梁拱組合剛構橋雙肢空心薄壁墩液壓爬模施工技術研究

韓國定 唐 良 歐保華

陜西建工機械施工集團有限公司 陜西 西安 710032

隨著我國高速公路和區域干線路網結構的發展，在山區及峽谷出現了越來越多的高度超百米的橋墩?？招谋”诙赵跐M足同樣的慣性矩要求下，相對截面面積較小，墩身圬工工作量小。此外，空心薄壁墩的構造保證了自身阻尼能減小橋墩材料振動頻率，成為了地形受限區域高墩的理想選型。但是，空心薄壁墩線形漸變精度要求高，平面及垂直度偏差控制難度大，隨著墩身的加高，偏差逐級累加，施工難度成倍增加[1]。如何控制超高空心薄壁墩的施工質量，保證施工安全，加快施工進度，是當下橋梁施工領域的關鍵環節和重難點之一。

對于百米高空心薄壁墩，主要采用的施工方法為滑模、翻模及爬模等[2]。周秋來[3]對大鐵溝特大橋薄壁空心高墩展開研究，在液壓爬模技術的基礎上，詳細闡述了超高墩施工工藝全流程操作要點，改進了爬模施工的突出關鍵技術難題；黃鄭文[4]立足于云浮羅定至茂名信宜高速公路排步特大橋高墩開展研究，比選出液壓爬模作為該墩施工的技術手段，并利用Midas建立液壓自爬?？臻g有限元結構，從理論模型和現場實踐驗證了液壓自爬模在安全、技術方面的可靠性；李莼等[5]從液壓爬模系統結構特點及工作原理角度出發，在考慮不同類型節段施工特點下，高效完成了19個墩身節段的施工；侯亞威等[6]基于小關子大橋空心薄壁高墩進行質量控制研究，在提升爬模體系技術的基礎上，探討了外觀控制和測量控制各個方面的操作方法和流程。本文以陜西省銅川市玉皇閣二號橋及引線工程百米高雙肢空心薄壁墩工程為依托，闡明了空心薄壁高墩液壓爬模的施工工藝和質量控制措施，以期為類似百米高空心薄壁墩施工提供參考。

1 工程概況

銅川市玉皇閣二號特大橋主橋橋梁中心線處橋跨布置為（90＋4×170＋90）m，全長860 m，采用四拱六跨預應力混凝土梁拱組合連續剛構橋，拱腳通過鋼筋混凝土拱座固結在主梁墩頂處（圖1）。

圖1 玉皇閣二號特大橋示意

主橋下部主墩為雙肢空心薄壁墩，過渡墩為空心墩。主橋墩柱12#—16#均為雙肢空心薄壁墩，12#、13#、16#墩高84 m，14#、15#墩高128 m，每個主墩由4個支墩組成。單肢截面尺寸為10.95 m×3.50 m，橫橋向壁厚1 m，順橋向壁厚0.8 m。截面內設50 cm×50 cm倒角，墩頂、墩底均設2.0 m厚實心段。12#、13#、16#每個支墩設2道橫隔板，14#、15#每個支墩設4道橫隔板，橫隔板厚度均為50 cm；14#、15#墩中部各設1道中系梁，混凝土強度等級為C40。

2 施工方案比選

為保證玉皇閣二號橋空心薄壁墩施工質量，加快墩身施工工期，控制墩身造價，筆者從技術質量要求、安全性、工期、人員投入等方面，多層次地對滑模法、翻模法和液壓自爬模法進行綜合比選，見表1。

表1 施工方法綜合比選

滑模施工極易產生支承桿彎曲、混凝土水平裂縫、局部坍塌、混凝土外觀質量較差、模板耗鋼量大、一次性投資費用較多等問題。施工過程中需裝飾混凝土表面，配套設備較多，投入較大，一旦施工開始，中途不能停止，在雨季施工，混凝土質量難以保證。

傳統翻模操作簡便，施工靈活。但施工速度慢，工期難以保證。同時，施工作業平臺焊接在模板外側，而模板所能承受的荷載有限，因此作業平臺狹小不便操作，且模板拆裝過程中容易對操作平臺造成損壞，最重要的是作業平臺與施工模板連接在一起，本身存在較大的安全隱患。

液壓爬模系統具有自動導向、液壓升降、自動復位的功能，有利于滿足空心薄壁墩中線垂直、大面平整、輪廓順直的質量和精度要求[7]。除安裝和拆除階段外，整個爬升過程均不需要其他起吊設備，通過自身液壓油缸的伸縮分別交替提升導軌和架體，實現液壓自爬模系統整體提升，操作方便、爬升速度快、安全系數高，非常適合高度在50 m以上的空心薄壁墩柱施工。

通過綜合對比分析，相比于傳統的滑模法、翻模法施工工藝，薄壁空心墩液壓爬模法在技術質量、安全、成本、工期等方面都有比較顯著的優勢，最終選擇液壓爬模技術進行施工。

3 液壓自爬模系統設計計算與施工

3.1 液壓自爬模系統設計計算

3.1.1 液壓爬模爬升條件

本文力學計算以左幅14#主墩為例，高度128 m，標準層澆筑高度4.5 m。拆模條件：混凝土強度必須達到15 MPa以上；液壓自爬模具備爬升及承受設計荷載條件：混凝土強度達到20 MPa。

