橋梁高墩液壓頂升整體式鋼架平臺翻模設計與施工

劉文建，劉宇峰，陳 鳴

(中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510310)

0 引言

廣連高速公路總承包施工段有多座特大橋為全線重點控制性工程，其中紅旗特大橋主橋跨徑組合為75m+3×135m+75m，雙悅特大橋主橋跨徑組合為75m+135m+75m，大石田特大橋主橋跨徑組合為92m+170m×2+92m，紅石山特大橋主橋跨徑組合為65m+120m+65m。墩柱均采用空心薄壁墩結構，墩高68～99m。橋梁高墩施工常用的施工工藝主要有塔式起重機翻模、液壓滑模和液壓爬模，為了在施工工藝上尋找加快施工進度、降低安全風險的突破口，結合廣連高速公路項目橋梁結構特點和工期要求開展對國內現有高墩施工工藝調查研究與應用效能的綜合分析比較，采取優化組合和改造創新形式，開發出一套適合橋梁高墩施工的新工藝。

1 國內現有橋梁高墩施工工藝調查

1.1 塔式起重機翻模結構與工藝特點

塔式起重機翻模由大模板、托架平臺和對拉螺桿組成。模板拆除、翻升安裝主要依靠塔式起重機配合吊裝作業。翻模模板一般分為2～3節，節段高2～2.25m。擬新澆筑混凝土的上層模板與已澆筑混凝土的下層模板作為定位和支承基礎，下層模板通過對拉螺桿及模板面與墩身混凝土間的摩擦力、黏聚力支附于墩身。施工作業平臺是懸掛在模板背楞上的懸挑托架。模板拆卸、翻升在塔式起重機和手拉葫蘆的配合下進行。翻模每次混凝土澆筑高度為4～4.5m，每個循環一般4～5d，平均施工速度約為1m/d。由于施工平臺與模板為一體，兩者需同時裝拆，所以模板拆卸、翻升時，作業人員立足困難，施工條件差，導致工效低。最主要的問題在于設置安全防護設施困難，施工安全保障難度大。

1.2 液壓滑模結構與工藝特點

液壓滑模主要由圍圈桁架、吊架平臺、模板、提升架、支撐桿、千斤頂和液壓控制柜等組成。其最大特點是無須頻繁拆裝模板，模板始終與墩身已澆筑混凝土保持接觸。支架提升時，模板隨著圍圈桁架通過提升架在千斤頂的帶動下緊貼墩身混凝土在互相摩擦情況下向上滑行。而千斤頂則是沿著埋置在已澆筑混凝土中的支撐桿爬升或鎖定，所以圍圈桁架從地面提升到墩頂的全過程無支點轉換問題，模板可邊澆筑混凝土邊滑升，所以效率較高?；Ｊ┕せ炷翝仓钠骄俣纫话銥?.3～0.5m/h，施工速度可達3～5m/d，是施工進度最快的一種橋梁高墩施工工藝。但由于混凝土脫模的最佳時間不易掌握，模板滑升時剛脫模的混凝土接近初凝狀態，強度僅為0.2～0.4MPa，模板與混凝土表面存在的滑動摩擦易造成混凝土表面拉裂形成細小裂紋及其他表面缺陷，需經過人工及時抹漿、修補、壓光才能使混凝土表面達到較平整效果，因此墩身外表修飾痕跡明顯、色澤差異大。

1.3 液壓爬模結構與工藝特點

液壓爬模由爬架體系和爬升系統組成。液壓爬模是以液壓千斤頂為動力，以墻體預埋件為支撐體，其特點是模板與爬架為一體，脫模時模板在爬架平臺上后仰平移。爬升時爬架在步進千斤頂的推動下沿著導軌爬升，到達下一個節段的預埋掛件支座進行支點轉換。液壓爬模功能齊全、安全可靠、對橋墩結構的適應性較強，混凝土外觀質量較好。但其模板多為鋼木組合結構，多次循環使用的木模板變形大、表面易損傷，一定程度上影響了混凝土外觀質量，而且其施工縫不像翻模上、下模板的法蘭連接處很平順，控制不好易出現錯臺。此外，液壓爬模每個循環的錨件預埋、掛座安裝、支架爬升到位后的支點轉換等工序精度要求都較高，才能保證爬升順利和支點可靠。每次混凝土澆筑高度可達4.5～6m，但每個循環也需4～6d，平均進度一般約1m/d。

