梁拱组合刚构桥双肢空心薄壁墩液压爬模施工技术研究

韩国定 唐 良 欧保华

陕西建工机械施工集团有限公司 陕西 西安 710032

随着我国高速公路和区域干线路网结构的发展，在山区及峡谷出现了越来越多的高度超百米的桥墩。空心薄壁墩在满足同样的惯性矩要求下，相对截面面积较小，墩身圬工工作量小。此外，空心薄壁墩的构造保证了自身阻尼能减小桥墩材料振动频率，成为了地形受限区域高墩的理想选型。但是，空心薄壁墩线形渐变精度要求高，平面及垂直度偏差控制难度大，随着墩身的加高，偏差逐级累加，施工难度成倍增加[1]。如何控制超高空心薄壁墩的施工质量，保证施工安全，加快施工进度，是当下桥梁施工领域的关键环节和重难点之一。

对于百米高空心薄壁墩，主要采用的施工方法为滑模、翻模及爬模等[2]。周秋来[3]对大铁沟特大桥薄壁空心高墩展开研究，在液压爬模技术的基础上，详细阐述了超高墩施工工艺全流程操作要点，改进了爬模施工的突出关键技术难题；黄郑文[4]立足于云浮罗定至茂名信宜高速公路排步特大桥高墩开展研究，比选出液压爬模作为该墩施工的技术手段，并利用Midas建立液压自爬模空间有限元结构，从理论模型和现场实践验证了液压自爬模在安全、技术方面的可靠性；李莼等[5]从液压爬模系统结构特点及工作原理角度出发，在考虑不同类型节段施工特点下，高效完成了19个墩身节段的施工；侯亚威等[6]基于小关子大桥空心薄壁高墩进行质量控制研究，在提升爬模体系技术的基础上，探讨了外观控制和测量控制各个方面的操作方法和流程。本文以陕西省铜川市玉皇阁二号桥及引线工程百米高双肢空心薄壁墩工程为依托，阐明了空心薄壁高墩液压爬模的施工工艺和质量控制措施，以期为类似百米高空心薄壁墩施工提供参考。

1 工程概况

铜川市玉皇阁二号特大桥主桥桥梁中心线处桥跨布置为（90＋4×170＋90）m，全长860 m，采用四拱六跨预应力混凝土梁拱组合连续刚构桥，拱脚通过钢筋混凝土拱座固结在主梁墩顶处（图1）。

图1 玉皇阁二号特大桥示意

主桥下部主墩为双肢空心薄壁墩，过渡墩为空心墩。主桥墩柱12#—16#均为双肢空心薄壁墩，12#、13#、16#墩高84 m，14#、15#墩高128 m，每个主墩由4个支墩组成。单肢截面尺寸为10.95 m×3.50 m，横桥向壁厚1 m，顺桥向壁厚0.8 m。截面内设50 cm×50 cm倒角，墩顶、墩底均设2.0 m厚实心段。12#、13#、16#每个支墩设2道横隔板，14#、15#每个支墩设4道横隔板，横隔板厚度均为50 cm；14#、15#墩中部各设1道中系梁，混凝土强度等级为C40。

2 施工方案比选

为保证玉皇阁二号桥空心薄壁墩施工质量，加快墩身施工工期，控制墩身造价，笔者从技术质量要求、安全性、工期、人员投入等方面，多层次地对滑模法、翻模法和液压自爬模法进行综合比选，见表1。

表1 施工方法综合比选

滑模施工极易产生支承杆弯曲、混凝土水平裂缝、局部坍塌、混凝土外观质量较差、模板耗钢量大、一次性投资费用较多等问题。施工过程中需装饰混凝土表面，配套设备较多，投入较大，一旦施工开始，中途不能停止，在雨季施工，混凝土质量难以保证。

传统翻模操作简便，施工灵活。但施工速度慢，工期难以保证。同时，施工作业平台焊接在模板外侧，而模板所能承受的荷载有限，因此作业平台狭小不便操作，且模板拆装过程中容易对操作平台造成损坏，最重要的是作业平台与施工模板连接在一起，本身存在较大的安全隐患。

液压爬模系统具有自动导向、液压升降、自动复位的功能，有利于满足空心薄壁墩中线垂直、大面平整、轮廓顺直的质量和精度要求[7]。除安装和拆除阶段外，整个爬升过程均不需要其他起吊设备，通过自身液压油缸的伸缩分别交替提升导轨和架体，实现液压自爬模系统整体提升，操作方便、爬升速度快、安全系数高，非常适合高度在50 m以上的空心薄壁墩柱施工。

通过综合对比分析，相比于传统的滑模法、翻模法施工工艺，薄壁空心墩液压爬模法在技术质量、安全、成本、工期等方面都有比较显著的优势，最终选择液压爬模技术进行施工。

3 液压自爬模系统设计计算与施工

3.1 液压自爬模系统设计计算

3.1.1 液压爬模爬升条件

本文力学计算以左幅14#主墩为例，高度128 m，标准层浇筑高度4.5 m。拆模条件：混凝土强度必须达到15 MPa以上；液压自爬模具备爬升及承受设计荷载条件：混凝土强度达到20 MPa。

