劉文建，劉宇峰，陳 鳴

(中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510310)

0 引言

廣連高速公路總承包施工段有多座特大橋?yàn)槿€重點(diǎn)控制性工程，其中紅旗特大橋主橋跨徑組合為75m+3×135m+75m，雙悅特大橋主橋跨徑組合為75m+135m+75m，大石田特大橋主橋跨徑組合為92m+170m×2+92m，紅石山特大橋主橋跨徑組合為65m+120m+65m。墩柱均采用空心薄壁墩結(jié)構(gòu)，墩高68～99m。橋梁高墩施工常用的施工工藝主要有塔式起重機(jī)翻模、液壓滑模和液壓爬模，為了在施工工藝上尋找加快施工進(jìn)度、降低安全風(fēng)險(xiǎn)的突破口，結(jié)合廣連高速公路項(xiàng)目橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工期要求開(kāi)展對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有高墩施工工藝調(diào)查研究與應(yīng)用效能的綜合分析比較，采取優(yōu)化組合和改造創(chuàng)新形式，開(kāi)發(fā)出一套適合橋梁高墩施工的新工藝。

1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有橋梁高墩施工工藝調(diào)查

1.1 塔式起重機(jī)翻模結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

塔式起重機(jī)翻模由大模板、托架平臺(tái)和對(duì)拉螺桿組成。模板拆除、翻升安裝主要依靠塔式起重機(jī)配合吊裝作業(yè)。翻模模板一般分為2～3節(jié)，節(jié)段高2～2.25m。擬新澆筑混凝土的上層模板與已澆筑混凝土的下層模板作為定位和支承基礎(chǔ)，下層模板通過(guò)對(duì)拉螺桿及模板面與墩身混凝土間的摩擦力、黏聚力支附于墩身。施工作業(yè)平臺(tái)是懸掛在模板背楞上的懸挑托架。模板拆卸、翻升在塔式起重機(jī)和手拉葫蘆的配合下進(jìn)行。翻模每次混凝土澆筑高度為4～4.5m，每個(gè)循環(huán)一般4～5d，平均施工速度約為1m/d。由于施工平臺(tái)與模板為一體，兩者需同時(shí)裝拆，所以模板拆卸、翻升時(shí)，作業(yè)人員立足困難，施工條件差，導(dǎo)致工效低。最主要的問(wèn)題在于設(shè)置安全防護(hù)設(shè)施困難，施工安全保障難度大。

1.2 液壓滑模結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

液壓滑模主要由圍圈桁架、吊架平臺(tái)、模板、提升架、支撐桿、千斤頂和液壓控制柜等組成。其最大特點(diǎn)是無(wú)須頻繁拆裝模板，模板始終與墩身已澆筑混凝土保持接觸。支架提升時(shí)，模板隨著圍圈桁架通過(guò)提升架在千斤頂?shù)膸?dòng)下緊貼墩身混凝土在互相摩擦情況下向上滑行。而千斤頂則是沿著埋置在已澆筑混凝土中的支撐桿爬升或鎖定，所以圍圈桁架從地面提升到墩頂?shù)娜^(guò)程無(wú)支點(diǎn)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，模板可邊澆筑混凝土邊滑升，所以效率較高。滑模施工混凝土澆筑的平均速度一般為0.3～0.5m/h，施工速度可達(dá)3～5m/d，是施工進(jìn)度最快的一種橋梁高墩施工工藝。但由于混凝土脫模的最佳時(shí)間不易掌握，模板滑升時(shí)剛脫模的混凝土接近初凝狀態(tài)，強(qiáng)度僅為0.2～0.4MPa，模板與混凝土表面存在的滑動(dòng)摩擦易造成混凝土表面拉裂形成細(xì)小裂紋及其他表面缺陷，需經(jīng)過(guò)人工及時(shí)抹漿、修補(bǔ)、壓光才能使混凝土表面達(dá)到較平整效果，因此墩身外表修飾痕跡明顯、色澤差異大。

1.3 液壓爬模結(jié)構(gòu)與工藝特點(diǎn)

