明月峽長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

（中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610000）

伴隨著中國各項基礎建設蓬勃發展，一些重要的工裝設備也迅速創新應用，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。中國的液壓爬模施工工藝經過近20年的不斷創新和改進，歷經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力，全防護或半防護為主要形式，操作方便，爬升速度快，安全系數高，是高聳建筑物施工時的首選模板體系[1]。但往往液壓爬模系統的使用意味著施工過程極具風險，高空作業、上下交叉作業、高空墜物、機械傷害等風險管控難度相應增加。

本文以重慶東環鐵路明月峽長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施工安全。

1 項目概況

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

圖1 明月峽長江大橋全貌

塔身為空心矩形截面，塔頂順橋向寬度8.5 m，壁厚1.8 m，橫橋向寬度5.5 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，每個主塔各采用2套爬模設備。

圖2 結構立面圖（單位：m）

圖3 結構平面圖（單位：cm）

2 液壓自爬模系統

2.1 系統組成

液壓自爬模系統由模板系統、液壓系統、預埋件系統和爬架系統組成[2]，爬模總體如圖4所示。

圖4 液壓自爬模系統

2.2 工作原理

自爬模系統由液壓缸交替升降到導軌和爬架上實現爬模，導軌和爬架之間產生相對運動。液壓自爬模的動力來源是本身自帶的液壓頂升系統，液壓頂升系統包括液壓油缸和上下換向盒，換向盒可控制提升導軌或提升架體，通過液壓系統可使模板架體與導軌間形成互爬，從而使液壓自爬模穩步向上爬升，液壓自爬模在施工過程中無需其他起重設備。

3 安全性分析

針對本工程涉及的液壓爬模系統安全性能進行結構驗算，主要通過有限元分析軟件及設計規范對風力作用下的爬模整體穩定性進行分析，對施工階段下模板、爬架等重要構件和埋件分別進行驗算分析，為現場安全施工控制提供指導。

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。整體結構共計292個節點，400個單元，16種截面類型，結構構件等選用一般梁單元模擬。

圖5 架體整體模型

3.2 風力作用下的爬模整體穩定性

根據相關要求，6級以上大風情況下不允許爬模作業，但仍需對架體自身安全狀態進行分析。結合工程當地氣象情況，年平均風速為1.12 m/s，最大風力一般在8級。故按照風力等級，對8級和9級風作用下處于停工狀態的爬模分別進行驗算。針對本工程爬模整體受力分析而言，上架體受到風荷載水平作用響應較為顯著，架體上平臺立柱頂部為變形最明顯部位。架體整體實景如圖6所示。

圖6 架體整體實景

風力為8級時，該部位應力在規范允許范圍內，如圖7所示。本工況下的最大組合應力為189.33 MPa，最大組合壓應力為﹣159.65 MPa，均小于Q235級鋼材的拉壓強度設計值。

圖7 架體應力（8級風）

風力為9級時，該部位變形超過規范允許范圍，如圖8所示。

圖8 架體變形（9級風拉結前）

對架體和索塔進行拉結方可滿足規范要求，如圖9所示。架體上平臺立柱頂端最大變形為34.06 mm，大于規范容許變形值21.0 mm。

圖9 架體變形（9級風拉結后）

在對索塔和架體進行相應的拉結后，該部位的最大變形為13.59 mm，滿足規范要求。

3.3 模板系統驗算

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模板的側壓力。本部分重點介紹側壓力計算，如圖10所示。

圖10 新澆筑混凝土側壓力（單位：mm）

新澆混凝土對模板側壓力計算：

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間，可按實測確定，取10 h；β為混凝土坍落度影響修正系數，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為混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，取6.0 m。

荷載標準值：F=F1+F3=72.24 kN/m2。F為新澆筑混凝土對模板的最大側壓力。

考慮傾倒混凝土產生的水平載荷標準值為4 kN/m2，分別取荷載分項系數1.2和1.4，則作用于模板的總荷載設計值為q=1.2×72.24+1.4×4=92.3 kN/m2。

在模板荷載作用下對面板、木工字梁及橫向背楞的強度和撓度分別進行驗算，均滿足要求。

3.4 爬架系統驗算

外側爬架由上架體、三腳架、下掛架體、導軌、埋件、附墻裝置及液壓動力裝置組成。計算時按照爬模最大跨度和截面計算。支架體系作為液壓自爬模系統主要承力系統用SAP2000有限元分析軟件對爬模上、下架體進行驗算，用Midas對導軌、掛座及埋件等關鍵構件進行驗算。

3.4.1 上、下架體驗算

架體驗算應考慮施工狀態下荷載效應組合，根據JGJ 195—2010《液壓爬升模板工程技術規程》[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）

根據爬模系統各平臺施工荷載、爬模自重及風荷載（分級）組合效應對平臺桁架進行計算。值得一提的是，應注意因荷載組合工況不同，上、下架體應分別驗算，并且在上架體驗算后，應將節點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，均滿足規范要求。

3.4.2 重要構件驗算

3.4.2.1 導軌

導軌本身在架體爬升階段受力較大，而導軌的剛度大小會對架體的爬升產生直接影響且當架體爬升至節段中間位置時導軌受力和變形最大。導軌應力圖如圖12所示，經過模型分析計算可以得到，導軌的最大拉應力值為147.94 MPa，圧應力值為﹣0.04 MPa，均小于其所用Q345級鋼材的強度設計值310 MPa。

圖12 導軌應力圖

導軌變形圖如圖13所示，在剛度計算中，導軌底部的最大變形為6.33 mm，中部最大變形為2.89 mm，能夠滿足規范要求。

圖13 導軌變形圖

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

3.4.2.2 掛座及埋件

在工程的實際施工過程中，架體是通過掛座和預埋件系統附著在已澆筑成型的結構上。因此，掛座和埋件系統是荷載效應組合集中傳遞的最后部件，承受了主要的荷載作用，其強度關系到整個爬模裝置的施工安全。因對其進行現場監測存在各種制約條件，于是在上述對架體結構初步計算的基礎上，將結構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所示的模型分析結果。

掛座及埋件在停工、爬升和施工各階段受力狀態與導軌相似，均滿足要求。

圖14 掛座及埋件應力云圖

4 結語

明月峽長江大橋雙肢花瓶型超高索塔液壓自爬模施工，通過對風力作用下的結構整體穩定性分析、施工狀態下各部件受力分析，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，在使用過程中，嚴格按照規程操作和加強過程隱患排查治理，總體確保了施工安全可控。

本文重點從爬模設計檢算進行了闡述，其分析思路對類似工程具有一定指導意義。類似工程施工時還需充分考慮不同施工因素，并強化使用過程的管控，確保超高建筑液壓自爬模施工安全。