區高速公路橋梁高墩的特點，對傳統翻模施工工藝和新型液壓自爬模施工工藝的選擇作了闡述比較，根據工程實際經創新后應用于施工，也對結構安全性進行分析，總結如下：

（1）新型液壓自爬模在本項目山區高速公路高墩施工中得到創新應用和性能提升，變得更加綠色環保，有效縮短工期和提高安全性，從而也節約了成本，對類似山區橋梁高墩施工具有很好的借鑒和指導意義。

（2）經創新改造后的新型液壓自爬模針對工程實際有效解決了雙支墩間系梁施工時對墩身內側模板正常爬升的阻礙和工序轉換困難等問題。

（3）山區高墩采用液壓自爬模施工需要充分考慮風荷載的影響，由于爬架承受著施工過程中的主要荷載以及外界環境的荷載，特別是沿海山區臺風的影響不可忽視，保障惡劣天氣下結構的安全性，施工前須對液壓爬架進行主要桿件受力計算和穩定性驗算。

（4）施工過程中，現場施工情況無法準確控制，需要根據有限元計算結果，把握影響結構安全的重點，對最不利桿件的強度以及爬架整體的剛度進行實時監測，確保爬模結構在使用過程中的安全。