高墩液壓自爬升模板系統空間有限元分析

劉磊磊

（中鐵十八局集團第五工程有限公司 天津 100855）

隨著國家軌道交通建設事業的快速發展和交通強國戰略的實施，高速鐵路的建設規模逐漸向地形復雜艱險的山區拓展[1]。為克服山區地形復雜、峽谷溝深等難題，高墩橋梁結構得到了廣泛應用，取得了良好的經濟效益。

橋梁高墩施工過程[2]具有安全質量高、控制難度大等特點。液壓自爬升模系統[3-5]憑借穩定性好、施工速度快、自帶工作平臺和休息平臺、安全、高效、節約材料等特點，在橋梁高墩施工中得到廣泛使用。

液壓自爬升模板系統是保證橋梁高墩順利施工的關鍵，爬升模板質量事故會引發嚴重的后果。為了提高液壓自爬升模板系統的安全性和可靠性、降低安全隱患，在高墩施工前對液壓自爬升模板系統的荷載進行可靠分析是十分有必要的。

本文依托通用有限元軟件midas Civil 2015，以某工程高墩施工用到的液壓自爬升模板系統為un研究對象，對爬模結構施工狀況、爬升狀況、停工狀況分別進行荷載驗算，分析過程和結論可為類似工程提供技術參考和經驗借鑒。

1 工程概況

某高速公路項目橋梁工程包括9 座橋梁，累計單線長度3696 延米（包括T 梁預制和架設382片，18 m 現澆箱梁18 片、現澆連續箱梁6 聯、連續剛構橋1 座），如圖1 所示。項目標段橋梁墩柱形式多樣，主要由柱式墩、3 柱式墩、空心薄壁墩和板式墩四種形式。項目線路經過的地區為山區，地勢高差大，橋梁高墩較多，最高墩柱高達85m。特級高空作業點較多，高墩施工施工過程中的安全質量控制難度大。高墩施工過程采用液壓自爬模系統，如圖2 所示。

圖1 橋梁墩柱形式

圖2 液壓自爬升模板系統

2 液壓自爬升模板系統荷載確定和計算工況

2.1 恒載計算

外爬架的恒載包括操作平臺自重、模板自重、外架自重。外架自重和操作平臺自重荷載均由軟件自動加載，模板的自重按140 kg/m2計算，平臺自重按80 kg/m2計算。

2.2 臨時施工荷載

爬架中包含上平臺、下平臺，施工臨時活載均布加載在平臺橫梁上。

2.3 風荷載計算

對于風荷載，本計算選取單片爬架承擔最大荷載的情況進行計算，即爬模最后一模爬升或施工的情況，模板離地面高度約67 m。

風荷載標準值可根據規范[6]中相應的公式計算，主要參數取值如下：

高度z 處的陣風系數，取1.53；風荷載局部體形系數，取0.7；風壓高度變化系數，取1.77；

對于距地面10 m 高度處相當風速，風力為7 級時，取17.1 m/s，風力為9 級時，取24.4 m/s；

對于設計基準風壓，風力為7 級時，計算值為0.18 kN/m2，小于0.3kN/m2，按規范取0.3 kN/m2；風力等級為9 時，取0.37 kN/m2。

根據上式計算得7 級風荷載標準值為0.57 kN/m2，9 級風荷載標準值為0.7 kN/m2。

2.4 計算工況

共進行3 種工況的計算，按最不利荷載組合考慮，分別為：

（1）工況一：施工狀態

荷載效應組合為：1.2×結構自重+0.9×1.4×(主平臺荷載+7 級風荷載)

（2）工況二：爬升狀態

荷載效應組合為：1.35×結構自重+0.9×1.4×(主平臺荷載+7 級風荷載)

（3）工況三：停工狀態

荷載效應組合為：1.35×結構自重+1.4×9 級風荷載

3 液壓自爬升模板系統空間有限元分析

3.1 液壓自爬升模板系統有限元模型

基于通用有限元分析軟件midas Civil 2015 對液壓自爬升模板系統進行建模，計算模型如圖3 所示。液壓自爬升模板系統進行建模時，將結構構件承受荷載分配如下：

圖3 液壓自爬升模板系統有限元計算模型

（1）對于自爬升模板系統的邊界條件，工況一、工況三的豎向力由預埋件承擔，水平力由預埋件和下架體滑輪承擔；

（2）工況二的豎向力由無縫鋼管導軌承擔(模擬為僅受豎向力的一般支承)；

（3）水平力由圍圈桁架上的精軋螺紋鋼拉桿和下架體滑輪承擔（模擬為僅受水平力一般支承）。

3.2 液壓自爬升模板系統有限元計算

將上述計算得到的液壓自爬升模板系統荷載加載至有限元模型，進行受力分析計算。

以工況1（施工狀態）為例，如圖4(a)所示，該工況下的支座豎向最大反力為73.2 kN，水平最大反力為24.5 kN。最大組合應力結果如圖4(b)所示，所有桿件最大拉應力為61.2 N/mm2，最大壓應力為46.7 N/mm2，均小于強度設計值[f]=205 N/mm2，并且最大壓應力小于各桿件臨界應力，因此滿足要求。如圖4(c)所示，該工況下最大豎向變形為3 mm，出現在圍圈桁架，最大橫向變形為6 mm，滿足規范要求。三個計算工況的結果匯總如表1 所示。

表1 液壓自爬升模板系統工況計算結果

圖4 工況1 計算結果

表1 計算分析結果表明，高墩液壓自爬升模板系統的強度、剛度均滿足規范要求。但要求施工單位在6 級以上大風時應停止作業，并對高墩液壓自爬升模板系統的重點部位進行錨固處理，加強墩柱結構四周爬模之間連接的牢固性，增強整體的穩定性和牢固程度。

4 結語

以某高墩橋梁項目主墩施工為工程背景，對液壓自爬升模板系統的施工工況、爬升工況和停工工況分別進行了相關驗算。

在考慮爬升模板系統的結構自重、施工荷載、風荷載等荷載工況的基礎上，采用通用有限元分析軟件midas Civil 2015，對爬升系統進行荷載分析，發現液壓爬模在以上工況下均能滿足規范要求。施工單位在6 級以上大風時應停止作業，并加強重點部位的錨固，加強墩柱四周爬模的連接，增強其整體性。