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摘要：针对超高墩施工中液压爬模系统存在的安全性问题，依托龙川江特大桥，采用MIDAS Civil有限元软件对液压爬模系统进行建模，分析了三种工况下液压爬模架体整体及关键部位的施工安全性，形成了超高墩液压爬模架体整体及关键部位安全性分析流程，根据分析结果，依托工程爬模架体在爬升、停工、施工三种工况下的安全性均能够满足要求。

关键词：超高墩; 液压爬模; 有限元; 安全性分析

1 引言

近年来，随着施工技术不断的探索和发展，液压爬模技术已在大型桥梁工程中得到广泛应用[1]。液压爬模技术利用机械化设备逐层爬升，且模板与架体可同步爬升，具有操作简单、自动化程度高、施工效率高、施工周期短及模板可利用率高等优点。相较于传统模板施工工艺，液压爬模技术在缩短施工工期、提高工程质量等方面具有明显优势[2-4]。但在施工过程中，液压爬模系统仍存在自重大、安全性低等缺陷[5]，而在施工阶段，若液压爬模系统发生事故，则会对施工人员的生命财产造成非常严重的后果。因此，为保证液压爬模系统在施工过程中的安全性，对液压爬模架体整体及关键部位进行安全性分析显得尤为重要。

结合龙川江特大桥超高墩液压爬模架体设计方案，采用MIDAS Civil有限元软件，分别建立三种不同工况下（施工、爬升、停工）下的有限元模型，分析架体在不同工况下所承受的荷载及荷载组合，对架体整体安全性及关键部位的安全性展开分析，形成了超高墩液压爬模架体整体及关键部位安全性分析方法及流程。

2 工程概况

2.1 工程背景

龙川江特大桥为在建渝湘复线控制性工程，位于南川区石溪镇，大桥跨越龙川江。桥梁起止桩号为K49+785.0～K51+135.0，桥梁全长1350.0m，跨径布置为4×40+（85+3×160+85）+13×40m，桥面宽度2×16.25m，最大桥高208.56m。主桥上部结构为预应力混凝土连续刚构，下部结构采用空心薄壁墩、承台桩基础。龙川江特大桥主桥全长650m，受地形、地貌起伏影响，主桥桥墩高度差别较大，各桥墩高度均超过100m，6#墩、7#墩墩更是高达到180m左右，且其为四面收坡变截面空心薄壁墩，其截面尺寸由顶到低按60：1渐变。在该桥施工组织设计过程中，针对主桥墩身较高的情况，决定采用液压爬模施工，模板采用钢模系统。

2.2 液压爬模架体构造

该桥所采用的液压爬模系统包括主平台、后移平台、爬升操作平台和吊平台。 液压爬模系统的主要部件包括：主梁、立杆、可调斜撑、柔性拉杆、主平台、上操作平台、下操作平台和平台后移装置、液压顶升装置等;顶部设内模承载梁，内模吊杆，提升内模和内平台。顶部设置井字形内模支撑架，用于支承内模和内部操作平台。液压爬模系统施工图如图1所示。

爬架拟在截面各边布置3个下架体，4个上架体，架体高16m，标准层浇筑高度4.5m，模板高度4.61m;架体宽度主要为上、下操作平台均为2.0m，主平台及吊平台宽1.0m，内操作平台均宽1.8m;架体支撑跨度（相邻埋件点之间水平距离）为3.55m、3.80m。液压升降系统额定工作压力为25MPa、油缸行程400mm、其外墙油缸伸出速度为380mm/min、顶升油缸额定推力为200kN、串联双油缸不同步差≤20mm。

围圈桁架平面内部斜拉杆、模板对拉杆均采用25精轧螺纹钢（785）;爬架预埋件采用40Cr处理钢棒;爬架模板采用6mm厚Q235钢板，其余爬架架体受力构件材料均采用Q235钢，其材料信息如表1所示。

2.3 液压爬模系统工作原理及流程

液压爬模是通过液压油缸对导轨和爬架交替顶升运动来实现的。导轨和爬架互不关联，导轨从爬架下架体立杆中穿过，二者之间通过液压千斤顶相互作用。爬模架体工作时，导轨和爬架都支承在预埋件支座上，两者之间无相对运动。退模后应在退模留下的爬锥上安装受力螺栓、挂座体、及埋件支座，首先移动导轨至上部预埋件支座，待导轨顶升就位于上部埋件支座上后，操作人员立即转到下平台拆除导轨提升后露出的位于下平台处的埋件支座、爬锥等。在解除爬模架上所有拉结之后就可以开始顶升爬架，此时导轨保持不动，启动油缸，爬架就相对于导轨运动，通过导轨和爬架这种交替附墙，互为提升，爬架即可沿着墙体上预留爬锥逐层爬升。

液压爬模系统的主要工作流程：在已经浇筑好的混凝土结构上安装预埋件→安装主、上、下平台和模板→固定模板→浇筑混凝土→退模、安装预埋件→提升固定导轨→顶升爬架→固定模板。

3 液压爬模架体整体及关键部位有限元分析

3.1 所承受荷载及荷载组合

液压爬模架体整体及关键部位安全性分析过程中的主要荷载考虑以下方面：架体自重、施工期间的各类活载、风荷载、温度荷载。

风荷载等级按照9级大风考虑，针对爬模系统所处的位置，考虑在桥墩顶部与桥墩底部两种情况：（1） 顶部风荷载对应的爬模位置对应于最后一模爬升或施工的情况，架体模板离地面高度约180m。根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）[6]可知，风荷载标准值按公式（1）计算：