液壓爬模由爬架體系和爬升系統(tǒng)組成。液壓爬模是以液壓千斤頂為動(dòng)力，以墻體預(yù)埋件為支撐體，其特點(diǎn)是模板與爬架為一體，脫模時(shí)模板在爬架平臺(tái)上后仰平移。爬升時(shí)爬架在步進(jìn)千斤頂?shù)耐苿?dòng)下沿著導(dǎo)軌爬升，到達(dá)下一個(gè)節(jié)段的預(yù)埋掛件支座進(jìn)行支點(diǎn)轉(zhuǎn)換。液壓爬模功能齊全、安全可靠、對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較強(qiáng)，混凝土外觀質(zhì)量較好。但其模板多為鋼木組合結(jié)構(gòu)，多次循環(huán)使用的木模板變形大、表面易損傷，一定程度上影響了混凝土外觀質(zhì)量，而且其施工縫不像翻模上、下模板的法蘭連接處很平順，控制不好易出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)。此外，液壓爬模每個(gè)循環(huán)的錨件預(yù)埋、掛座安裝、支架爬升到位后的支點(diǎn)轉(zhuǎn)換等工序精度要求都較高，才能保證爬升順利和支點(diǎn)可靠。每次混凝土澆筑高度可達(dá)4.5～6m，但每個(gè)循環(huán)也需4～6d，平均進(jìn)度一般約1m/d。

2 液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)翻模混凝土質(zhì)量好，弊端在于施工作業(yè)平臺(tái)和模板一體，模板需承受作業(yè)平臺(tái)荷載以致脫模等強(qiáng)時(shí)間長(zhǎng)，模板裝拆作業(yè)條件惡劣，節(jié)段施工循環(huán)周期長(zhǎng)，所以將作業(yè)平臺(tái)與模板分離，使模板不再作為施工平臺(tái)的承重結(jié)構(gòu)，便能減少混凝土脫模的等強(qiáng)時(shí)間，縮短橋墩節(jié)段翻模施工周期；液壓滑模有與混凝土施工同步提升的爬升架作為作業(yè)平臺(tái)，施工效率高，但混凝土質(zhì)量卻不能滿足質(zhì)量要求。顯然，對(duì)這兩種工藝進(jìn)行合理的工藝組合即液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模，能達(dá)到揚(yáng)長(zhǎng)避短效果。

液壓滑模的爬升支架結(jié)構(gòu)形式和液壓爬升系統(tǒng)要適應(yīng)翻模施工要求，需根據(jù)翻模工藝特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行全新改造,以形成一套施工進(jìn)度快、安全性能高、混凝土質(zhì)量好的新型組合工藝。為翻模作業(yè)提供一個(gè)整體鋼架平臺(tái)和模板吊裝機(jī)構(gòu)，使翻模作業(yè)從鋼筋綁扎、模板拆卸吊裝到混凝土澆筑等作業(yè)均在一個(gè)圍蔽完善的多層平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行，從根本上改變高墩翻模施工作業(yè)環(huán)境險(xiǎn)惡的狀況, 以消除施工人員的高空作業(yè)恐懼感，進(jìn)而大幅度提高工作效率和施工質(zhì)量。

2.2 液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模結(jié)構(gòu)與功能

2.2.1鋼架平臺(tái)體系

液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模每次混凝土澆筑節(jié)段的高度取2～3m。鋼架平臺(tái)從下往上分為3個(gè)功能區(qū)：底層為拆模和墩身表面裝修區(qū)，中間層為已澆混凝土養(yǎng)護(hù)、等強(qiáng)區(qū)，上層為鋼筋綁扎、模板安裝和混凝土澆筑作業(yè)區(qū)。方框桁架及下吊架組成的鋼架總高度為澆筑節(jié)段高度的3倍即6～9m，而考慮通行和操作便利，方框桁架及下吊架每層高度一般取2.m左右。方框桁架需承受各操作平臺(tái)傳遞的包括鋼筋材料、機(jī)具設(shè)備和作業(yè)人員荷載，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度要求較高，而下吊架的荷載主要為作業(yè)人員，結(jié)構(gòu)相對(duì)輕便。為了便于模板的翻轉(zhuǎn)提升，鋼架平臺(tái)邊緣與墩身混凝土表面距離應(yīng)大于2層模板重疊厚度(700mm左右)，而非模板提升作業(yè)時(shí)段可轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)翻板消除此空隙并可作為施工平臺(tái)。為了提高整個(gè)頂升鋼架平臺(tái)的抗風(fēng)能力，吊架與模板間專門設(shè)置了裝拆可調(diào)的抗風(fēng)(水平)和防墜(45°傾角)撐桿(見(jiàn)圖1)。

圖1 鋼架平臺(tái)翻模結(jié)構(gòu)

2.2.2模板及模板提升系統(tǒng)