2 液壓頂升整體式鋼架平臺翻模結構設計

2.1 液壓頂升整體式鋼架平臺翻模設計思路

傳統翻?；炷临|量好，弊端在于施工作業平臺和模板一體，模板需承受作業平臺荷載以致脫模等強時間長，模板裝拆作業條件惡劣，節段施工循環周期長，所以將作業平臺與模板分離，使模板不再作為施工平臺的承重結構，便能減少混凝土脫模的等強時間，縮短橋墩節段翻模施工周期；液壓滑模有與混凝土施工同步提升的爬升架作為作業平臺，施工效率高，但混凝土質量卻不能滿足質量要求。顯然，對這兩種工藝進行合理的工藝組合即液壓頂升整體式鋼架平臺翻模，能達到揚長避短效果。

液壓滑模的爬升支架結構形式和液壓爬升系統要適應翻模施工要求，需根據翻模工藝特點對其進行全新改造,以形成一套施工進度快、安全性能高、混凝土質量好的新型組合工藝。為翻模作業提供一個整體鋼架平臺和模板吊裝機構，使翻模作業從鋼筋綁扎、模板拆卸吊裝到混凝土澆筑等作業均在一個圍蔽完善的多層平臺內進行，從根本上改變高墩翻模施工作業環境險惡的狀況, 以消除施工人員的高空作業恐懼感，進而大幅度提高工作效率和施工質量。

2.2 液壓頂升整體式鋼架平臺翻模結構與功能

2.2.1鋼架平臺體系

液壓頂升整體式鋼架平臺翻模每次混凝土澆筑節段的高度取2～3m。鋼架平臺從下往上分為3個功能區：底層為拆模和墩身表面裝修區，中間層為已澆混凝土養護、等強區，上層為鋼筋綁扎、模板安裝和混凝土澆筑作業區。方框桁架及下吊架組成的鋼架總高度為澆筑節段高度的3倍即6～9m，而考慮通行和操作便利，方框桁架及下吊架每層高度一般取2.m左右。方框桁架需承受各操作平臺傳遞的包括鋼筋材料、機具設備和作業人員荷載，其結構強度、剛度要求較高，而下吊架的荷載主要為作業人員，結構相對輕便。為了便于模板的翻轉提升，鋼架平臺邊緣與墩身混凝土表面距離應大于2層模板重疊厚度(700mm左右)，而非模板提升作業時段可轉動活動翻板消除此空隙并可作為施工平臺。為了提高整個頂升鋼架平臺的抗風能力，吊架與模板間專門設置了裝拆可調的抗風(水平)和防墜(45°傾角)撐桿(見圖1)。

圖1 鋼架平臺翻模結構

2.2.2模板及模板提升系統

模板及模板提升系統由鋼模板、移動滑梁和電動葫蘆組成。模板采用傳統翻模的大模板，模板分為2層，每層高2～3m。拆裝模板時，橫梁上的電動葫蘆吊住底層模板進行脫模并提升到上層模板的頂面，然后進行模板表面清理并涂刷脫模劑后再與上層模板頂面法蘭對接安裝。液壓爬架翻模作業操作工藝如圖2所示。

2.2.3液壓頂升系統

液壓頂升系統包括頂升架、支撐桿、楔塊式千斤頂、位移計、液壓電磁閥、液壓泵、液壓油管和液壓控制臺。鋼架平臺、頂升架、穿心式千斤頂通過螺栓連接為一體。穿心式千斤頂通過楔塊夾片夾持在支撐桿上，將鋼架平臺的荷載傳遞到支撐桿上。由于穿心式千斤頂是順著支撐桿爬升，不存在液壓爬模每個循環的支點轉換問題?；炷翝仓瓿蛇_到一定強度后，鋼架平臺通過頂升架由穿心式千斤頂帶動沿支撐桿爬升1個施工節段的高度。

支撐桿和頂升千斤頂的選型與數量配置要根據荷載分布和結構受力情況確定。液壓頂升整體式鋼架平臺翻模采用φ76×6鋼管作為支撐桿，并配用YCW20T-100型楔塊式千斤頂。為防止偶然出現個別千斤頂楔塊夾片打滑導致結構受力不勻，在頂升架下橫梁底部增設1個防墜楔形塊夾持器(見圖3)，其作用還包括增加支撐桿的側向約束支點，提高支撐桿的穩定性。為提高頂升架的抗風能力和整體提升過程的穩定性，頂升架的外立桿延伸到下吊架底端，并在其底端設置了水平抗風滾輪撐桿。

