某大桥5号墩主塔施工中液压自爬模计算分析

何 浩，余天庆，寇 越

（1湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068；2中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安710000）

1 工程概况

某长江大桥5＃墩是全桥三个主塔墩中江南侧的边墩，其基础处于南岸大堤前滩地坡脚上，按施工前地貌承台一面临水、一面被大堤前探底护坡掩埋.5＃墩塔柱为花瓶形钻石构造，塔高209m，主塔顺桥向宽7～8.8m.下塔柱高29.0m，中塔柱高106.241m，上塔柱高59.848m，均采用单箱单室截面，下横梁高10.911m，横桥向长48m，顺桥向宽7 m，采用单箱单室截面，顶、底板厚度为0.8m，腹板厚度为0.8m，横梁顶面留有1个进人孔，顶面布置有支座垫石及阻尼装置的固定垫块.由于本工程场地复杂，运输困难，施工影响因素大，为了赶在汛期之前完成工期，决定采用液压自爬模施工方案.

2 液压自爬模的原理及特点

液压自爬模系统主要是由两个部分组成（图1）：1）模板系统.由模板、上平台、围护栏、外爬架和支撑杆件一系列组成；2）液压装置.主要由液压操作平台和液压缸组成.其中外爬架、上平台、导轨、预埋件和高强螺栓是主要的可靠度受力计算分析对象.液压自爬模是钢筋混凝土竖向结构施工的一项先进技术，它是通过固定在建筑结构的基础上进行装设设定高度的模板，然后再进行钢筋的绑扎和混凝土的浇筑工作，当混凝土到达强度后，利用千斤顶对模板系统进行提升或者顶升，如此反复循环而完成整个建筑结构的施工.液压自爬模有如下几个优点［1］：1）施工的机械化程度比较高，整个施工过程只需要一次模板组装，整个施工过程实现机械化操作，施工条件好，浇筑混凝土方便；2）适应能力强，可以根据桥墩的型式，设计适合的支架和模板；3）操作方便，可以事先在操作平台上组装，对工人的素质要求不高，保证了工程质量；4）模板采用大面积钢模，整体性良好，浇筑出来的混凝土表面平整，外表美观.

图1 液压自爬模结构图

3 液压自爬模计算分析

3.1 计算参数及荷载分布

自爬模的工作平台最大允许承载为1.5kN／m2；爬升装置工作平台最大允许承载为0.75kN／m2；模板后移操作及拆卸爬锥修补平台最大允许承载为0.75kN／m2；除与结构连接的关键部件外，其它钢结构剪力设计值为FV＝125kN；拉力设计值为F＝215kN；爬模的每件液压缸的推力为100kN（即10t）；自爬模爬升时，结构砼抗压强度不低于15MPa.模板自重为0.65kN／m2［2］；下塔柱仰爬时架体受力最大，下塔仰爬架体布置见图2（共4个机位）.

图2 下塔仰爬架体布置图

由布置图可知单个机位系统承担最宽为2.65 m，包含平台横梁、跳板、液压设备及工具等.其中木脚手板重量为861kg；横梁重量为897kg；横向连接钢管及扣件为526kg，合计总重为22.84kN，作用在主平台横梁上，主横梁长2 500mm，故线荷载为9.136kN／m［3］.仰爬时墩身倾角为9°，混凝土有部分分力由架体承担（图3）.混凝土倒三角处仍然还有方向指向F的侧倾分力存在.

图3 混凝土分力简图

则

混凝土自重分到后移架体上的均布荷载为

混凝土自重分力板作用在主背楞上的线荷载为

3.2 架体受力分析

用计算软件SAP2000对架体进行受力分析，按以上计算参数取值，通过计算、设置节点（图4）.

图4 支架节点矩图

各主要杆件的轴力、弯矩、剪力最大值见表1.

表1 主要杆件轴力、弯矩、剪力值

因受拉杆件远远满足要求，只需对受压杆件进行失稳验算，分析结果见表2.

表2 受压杆失稳验算分析表

各杆件轴向应力均小于强度设计值f＝215 N／mm2，故满足要求.

3.3 单个埋件的抗拔力计算

F＝A（τssinα＋δscosα）＝0.1fc（0.9h2＋bh）＝177.73kN＞150kN，其中fc为混凝土抗压强度设计值（15N／mm2）；h为破坏锥体高度（通常与锚固深度相同）（400mm）；b为锚板边长（80mm）［4］.

图6 螺栓拔出破坏图

3.4 锚板处砼的局部受压抗压力计算

FL#1.35βCβLfcALn，ALn为砼的局部受压净面积（80×80mm2）；fc为砼轴心抗压强度设计值（15 N／mm2）；βc为砼强度影响系数（查值为0.94）；βL为砼局部受压时的强度提高系数（2）［4］；最后算得FL＝1.35×0.94×2×15×6 400kN＝243.65kN＞150kN，所以满足承载力要求.

3.5 受力螺栓的抗剪力和抗拉力的计算

可知单个机位是双埋件，所以单个埋件的剪力设计值FV＝50kN，且拉力设计值为F＝75kN；螺栓抗压强度值、抗拉强度值、抗弯强度值查规范可以得知，其抗拉强度值f＝640N／mm2，其抗剪强度fv＝320kN／mm2［4］.

抗剪验算：

故满足要求.

抗拉验算：

故满足要求.

符合要求.

3.6 承重插销的抗剪力计算

承重插销如图6，其承重销的设计承载为200 kN.根据设计图纸可得承重销的截面尺寸是：

可查五金手册钢Q235的抗拉屈服强度是215N／mm2，可以推出其抗剪强度［3］

由于有两剪面，可以算出插销承载力是

可以得到承重插销可以满足设计要求.

图6 插销立面图

4 结论

液压自爬模已经在武汉二七长江大桥5＃墩主塔施工中得到了成功的应用，计算液压自爬模的内力过程中，使用软件SAP2000计算得出模板系统在施工过程中加载作用下的内力状态，通过经验公式验算得出在5＃墩混凝土浇筑过程中模版系统是安全的，同时在实际施工实践中模板系统零安全事故就是对验算的正确性最好的证明.此计算方法经验有足够的精度在日后同类型的爬模计算设计中具有良好的参考使用价值.

［1］崔凌岳.谷拉河大桥墩液压自爬模施工受力分析［J］.华东交通大学学报，2007，24：13－15.

［2］中国建筑科学研究院.建筑结构荷载规范［M］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

［3］中华人民共和国建设部.混凝土结构设计规范［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［4］江正荣.建筑施工计算手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007.