模板及模板提升系統(tǒng)由鋼模板、移動(dòng)滑梁和電動(dòng)葫蘆組成。模板采用傳統(tǒng)翻模的大模板，模板分為2層，每層高2～3m。拆裝模板時(shí)，橫梁上的電動(dòng)葫蘆吊住底層模板進(jìn)行脫模并提升到上層模板的頂面，然后進(jìn)行模板表面清理并涂刷脫模劑后再與上層模板頂面法蘭對(duì)接安裝。液壓爬架翻模作業(yè)操作工藝如圖2所示。

2.2.3液壓頂升系統(tǒng)

液壓頂升系統(tǒng)包括頂升架、支撐桿、楔塊式千斤頂、位移計(jì)、液壓電磁閥、液壓泵、液壓油管和液壓控制臺(tái)。鋼架平臺(tái)、頂升架、穿心式千斤頂通過(guò)螺栓連接為一體。穿心式千斤頂通過(guò)楔塊夾片夾持在支撐桿上，將鋼架平臺(tái)的荷載傳遞到支撐桿上。由于穿心式千斤頂是順著支撐桿爬升，不存在液壓爬模每個(gè)循環(huán)的支點(diǎn)轉(zhuǎn)換問(wèn)題?；炷翝仓瓿蛇_(dá)到一定強(qiáng)度后，鋼架平臺(tái)通過(guò)頂升架由穿心式千斤頂帶動(dòng)沿支撐桿爬升1個(gè)施工節(jié)段的高度。

支撐桿和頂升千斤頂?shù)倪x型與數(shù)量配置要根據(jù)荷載分布和結(jié)構(gòu)受力情況確定。液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模采用φ76×6鋼管作為支撐桿，并配用YCW20T-100型楔塊式千斤頂。為防止偶然出現(xiàn)個(gè)別千斤頂楔塊夾片打滑導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不勻，在頂升架下橫梁底部增設(shè)1個(gè)防墜楔形塊夾持器(見(jiàn)圖3)，其作用還包括增加支撐桿的側(cè)向約束支點(diǎn)，提高支撐桿的穩(wěn)定性。為提高頂升架的抗風(fēng)能力和整體提升過(guò)程的穩(wěn)定性，頂升架的外立桿延伸到下吊架底端，并在其底端設(shè)置了水平抗風(fēng)滾輪撐桿。

2.2.4液壓千斤頂頂升的同步控制

千斤頂?shù)捻斏梢簤嚎刂婆_(tái)控制，液壓控制臺(tái)包括LTK2-32-10B型油泵、3位4通電磁換向閥、先導(dǎo)式溢流閥及2位4通換向閥、編程控制器(PLC)、顯示屏等。液壓頂升同步控制采取千斤頂每個(gè)爬升行程(80mm左右)的同步控制：液壓系統(tǒng)采用并聯(lián)油路，每臺(tái)爬升千斤頂都安裝有位移計(jì)，千斤頂爬升的位移量由位移計(jì)反饋到PLC進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)爬升最快的千斤頂超過(guò)爬升最慢的千斤頂?shù)奈灰屏吭O(shè)定值，即通過(guò)電磁換向閥切斷超限千斤頂?shù)墓┯?，直至位移量均衡后再恢?fù)其供油。為了提高千斤頂爬升效率，行程同步控制可將千斤頂每循環(huán)80mm的頂升行程分為前50mm粗調(diào)和后30mm精調(diào)2個(gè)調(diào)控精度不同的區(qū)間。

2.3 液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模施工工藝

承臺(tái)施工完畢后，先進(jìn)行墩身、墩底截面輪廓線放樣，對(duì)墩身范圍內(nèi)的混凝土進(jìn)行鑿毛和沖洗，接長(zhǎng)主筋，綁扎墩身第1節(jié)段箍筋，鋼架平臺(tái)和液壓頂升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安裝與墩身施工同步進(jìn)行，其安裝步驟按由上往下的順序進(jìn)行。

1)墩身底部實(shí)心段安裝外模板后接著安裝外方框桁架(需設(shè)鋼櫈臨時(shí)墊高)、頂升架、千斤頂、支撐桿和液壓控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)。

圖4 墩身實(shí)心段模板與支架安裝

2)實(shí)心段混凝土澆筑完成后等強(qiáng)幾小時(shí)即可啟動(dòng)液壓千斤頂帶動(dòng)方框桁架爬升到適當(dāng)高度，然后安裝變截面段的鋼筋和內(nèi)外模板，并將余下幾層內(nèi)吊架底板按順序疊放在墩身變截面段空腔內(nèi)的鋼櫈上，再安裝內(nèi)方框桁架。同時(shí)，可安裝外方框桁架下的-2層吊架(見(jiàn)圖5)。

