明月峡长江大桥双肢花瓶型超高索塔液压自爬模施工安全性分析＊

张启军

（中铁二局集团有限公司，四川 成都 610000）

伴随着中国各项基础建设蓬勃发展，一些重要的工装设备也迅速创新应用，其中液压爬模装置在高大桥梁墩塔和高大建筑物方面的重要地位日益突出。中国的液压爬模施工工艺经过近20年的不断创新和改进，历经了多种爬升体系的变迁。目前主要采用液压油缸作为爬升动力，全防护或半防护为主要形式，操作方便，爬升速度快，安全系数高，是高耸建筑物施工时的首选模板体系[1]。但往往液压爬模系统的使用意味着施工过程极具风险，高空作业、上下交叉作业、高空坠物、机械伤害等风险管控难度相应增加。

本文以重庆东环铁路明月峡长江大桥工程施工为依托，将最不利工况和最薄弱部位叠加分析，确保超高索塔液压自爬模系统施工安全。

1 项目概况

明月峡长江大桥索塔为双肢花瓶型钢筋混凝土结构，两索塔高度分别为189.5 m与203 m，如图1所示。

图1 明月峡长江大桥全貌

塔身为空心矩形截面，塔顶顺桥向宽度8.5 m，壁厚1.8 m，横桥向宽度5.5 m，壁厚1.2 m。纵向自中塔柱按65∶1放坡，横向按7.2∶1横向分离。中塔柱壁厚1.2 m，下塔柱壁厚顺桥向1.6 m，横桥向1.5 m，截面如图2、图3所示。塔柱施工采用液压爬模技术，每个主塔各采用2套爬模设备。

图2 结构立面图（单位：m）

图3 结构平面图（单位：cm）

2 液压自爬模系统

2.1 系统组成

液压自爬模系统由模板系统、液压系统、预埋件系统和爬架系统组成[2]，爬模总体如图4所示。

图4 液压自爬模系统

2.2 工作原理

自爬模系统由液压缸交替升降到导轨和爬架上实现爬模，导轨和爬架之间产生相对运动。液压自爬模的动力来源是本身自带的液压顶升系统，液压顶升系统包括液压油缸和上下换向盒，换向盒可控制提升导轨或提升架体，通过液压系统可使模板架体与导轨间形成互爬，从而使液压自爬模稳步向上爬升，液压自爬模在施工过程中无需其他起重设备。

3 安全性分析

针对本工程涉及的液压爬模系统安全性能进行结构验算，主要通过有限元分析软件及设计规范对风力作用下的爬模整体稳定性进行分析，对施工阶段下模板、爬架等重要构件和埋件分别进行验算分析，为现场安全施工控制提供指导。

3.1 整体模型建立

爬模架体采用midas Gen建立的有限元模型，如图5所示。整体结构共计292个节点，400个单元，16种截面类型，结构构件等选用一般梁单元模拟。

图5 架体整体模型

3.2 风力作用下的爬模整体稳定性

根据相关要求，6级以上大风情况下不允许爬模作业，但仍需对架体自身安全状态进行分析。结合工程当地气象情况，年平均风速为1.12 m/s，最大风力一般在8级。故按照风力等级，对8级和9级风作用下处于停工状态的爬模分别进行验算。针对本工程爬模整体受力分析而言，上架体受到风荷载水平作用响应较为显著，架体上平台立柱顶部为变形最明显部位。架体整体实景如图6所示。

图6 架体整体实景

风力为8级时，该部位应力在规范允许范围内，如图7所示。本工况下的最大组合应力为189.33 MPa，最大组合压应力为﹣159.65 MPa，均小于Q235级钢材的拉压强度设计值。

图7 架体应力（8级风）

风力为9级时，该部位变形超过规范允许范围，如图8所示。

图8 架体变形（9级风拉结前）

对架体和索塔进行拉结方可满足规范要求，如图9所示。架体上平台立柱顶端最大变形为34.06 mm，大于规范容许变形值21.0 mm。

图9 架体变形（9级风拉结后）

在对索塔和架体进行相应的拉结后，该部位的最大变形为13.59 mm，满足规范要求。

3.3 模板系统验算

作用在模板之上的荷载分为模板自重荷载及新浇混凝土对模板的侧压力。本部分重点介绍侧压力计算，如图10所示。

图10 新浇筑混凝土侧压力（单位：mm）

新浇混凝土对模板侧压力计算：

式（1）中：γc为混凝土重力密度，取25 kN/m3；t0为新浇混凝土初凝时间，可按实测确定，取10 h；β为混凝土坍落度影响修正系数，坍落度为130～180 mm，取1.0；V为混凝土的浇筑速度，取1.0 m/h。