其中，由《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）可得，各参数的含义与取值方法如下：

为高度z处的阵风系数，取1.46;为风荷载局部体形系数，取0.7;为风压高度变化系数，取2.376;为距地面10m高度处相当风速，风力等级为9时，取24.4m/s;为设计基准风压。由公式（1）可得顶部风荷载标准值为0.90kN/m2。

（2） 底部风荷载仍按照公式（1）计算，由《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）可得各参数取值方法为： =1.7、=0.7、=1.0，由公式（1）可得底部风荷载标准值为0.44kN/m2。由于顶部风荷载标准值明显大于底部风荷载，仅考虑液压爬模系统位于顶部的情况。

液压爬模系统安全性分析工况主要考虑施工状态、爬升状态与停工状态三种，三种工况下的荷载组合方式如表2所示：

3.2有限元模型

采用MIDAS Civil有限元软件分别建立液压爬模系统在施工状态、爬升状态及停工状态三种工况下的整体空间有限元模型，三个模型的差别主要在于其边界条件的处理。龙川江特大桥主桥桥墩为四面收坡变截面空心薄壁墩，爬模系统架体结构在自下向上施工过程中会有变化，所承受的外部荷载也会有所不同，主要考虑各类最不利情形的组合。

整体安全性分析

三种不同工况荷载组合下爬模系统梁单元应力经有限元软件分析，可见施工状态工况下梁单元构件最大拉应力、最大压应力分别为185.4MPa、182.6MPa;爬升状态工况下梁单元构件最大拉应力、最大压应力分别为153.9MPa、159.7MPa;停工状态工况下梁单元构件最大拉应力、最大压应力为173.0MPa、171.8MPa。三种不同工况下构件最大应力均小于材料强度容许应力205MPa，最小安全系数达到了1.1，所有杆件安全性均能够满足要求。

局部构件承载能力

根据对架体在不同工况下的受力机理，筛选出关键局部构件，分别是预埋件、钢导轨及连接螺栓。

（1）预埋件承载力

液压爬模系统在每一个挂卡位置设置了两根预埋件，根据三种工况最大支反力分析结果，单个挂卡受力存在两种不利情形：施工状态工况下单个预埋件所受最大竖向力与水平力分别为110kN、78.3kN;停工状态工况下单个预埋件所受最大竖向力与水平力分别为101.5kN、90.75kN。

预埋件采用40Cr处理钢棒，直径为40～60mm，设计抗弯强度785MPa。最大应力分别为631.3MPa、634.5MPa，均小于设计强度，承载能力能够满足要求。

（2）钢导轨承载力

1）钢吊带承载力

钢吊带的承载力计算仅考虑所承受的最大竖向力，根据爬升状态工况分析结果，最大竖向力为176.7kN。根据截面尺寸计算有效抗拉截面积，截面尺寸30mm×140mm，上平面开孔尺寸50mm×300mm，有效抗拉截面积A=2700mm2，计算钢吊带应力如公式（2）所示：

f1=176.7×1000N/2700mm2=65.4MPa<[f]=215MPa （2）

钢吊带承载力能够满足要求。

2）挂点强度

挂点处最大竖向力176.7kN，由方形钢销承担。钢销剪应力=176.7×1000N/（2×30×30）mm2=89.2MPa<120MPa;销孔承压能力：176.7×1000N/（2×30×30）mm2=89.2MPa<205MPa。挂点强度满足要求。

（3）连接螺栓抗剪强度

通过对三种工况的分析，发现爬升状态工况所对应抗剪螺栓受力最不利，围圈桁架与下架体横梁连接处最大剪力162.4kN，该部分剪力由4颗M20螺栓承担，单个螺栓承担的最大剪力40.6kN。

根据螺栓材料特性及尺寸信息，单个高强螺栓的抗剪承载力设计值为=0.9×2×0.3×155=83.7kN>40.6kN，围圈桁架连接螺栓抗剪强度满足要求。

结论

以龙川江特大桥所采用的液压爬模系统为对象，对其架体整体及关键部位进行安全性分析，分析过程中重点考虑了施工状态、爬升状态与停工状态三种工况，所考虑的荷载主要包括结构自重、施工期外部活荷载、风荷载及温度荷载等，得到以下结论：

（1）三种工况下所有构件的最大应力水平为185.4MPa，均未超过材料强度允许应力205MPa，安全系数达到1.1以上，能够满足整体安全性要求;

（2）预埋件钢导轨等关键部位构件最大应力均小于相应设计强度，承载能力均满足要求，且围圈桁架连接螺栓的抗剪强度设计值为83.7kN，大于其所受最大剪力40.6kN，其抗剪强度满足要求。

参考文献

[1]陈运波.液压爬模工法在薄壁空心桥墩施工中的应用探讨[J].建筑技术开发，2021，48（07）：79-81.

[2]倪晔.液压爬模施工技术在工程中的应用[J].绿色环保建材，2021（07）：119-120.

[3]徐小明.山区高墩液压爬模施工安全风险识别与控制[J].黑龙江交通科技，2019，42（10）：97-98+100.

作者简介

李旭东，38岁，男，中国水利水电第七工程局有限公司二分局副总工程师、重庆渝湘复线高速公路三标一分部总工程师，高级工程师。