圖5 變截面段模板與支架安裝

3)澆筑變截面段混凝土后等強(qiáng)幾小時(shí)鋼架再頂升2m，然后安裝-2層內(nèi)吊架吊桿，并安裝-3層外吊架(見(jiàn)圖6)。

圖6 澆筑變截面段混凝土后等強(qiáng)鋼架頂升2m并安裝下一層吊架

4)隨著節(jié)段混凝土澆筑鋼架升高，逐層安完后續(xù)底層吊架，并安裝所有抗風(fēng)、防墜支撐桿。安裝底部滾輪水平撐桿時(shí)應(yīng)注意通過(guò)螺桿調(diào)整好滾輪與墩身表面的合理間隙(見(jiàn)圖7)。

圖7 隨著混凝土澆筑、鋼架升高逐層安裝完底層吊架

3 液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算

液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模的鋼架平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式從外形來(lái)看和液壓滑模相似，但兩者的作業(yè)工況、荷載分布和結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)大不相同，尤其是鋼架平臺(tái)爬升過(guò)程的邊界條件差異甚大。

3.1 液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析與穩(wěn)定性驗(yàn)算

液壓滑模的圍圈桁架與模板連為一體，而內(nèi)、外模板則夾住墩身，因此液壓滑模的圍圈桁架具有與墩身緊貼的側(cè)向約束條件，圍圈與支撐桿組成的滑模系統(tǒng)和墩身幾乎渾然一體，整個(gè)圍圈桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可靠。滑模支撐桿的脫空長(zhǎng)度較小，其邊界條件較接近底部剛接(計(jì)算長(zhǎng)度考慮一定的埋深點(diǎn))而頂部鉸接的狀態(tài)，計(jì)算方法也有相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式可循。

液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模的鋼架與模板完全分離，整個(gè)高度達(dá)6～9m的爬升架爬升狀態(tài)唯一的支撐是支撐桿，無(wú)其他剛性側(cè)向約束，因此支撐桿的邊界條件較接近底部剛接而頂部自由的狀態(tài)。但支承爬升架的多根支撐桿是由千斤頂夾持并通過(guò)爬升架和圍圈桁架連接為一個(gè)整體，其邊界條件和底端剛接、頂部自由的單桿也不同。由于邊界條件不同，液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)支承壓桿的壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算套用GB/T 50113—2019《滑動(dòng)模板工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的計(jì)算方法都不合適。合理的計(jì)算方法應(yīng)當(dāng)采取類似滿堂支撐架的壓桿計(jì)算長(zhǎng)度計(jì)算公式的模式，經(jīng)模型試驗(yàn)，以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)歸納推導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)公式才較符合實(shí)際。由于液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)支撐桿的壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算方法目前還無(wú)相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范可循，而采用有限元分析軟件建立整體數(shù)值分析模型進(jìn)行計(jì)算，卻可合理規(guī)避單桿驗(yàn)算邊界條件設(shè)置困惑的問(wèn)題，所以以下穩(wěn)定性驗(yàn)算采用數(shù)值模型進(jìn)行分析。

3.2 液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模結(jié)構(gòu)模型分析

3.2.1液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模作業(yè)的最不利工況分析

液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模施工過(guò)程主要有鋼筋綁扎、模板拆卸與提升、混凝土澆筑與鋼架平臺(tái)頂升。而鋼架平臺(tái)頂升作業(yè)雖荷載不是最大，但卻是風(fēng)險(xiǎn)最大的工況。這時(shí)鋼架與墩身模板間的所有支撐已拆除，側(cè)向約束只有提升架外立桿底端的滾輪水平撐。鋼架平臺(tái)由千斤頂通過(guò)頂升架帶動(dòng)沿支撐桿爬升1個(gè)節(jié)間距離(2～3m)，這時(shí)支撐桿的最大脫空高度將達(dá)3.5～4.5m(見(jiàn)圖8)。