3.1.2 液压爬模系统设计

液压爬模系统分为模板系统、埋件系统、液压系统和架体系统。

液压爬模模板体系采用工字木梁维萨板模板。外模采用液压爬模顶升系统，自爬模通过液压油缸对导轨和爬架的交替顶升来实现。浇筑混凝土时，导轨和爬模架都支撑在预埋件支座上，二者之间无相对运动。内模利用外模爬架悬吊内模整体爬升，即在外模架体顶平台上布置通长桁架横梁，利用横梁吊装内模操作平台；内模模板随内模平台提升。当外模架体开始爬升时，内模操作平台及模板会跟随外模架体一同爬升，从而达到内外模同时爬升的效果。外爬内吊减少了每个节段拆除、安装内模及井筒平台的吊装工作，减少了塔吊吊装压力，提高了工作效率（图2）。

图2 液压爬模系统各部件构造

标准施工节段均为4.50 m，模板配备高度4.65 m，模板下包100 mm，以保证新浇筑混凝土底口质量和防止跑浆，模板上挑50 mm，以防止混凝土溢浆。

主桥墩身10.95 m×3.50 m，根据墩身尺寸，单肢外模墩身布置有12榀液压爬模下架体及12榀爬模上架体，横桥向每侧4组，顺桥向每侧2组。

3.1.3 液压爬模系统计算

按JGJ 195—2010《液压爬升模板工程技术规程》规定，对爬模系统在施工、爬升、停工这3种工况进行计算。基于本薄壁墩液压爬模系统设计，笔者利用SAP2000建立液压爬模杆系模型，分析各工况下系统三角架立杆的强度、刚度及稳定性。

三角架立杆采用Q345双22#槽钢，其抗弯截面系数为：

Wx＝218 000×2＝4.36×105mm3。

三角架立杆应力为：

δ＝Mmax/Wx＝2.22×107/4.36×105＝50.92 MPa。

从图4 中得出最大受力杆件三角架立杆挠度为0.86 mm，小于5 mm的允许变形值，满足要求；最大应力值为50.92 MPa，小于310 MPa的允许值，满足要求。

3.2 液压自爬模施工

3.2.1 墩身总体施工方案

1）空心薄壁墩分节施工，首节高度4.6 m，首节钢筋绑扎完毕后，利用爬模使外模、内模分块吊装，采用精轧螺纹钢对拉杆固定；模板安装及混凝土浇筑采用25 t汽车吊负责垂直运输，搭设轻型爬梯作为上下通道。

2）空心薄壁墩4.6 m以上，按标准节高度4.5 m处理，中系梁和横隔板处灵活调整浇筑高度，外模采用液压爬模施工工艺，内模采用井筒式平台吊架施工。混凝土通过车载泵泵送入模，钢筋及其他材料采用塔吊垂直运输。

3）空心薄壁墩横隔板采用型钢和竹胶板搭设底模，爬模模板作为外模，完成横隔板混凝土浇筑。

4）墩身中系梁和墩顶实心段采用托架法施工，在墩身适当位置预埋钢板，安装牛腿，然后架设工字钢形成托架，铺设底模；实心段外模采用爬模模板，中系梁外模采用大块钢模板，内模由钢管架、方木和竹胶板组装而成。钢筋及其他材料采用塔吊吊装，混凝土采用泵送方式运输。5）施工人员在30 m以下区域通过梯笼，30 m以上区域经施工电梯上下通行。

3.2.2 施工工艺流程

墩柱混凝土浇筑首节后（墩柱首节高度4.6 m）开始安装液压爬模顶升系统，墩柱外模采用液压爬模顶升系统，内模采用架体桁架下吊同步进行爬升（图3）。

图3 液压爬模施工工艺流程示意

3.2.3 爬模施工步骤

1）拼装三角架，将2片500 mm×2 400 mm木板按照架体间距平放于水平地面上，并将三角架扣放在木板上，三角架2条轴线需要绝对平行；轴线间距为相邻2组埋件的中心距。安装三角架部位的平台梁、平台板，平台要求平整牢固，在与部件位置冲突时需开孔或避让，以保证架体稳定。

2）安装挂座，利用受力螺栓将挂座与埋件连接并安装承重销。

3）整体吊装三角架，将拼好的三角架平稳挂于承重销上，并插入安全插销。

4）安装后移装置，将后移横梁连接在主平台梁上，然后将主背楞、斜撑与后移横梁连接；安装模板，利用背楞扣件将模板与主背楞连接，背楞调节器可调节模板水平度，斜撑可调整模板垂直度。