2.2.4液壓千斤頂頂升的同步控制

千斤頂的頂升由液壓控制臺控制，液壓控制臺包括LTK2-32-10B型油泵、3位4通電磁換向閥、先導式溢流閥及2位4通換向閥、編程控制器(PLC)、顯示屏等。液壓頂升同步控制采取千斤頂每個爬升行程(80mm左右)的同步控制：液壓系統采用并聯油路，每臺爬升千斤頂都安裝有位移計，千斤頂爬升的位移量由位移計反饋到PLC進行比對，當爬升最快的千斤頂超過爬升最慢的千斤頂的位移量設定值，即通過電磁換向閥切斷超限千斤頂的供油，直至位移量均衡后再恢復其供油。為了提高千斤頂爬升效率，行程同步控制可將千斤頂每循環80mm的頂升行程分為前50mm粗調和后30mm精調2個調控精度不同的區間。

2.3 液壓頂升整體式鋼架平臺翻模施工工藝

承臺施工完畢后，先進行墩身、墩底截面輪廓線放樣，對墩身范圍內的混凝土進行鑿毛和沖洗，接長主筋，綁扎墩身第1節段箍筋，鋼架平臺和液壓頂升系統的結構安裝與墩身施工同步進行，其安裝步驟按由上往下的順序進行。

1)墩身底部實心段安裝外模板后接著安裝外方框桁架(需設鋼櫈臨時墊高)、頂升架、千斤頂、支撐桿和液壓控制系統(見圖4)。

圖4 墩身實心段模板與支架安裝

2)實心段混凝土澆筑完成后等強幾小時即可啟動液壓千斤頂帶動方框桁架爬升到適當高度，然后安裝變截面段的鋼筋和內外模板，并將余下幾層內吊架底板按順序疊放在墩身變截面段空腔內的鋼櫈上，再安裝內方框桁架。同時，可安裝外方框桁架下的-2層吊架(見圖5)。

圖5 變截面段模板與支架安裝

3)澆筑變截面段混凝土后等強幾小時鋼架再頂升2m，然后安裝-2層內吊架吊桿，并安裝-3層外吊架(見圖6)。

圖6 澆筑變截面段混凝土后等強鋼架頂升2m并安裝下一層吊架

4)隨著節段混凝土澆筑鋼架升高，逐層安完后續底層吊架，并安裝所有抗風、防墜支撐桿。安裝底部滾輪水平撐桿時應注意通過螺桿調整好滾輪與墩身表面的合理間隙(見圖7)。

圖7 隨著混凝土澆筑、鋼架升高逐層安裝完底層吊架

3 液壓頂升整體式鋼架平臺結構計算

液壓頂升整體式鋼架平臺翻模的鋼架平臺結構形式從外形來看和液壓滑模相似，但兩者的作業工況、荷載分布和結構受力狀態大不相同，尤其是鋼架平臺爬升過程的邊界條件差異甚大。

3.1 液壓頂升整體式鋼架平臺結構分析與穩定性驗算

液壓滑模的圍圈桁架與模板連為一體，而內、外模板則夾住墩身，因此液壓滑模的圍圈桁架具有與墩身緊貼的側向約束條件，圍圈與支撐桿組成的滑模系統和墩身幾乎渾然一體，整個圍圈桁架結構的穩定性可靠。滑模支撐桿的脫空長度較小，其邊界條件較接近底部剛接(計算長度考慮一定的埋深點)而頂部鉸接的狀態，計算方法也有相應技術規范的經驗公式可循。

液壓頂升整體式鋼架平臺翻模的鋼架與模板完全分離，整個高度達6～9m的爬升架爬升狀態唯一的支撐是支撐桿，無其他剛性側向約束，因此支撐桿的邊界條件較接近底部剛接而頂部自由的狀態。但支承爬升架的多根支撐桿是由千斤頂夾持并通過爬升架和圍圈桁架連接為一個整體，其邊界條件和底端剛接、頂部自由的單桿也不同。由于邊界條件不同，液壓頂升整體式鋼架平臺支承壓桿的壓桿穩定性驗算套用GB/T 50113—2019《滑動模板工程技術標準》和GB 50017—2017《鋼結構設計標準》的計算方法都不合適。合理的計算方法應當采取類似滿堂支撐架的壓桿計算長度計算公式的模式，經模型試驗，以試驗結果為基礎，通過數據歸納推導經驗公式才較符合實際。由于液壓頂升整體式鋼架平臺支撐桿的壓桿穩定性驗算方法目前還無相應的設計技術規范可循，而采用有限元分析軟件建立整體數值分析模型進行計算，卻可合理規避單桿驗算邊界條件設置困惑的問題，所以以下穩定性驗算采用數值模型進行分析。

