高墩液压自爬升模板系统空间有限元分析

刘磊磊

（中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 100855）

随着国家轨道交通建设事业的快速发展和交通强国战略的实施，高速铁路的建设规模逐渐向地形复杂艰险的山区拓展[1]。为克服山区地形复杂、峡谷沟深等难题，高墩桥梁结构得到了广泛应用，取得了良好的经济效益。

桥梁高墩施工过程[2]具有安全质量高、控制难度大等特点。液压自爬升模系统[3-5]凭借稳定性好、施工速度快、自带工作平台和休息平台、安全、高效、节约材料等特点，在桥梁高墩施工中得到广泛使用。

液压自爬升模板系统是保证桥梁高墩顺利施工的关键，爬升模板质量事故会引发严重的后果。为了提高液压自爬升模板系统的安全性和可靠性、降低安全隐患，在高墩施工前对液压自爬升模板系统的荷载进行可靠分析是十分有必要的。

本文依托通用有限元软件midas Civil 2015，以某工程高墩施工用到的液压自爬升模板系统为un研究对象，对爬模结构施工状况、爬升状况、停工状况分别进行荷载验算，分析过程和结论可为类似工程提供技术参考和经验借鉴。

1 工程概况

某高速公路项目桥梁工程包括9 座桥梁，累计单线长度3696 延米（包括T 梁预制和架设382片，18 m 现浇箱梁18 片、现浇连续箱梁6 联、连续刚构桥1 座），如图1 所示。项目标段桥梁墩柱形式多样，主要由柱式墩、3 柱式墩、空心薄壁墩和板式墩四种形式。项目线路经过的地区为山区，地势高差大，桥梁高墩较多，最高墩柱高达85m。特级高空作业点较多，高墩施工施工过程中的安全质量控制难度大。高墩施工过程采用液压自爬模系统，如图2 所示。

图1 桥梁墩柱形式

图2 液压自爬升模板系统

2 液压自爬升模板系统荷载确定和计算工况

2.1 恒载计算

外爬架的恒载包括操作平台自重、模板自重、外架自重。外架自重和操作平台自重荷载均由软件自动加载，模板的自重按140 kg/m2计算，平台自重按80 kg/m2计算。

2.2 临时施工荷载

爬架中包含上平台、下平台，施工临时活载均布加载在平台横梁上。

2.3 风荷载计算

对于风荷载，本计算选取单片爬架承担最大荷载的情况进行计算，即爬模最后一模爬升或施工的情况，模板离地面高度约67 m。

风荷载标准值可根据规范[6]中相应的公式计算，主要参数取值如下：

高度z 处的阵风系数，取1.53；风荷载局部体形系数，取0.7；风压高度变化系数，取1.77；

对于距地面10 m 高度处相当风速，风力为7 级时，取17.1 m/s，风力为9 级时，取24.4 m/s；

对于设计基准风压，风力为7 级时，计算值为0.18 kN/m2，小于0.3kN/m2，按规范取0.3 kN/m2；风力等级为9 时，取0.37 kN/m2。

根据上式计算得7 级风荷载标准值为0.57 kN/m2，9 级风荷载标准值为0.7 kN/m2。

2.4 计算工况

共进行3 种工况的计算，按最不利荷载组合考虑，分别为：

（1）工况一：施工状态

荷载效应组合为：1.2×结构自重+0.9×1.4×(主平台荷载+7 级风荷载)

（2）工况二：爬升状态

荷载效应组合为：1.35×结构自重+0.9×1.4×(主平台荷载+7 级风荷载)

（3）工况三：停工状态

荷载效应组合为：1.35×结构自重+1.4×9 级风荷载

3 液压自爬升模板系统空间有限元分析

3.1 液压自爬升模板系统有限元模型

基于通用有限元分析软件midas Civil 2015 对液压自爬升模板系统进行建模，计算模型如图3 所示。液压自爬升模板系统进行建模时，将结构构件承受荷载分配如下：

图3 液压自爬升模板系统有限元计算模型

（1）对于自爬升模板系统的边界条件，工况一、工况三的竖向力由预埋件承担，水平力由预埋件和下架体滑轮承担；

（2）工况二的竖向力由无缝钢管导轨承担(模拟为仅受竖向力的一般支承)；

（3）水平力由围圈桁架上的精轧螺纹钢拉杆和下架体滑轮承担（模拟为仅受水平力一般支承）。

3.2 液压自爬升模板系统有限元计算

将上述计算得到的液压自爬升模板系统荷载加载至有限元模型，进行受力分析计算。

以工况1（施工状态）为例，如图4(a)所示，该工况下的支座竖向最大反力为73.2 kN，水平最大反力为24.5 kN。最大组合应力结果如图4(b)所示，所有杆件最大拉应力为61.2 N/mm2，最大压应力为46.7 N/mm2，均小于强度设计值[f]=205 N/mm2，并且最大压应力小于各杆件临界应力，因此满足要求。如图4(c)所示，该工况下最大竖向变形为3 mm，出现在围圈桁架，最大横向变形为6 mm，满足规范要求。三个计算工况的结果汇总如表1 所示。

表1 液压自爬升模板系统工况计算结果

图4 工况1 计算结果

表1 计算分析结果表明，高墩液压自爬升模板系统的强度、刚度均满足规范要求。但要求施工单位在6 级以上大风时应停止作业，并对高墩液压自爬升模板系统的重点部位进行锚固处理，加强墩柱结构四周爬模之间连接的牢固性，增强整体的稳定性和牢固程度。

4 结语

以某高墩桥梁项目主墩施工为工程背景，对液压自爬升模板系统的施工工况、爬升工况和停工工况分别进行了相关验算。

在考虑爬升模板系统的结构自重、施工荷载、风荷载等荷载工况的基础上，采用通用有限元分析软件midas Civil 2015，对爬升系统进行荷载分析，发现液压爬模在以上工况下均能满足规范要求。施工单位在6 级以上大风时应停止作业，并加强重点部位的锚固，加强墩柱四周爬模的连接，增强其整体性。