式（2）中：H为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度，取6.0 m。

荷载标准值：F=F1+F3=72.24 kN/m2。F为新浇筑混凝土对模板的最大侧压力。

考虑倾倒混凝土产生的水平载荷标准值为4 kN/m2，分别取荷载分项系数1.2和1.4，则作用于模板的总荷载设计值为q=1.2×72.24+1.4×4=92.3 kN/m2。

在模板荷载作用下对面板、木工字梁及横向背楞的强度和挠度分别进行验算，均满足要求。

3.4 爬架系统验算

外侧爬架由上架体、三脚架、下挂架体、导轨、埋件、附墙装置及液压动力装置组成。计算时按照爬模最大跨度和截面计算。支架体系作为液压自爬模系统主要承力系统用SAP2000有限元分析软件对爬模上、下架体进行验算，用Midas对导轨、挂座及埋件等关键构件进行验算。

3.4.1 上、下架体验算

架体验算应考虑施工状态下荷载效应组合，根据JGJ 195—2010《液压爬升模板工程技术规程》[3]要求。架体平面布置图如图11所示。

图11 架体平面布置图（单位：mm）

根据爬模系统各平台施工荷载、爬模自重及风荷载（分级）组合效应对平台桁架进行计算。值得一提的是，应注意因荷载组合工况不同，上、下架体应分别验算，并且在上架体验算后，应将节点最不利荷载施加于下架体。上架体最大轴力66.3 kN，剪力17.7 kN，弯矩8.7 kN·m；下架体最大轴力81.2 kN，剪力0.52 kN，弯矩4.12 kN·m，均满足规范要求。

3.4.2 重要构件验算

3.4.2.1 导轨

导轨本身在架体爬升阶段受力较大，而导轨的刚度大小会对架体的爬升产生直接影响且当架体爬升至节段中间位置时导轨受力和变形最大。导轨应力图如图12所示，经过模型分析计算可以得到，导轨的最大拉应力值为147.94 MPa，圧应力值为﹣0.04 MPa，均小于其所用Q345级钢材的强度设计值310 MPa。

图12 导轨应力图

导轨变形图如图13所示，在刚度计算中，导轨底部的最大变形为6.33 mm，中部最大变形为2.89 mm，能够满足规范要求。

图13 导轨变形图

综上，在施工工况下架体所受应力和变形值均较大，但能够满足承载力和正常使用要求，停工工况下的应力和变形则相对较小；爬升工况下架体的应力大小介于二者之间，且导轨自身受力较大，但仍能满足正常使用要求。

3.4.2.2 挂座及埋件

在工程的实际施工过程中，架体是通过挂座和预埋件系统附着在已浇筑成型的结构上。因此，挂座和埋件系统是荷载效应组合集中传递的最后部件，承受了主要的荷载作用，其强度关系到整个爬模装置的施工安全。因对其进行现场监测存在各种制约条件，于是在上述对架体结构初步计算的基础上，将结构支承处的反力作用于挂座和埋件的整体模型，可以得到如图14所示的模型分析结果。

挂座及埋件在停工、爬升和施工各阶段受力状态与导轨相似，均满足要求。

图14 挂座及埋件应力云图

4 结语

明月峡长江大桥双肢花瓶型超高索塔液压自爬模施工，通过对风力作用下的结构整体稳定性分析、施工状态下各部件受力分析，明确最不利工况和最薄弱部位，确保液压自爬模自身各工况条件下安全可靠。同时，在使用过程中，严格按照规程操作和加强过程隐患排查治理，总体确保了施工安全可控。

本文重点从爬模设计检算进行了阐述，其分析思路对类似工程具有一定指导意义。类似工程施工时还需充分考虑不同施工因素，并强化使用过程的管控，确保超高建筑液压自爬模施工安全。