圖8 鋼架平臺(tái)爬升狀態(tài)1

3.2.2鋼架平臺(tái)數(shù)值模型分析

鋼架平臺(tái)上的荷載主要有爬升架自重及施工設(shè)備、機(jī)具、作業(yè)人員和鋼筋材料與風(fēng)壓荷載(考慮山區(qū)突發(fā)陣風(fēng)按8級(jí)風(fēng)壓考慮)。荷載分項(xiàng)系數(shù)取恒載1.2、動(dòng)載1.4。鋼架平臺(tái)模型由梁?jiǎn)卧?、桿單元和板單元組成，支撐桿底端采取剛接，外鋼架平臺(tái)底端的滾輪撐桿采用垂直于墩身外壁方向的只受壓節(jié)點(diǎn)支撐模擬。通過(guò)模型屈曲分析，確定鋼架平臺(tái)在上述荷載工況下的臨界荷載系數(shù)須>4(經(jīng)驗(yàn)值)。以下是空心薄壁墩2種不同結(jié)構(gòu)形式的鋼架平臺(tái)的分析案例。

1)薄壁空心墩(無(wú)橫隔板)內(nèi)、外鋼架連體式鋼架平臺(tái)的模型分析 紅旗大橋、雙悅嶺大橋的薄壁空心墩為無(wú)中隔板的結(jié)構(gòu)形式，因不存在中隔板施工時(shí)內(nèi)、外圍圈桁架需錯(cuò)開(kāi)分別提升的問(wèn)題，所以采用內(nèi)、外鋼架平臺(tái)通過(guò)頂升架連體共支撐桿的結(jié)構(gòu)形式。此種結(jié)構(gòu)形式桁架整體性較好，抗風(fēng)能力稍強(qiáng)，混凝土澆筑節(jié)段高度設(shè)置為3m，整個(gè)爬架高度達(dá)9m。鋼架平臺(tái)爬升狀態(tài)如圖8所示，整體模型屈曲分析結(jié)果如圖9所示，其臨界荷載系數(shù)為5.2。

圖9 鋼架平臺(tái)模型屈曲分析結(jié)果

2)薄壁空心墩(有橫隔板)外鋼架平臺(tái)的模型分析 大石田大橋的薄壁空心墩設(shè)有3道中隔板，考慮了中隔板施工時(shí)內(nèi)、外鋼架平臺(tái)需分別錯(cuò)開(kāi)提升問(wèn)題，所以采用內(nèi)、外鋼架平臺(tái)各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)形式。此種結(jié)構(gòu)形式外鋼架平臺(tái)的抗風(fēng)能力相對(duì)較弱，混凝土澆筑節(jié)段高度設(shè)置為2m，整個(gè)爬架高度達(dá)6m。鋼架平臺(tái)爬升狀態(tài)如圖10所示，外爬架模型屈曲分析結(jié)果如圖11所示，其臨界荷載系數(shù)為6.9。

圖10 鋼架平臺(tái)爬升狀態(tài)2

圖11 外爬架模型屈曲分析結(jié)果

4 液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模效能分析

液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模工藝開(kāi)發(fā)目的為加快高墩施工進(jìn)度和降低安全風(fēng)險(xiǎn)。采用液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模工藝施工的多座橋梁橋墩都已順利封頂。該工藝特點(diǎn)為混凝土澆筑后等強(qiáng)僅幾個(gè)小時(shí)便可進(jìn)行頂升作業(yè)，在資源配置充足的條件下實(shí)現(xiàn)每天1個(gè)節(jié)段的施工循環(huán)作業(yè)可行。如按每個(gè)節(jié)段高3m，則每天的施工進(jìn)度可達(dá)3m。幾座橋施工的資源配置與施工進(jìn)度情況如表1所示。

表1 液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模施工資源配置與工效

5 結(jié)語(yǔ)

橋梁高墩液壓頂升整體式鋼架平臺(tái)翻模施工技術(shù)是通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有成熟施工工藝進(jìn)行調(diào)查研究和分析比較，并結(jié)合廣連高速公路橋梁高墩施工的實(shí)際需求開(kāi)發(fā)出來(lái)的新工藝，它的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用使橋梁高墩施工速度大幅度提高，且明顯改善了施工作業(yè)條件，圍蔽完善的內(nèi)、外多層作業(yè)平臺(tái)消除了作業(yè)人員高空恐懼感，為高墩施工作業(yè)提供了有效的安全保障，也為監(jiān)理和管理人員難以涉足的高墩施工現(xiàn)場(chǎng)檢查提供了極大便利，為加強(qiáng)工程質(zhì)量管理創(chuàng)造了有利條件，得到施工單位、監(jiān)理單位和業(yè)主的一致認(rèn)可，較好地達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。本工藝的成功應(yīng)用加快了施工進(jìn)度、提高了橋梁施工質(zhì)量、改善了工作環(huán)境、保障了施工安全。