3.2 液壓頂升整體式鋼架平臺翻模結構模型分析

3.2.1液壓頂升整體式鋼架平臺翻模作業的最不利工況分析

液壓頂升整體式鋼架平臺翻模施工過程主要有鋼筋綁扎、模板拆卸與提升、混凝土澆筑與鋼架平臺頂升。而鋼架平臺頂升作業雖荷載不是最大，但卻是風險最大的工況。這時鋼架與墩身模板間的所有支撐已拆除，側向約束只有提升架外立桿底端的滾輪水平撐。鋼架平臺由千斤頂通過頂升架帶動沿支撐桿爬升1個節間距離(2～3m)，這時支撐桿的最大脫空高度將達3.5～4.5m(見圖8)。

圖8 鋼架平臺爬升狀態1

3.2.2鋼架平臺數值模型分析

鋼架平臺上的荷載主要有爬升架自重及施工設備、機具、作業人員和鋼筋材料與風壓荷載(考慮山區突發陣風按8級風壓考慮)。荷載分項系數取恒載1.2、動載1.4。鋼架平臺模型由梁單元、桿單元和板單元組成，支撐桿底端采取剛接，外鋼架平臺底端的滾輪撐桿采用垂直于墩身外壁方向的只受壓節點支撐模擬。通過模型屈曲分析，確定鋼架平臺在上述荷載工況下的臨界荷載系數須>4(經驗值)。以下是空心薄壁墩2種不同結構形式的鋼架平臺的分析案例。

1)薄壁空心墩(無橫隔板)內、外鋼架連體式鋼架平臺的模型分析 紅旗大橋、雙悅嶺大橋的薄壁空心墩為無中隔板的結構形式，因不存在中隔板施工時內、外圍圈桁架需錯開分別提升的問題，所以采用內、外鋼架平臺通過頂升架連體共支撐桿的結構形式。此種結構形式桁架整體性較好，抗風能力稍強，混凝土澆筑節段高度設置為3m，整個爬架高度達9m。鋼架平臺爬升狀態如圖8所示，整體模型屈曲分析結果如圖9所示，其臨界荷載系數為5.2。

圖9 鋼架平臺模型屈曲分析結果

2)薄壁空心墩(有橫隔板)外鋼架平臺的模型分析 大石田大橋的薄壁空心墩設有3道中隔板，考慮了中隔板施工時內、外鋼架平臺需分別錯開提升問題，所以采用內、外鋼架平臺各自獨立的結構形式。此種結構形式外鋼架平臺的抗風能力相對較弱，混凝土澆筑節段高度設置為2m，整個爬架高度達6m。鋼架平臺爬升狀態如圖10所示，外爬架模型屈曲分析結果如圖11所示，其臨界荷載系數為6.9。

圖10 鋼架平臺爬升狀態2

圖11 外爬架模型屈曲分析結果

4 液壓頂升整體式鋼架平臺翻模效能分析

液壓頂升整體式鋼架平臺翻模工藝開發目的為加快高墩施工進度和降低安全風險。采用液壓頂升整體式鋼架平臺翻模工藝施工的多座橋梁橋墩都已順利封頂。該工藝特點為混凝土澆筑后等強僅幾個小時便可進行頂升作業，在資源配置充足的條件下實現每天1個節段的施工循環作業可行。如按每個節段高3m，則每天的施工進度可達3m。幾座橋施工的資源配置與施工進度情況如表1所示。

表1 液壓頂升整體式鋼架平臺翻模施工資源配置與工效

5 結語

橋梁高墩液壓頂升整體式鋼架平臺翻模施工技術是通過對國內現有成熟施工工藝進行調查研究和分析比較，并結合廣連高速公路橋梁高墩施工的實際需求開發出來的新工藝，它的開發和應用使橋梁高墩施工速度大幅度提高，且明顯改善了施工作業條件，圍蔽完善的內、外多層作業平臺消除了作業人員高空恐懼感，為高墩施工作業提供了有效的安全保障，也為監理和管理人員難以涉足的高墩施工現場檢查提供了極大便利，為加強工程質量管理創造了有利條件，得到施工單位、監理單位和業主的一致認可，較好地達到了預期目標。本工藝的成功應用加快了施工進度、提高了橋梁施工質量、改善了工作環境、保障了施工安全。