5）安装埋件，将埋件系统提前组装，并利用安装螺栓将其连接在模板开孔处，通过调整模板可控制预埋件位置的准确度。

6）安装桁架式上架体：先在平地上铺4根木梁，然后垂直于木梁方向放置内侧2根上架体立杆，立杆间距根据施工图纸，需要绝对平行，立杆之间通过加劲钢管连接固定，随后安装调节丝杆及外侧2根立杆，最后安装平台梁、平台板及围护系统。整体吊装上架体，与主平台连接。

7）安装内模吊模装置，吊装内外模板，合模浇筑混凝土。

8）爬升流程：混凝土强度达到20 MPa后，拆除拉杆、后移模板，模板可后移60～70 cm，安装附墙板、受力螺栓及挂座装置，提升导轨，导轨提升到位后，回收附墙撑，爬升架体。

9）架体爬升到位后，安装吊平台。

10）清理模板并刷脱模剂，安装埋件、合模、安装拉杆、浇筑混凝土；混凝土养护期间可绑扎下一层钢筋，进入标准爬升循环（图4）。

图4 液压爬模施工步骤

4 爬模关键技术与质量控制要点

4.1 埋件系统安装定位

液压自爬模体系的埋件系统包括：埋件板、高强螺杆、爬锥、受力螺栓和埋件支座等。其中，由埋件板、高强螺杆及爬锥组成的预埋件在墩柱施工时按照爬轨位置进行埋设。单套埋件系统，抗拉110 kN，抗剪200 kN，一榀液压爬架有2套埋件系统（图5）。

图5 埋件系统安装流程示意

爬锥和安装螺栓用于埋件板和高强螺杆的定位，混凝土浇筑前，爬锥通过安装螺栓固定在面板上。安装螺栓与受力螺栓材质和长度不同，在安装螺栓尾部采用红色油漆标识，防止施工过程中混用。受力螺栓是锚定总成部件中的主要受力部件，强度为10.9级。要求经过调质处理（达到洛氏硬度25～30），并且经过探伤确定无热处理裂纹和其他原始裂纹后才可使用。液压架体所用的受力螺栓为长73 mm的M36，抗拉400 kN，抗剪250 kN，可以确保架体安全。

4.2 模板施工质量控制

4.2.1 对拉螺杆设置

内外模板采用对拉螺杆对拉，墩柱模板对拉长度不大于3.5 m时，采用通长对拉法，用φ32 mm×2 mm规格的PVC套管对穿于两侧模板间，套管内穿对拉螺杆。在浇筑实心段，拉杆长度大于3.5 m时，采用长600 mm的对拉螺杆（内连杆）与φ20 mm钢筋焊接，焊接长度大于20 cm，用螺母固定于钢背楞上。

4.2.2 模板面板修复

模板退模后，应立即用带有长柄的软刷带水清洗，防止钢筋或其他尖锐的东西划伤模板表面的漆面。若模板上有小的孔洞，可以用差不多尺寸的圆木塞、方木塞堵上；若模板面板出现大面积损坏，应将面板吊至地面重新拼装（图6）。

图6 面板缺陷修复示意

4.3 超高墩身垂直度控制

每节模板初步安装好后，用激光铅直仪通过承台顶面控制点校核模板的垂直度，当每节模板的垂直度偏差大于20 mm时，用高墩爬模精准安装装置进行纠偏调整。高墩施工均在高空中作业，立模和校模时均没有可靠的持力点，模板的校核比较困难，因此必须在每层模板就位时，及时处理模板拼缝，调整垂直度，层层严格控制，避免偏差积累导致墩身扭曲、倾斜及变形。激光铅直仪校核桥梁空心薄壁墩爬模垂直度的具体步骤如下：

1）安装首节模板时用全站仪将墩柱的十字中线坐标定位于承台顶面，弹出墩柱的轮廓线。

2）在承台顶面弹出的轮廓线外选取多个测点，保证测点与墩柱轮廓线的距离一致，距离记为D。

3）在测点处架设激光铅直仪，向上发射激光束，测量人员在爬模操作平台上测出激光束到模板内边的距离，记为M。

4）依次测出墩身4个角的距离M1、M2、M3、M4，保证|D－M|≤20 mm，符合要求之后，方可进行混凝土的浇筑施工。

5 结语

本文以铜川市玉皇阁二号桥及引线工程百米双肢空心薄壁墩的施工为例，阐述了液压自爬模系统在超高墩施工中的应用。通过对滑模、翻模、爬模方法在技术、质量、安全、成本、工期等维度进行比选，选择液压自爬模系统进行施工，并利用SAP2000对选定的爬模系统进行设计计算。施工过程中，针对埋件系统的安装定位、对拉螺杆的精准设置、面板修复、墩身垂直度控制等关键技术进行严格把关，保证工程质量。

目前，该桥梁左幅14#主墩已经完成施工，各项承载力指标和使用功能情况良好，安全可控。结构有限元理论计算和施工实践都证明了液压自爬模技术在超高墩施工中具备可行性和可靠性，本文研究内容可为类似百米高墩施工提供参考。