3.1.2 液壓爬模系統設計

液壓爬模系統分為模板系統、埋件系統、液壓系統和架體系統。

液壓爬模模板體系采用工字木梁維薩板模板。外模采用液壓爬模頂升系統，自爬模通過液壓油缸對導軌和爬架的交替頂升來實現。澆筑混凝土時，導軌和爬模架都支撐在預埋件支座上，二者之間無相對運動。內模利用外模爬架懸吊內模整體爬升，即在外模架體頂平臺上布置通長桁架橫梁，利用橫梁吊裝內模操作平臺；內模模板隨內模平臺提升。當外模架體開始爬升時，內模操作平臺及模板會跟隨外模架體一同爬升，從而達到內外模同時爬升的效果。外爬內吊減少了每個節段拆除、安裝內模及井筒平臺的吊裝工作，減少了塔吊吊裝壓力，提高了工作效率（圖2）。

圖2 液壓爬模系統各部件構造

標準施工節段均為4.50 m，模板配備高度4.65 m，模板下包100 mm，以保證新澆筑混凝土底口質量和防止跑漿，模板上挑50 mm，以防止混凝土溢漿。

主橋墩身10.95 m×3.50 m，根據墩身尺寸，單肢外模墩身布置有12榀液壓爬模下架體及12榀爬模上架體，橫橋向每側4組，順橋向每側2組。

3.1.3 液壓爬模系統計算

按JGJ 195—2010《液壓爬升模板工程技術規程》規定，對爬模系統在施工、爬升、停工這3種工況進行計算?；诒颈”诙找簤号滥Ｏ到y設計，筆者利用SAP2000建立液壓爬模桿系模型，分析各工況下系統三角架立桿的強度、剛度及穩定性。

三角架立桿采用Q345雙22#槽鋼，其抗彎截面系數為：

Wx＝218 000×2＝4.36×105mm3。

三角架立桿應力為：

δ＝Mmax/Wx＝2.22×107/4.36×105＝50.92 MPa。

從圖4 中得出最大受力桿件三角架立桿撓度為0.86 mm，小于5 mm的允許變形值，滿足要求；最大應力值為50.92 MPa，小于310 MPa的允許值，滿足要求。

3.2 液壓自爬模施工

3.2.1 墩身總體施工方案

1）空心薄壁墩分節施工，首節高度4.6 m，首節鋼筋綁扎完畢后，利用爬模使外模、內模分塊吊裝，采用精軋螺紋鋼對拉桿固定；模板安裝及混凝土澆筑采用25 t汽車吊負責垂直運輸，搭設輕型爬梯作為上下通道。

2）空心薄壁墩4.6 m以上，按標準節高度4.5 m處理，中系梁和橫隔板處靈活調整澆筑高度，外模采用液壓爬模施工工藝，內模采用井筒式平臺吊架施工?；炷镣ㄟ^車載泵泵送入模，鋼筋及其他材料采用塔吊垂直運輸。

3）空心薄壁墩橫隔板采用型鋼和竹膠板搭設底模，爬模模板作為外模，完成橫隔板混凝土澆筑。

4）墩身中系梁和墩頂實心段采用托架法施工，在墩身適當位置預埋鋼板，安裝牛腿，然后架設工字鋼形成托架，鋪設底模；實心段外模采用爬模模板，中系梁外模采用大塊鋼模板，內模由鋼管架、方木和竹膠板組裝而成。鋼筋及其他材料采用塔吊吊裝，混凝土采用泵送方式運輸。5）施工人員在30 m以下區域通過梯籠，30 m以上區域經施工電梯上下通行。

3.2.2 施工工藝流程

墩柱混凝土澆筑首節后（墩柱首節高度4.6 m）開始安裝液壓爬模頂升系統，墩柱外模采用液壓爬模頂升系統，內模采用架體桁架下吊同步進行爬升（圖3）。

圖3 液壓爬模施工工藝流程示意

3.2.3 爬模施工步驟

1）拼裝三角架，將2片500 mm×2 400 mm木板按照架體間距平放于水平地面上，并將三角架扣放在木板上，三角架2條軸線需要絕對平行；軸線間距為相鄰2組埋件的中心距。安裝三角架部位的平臺梁、平臺板，平臺要求平整牢固，在與部件位置沖突時需開孔或避讓，以保證架體穩定。

2）安裝掛座，利用受力螺栓將掛座與埋件連接并安裝承重銷。

3）整體吊裝三角架，將拼好的三角架平穩掛于承重銷上，并插入安全插銷。

4）安裝后移裝置，將后移橫梁連接在主平臺梁上，然后將主背楞、斜撐與后移橫梁連接；安裝模板，利用背楞扣件將模板與主背楞連接，背楞調節器可調節模板水平度，斜撐可調整模板垂直度。

5）安裝埋件，將埋件系統提前組裝，并利用安裝螺栓將其連接在模板開孔處，通過調整模板可控制預埋件位置的準確度。

6）安裝桁架式上架體：先在平地上鋪4根木梁，然后垂直于木梁方向放置內側2根上架體立桿，立桿間距根據施工圖紙，需要絕對平行，立桿之間通過加勁鋼管連接固定，隨后安裝調節絲桿及外側2根立桿，最后安裝平臺梁、平臺板及圍護系統。整體吊裝上架體，與主平臺連接。

7）安裝內模吊模裝置，吊裝內外模板，合模澆筑混凝土。

8）爬升流程：混凝土強度達到20 MPa后，拆除拉桿、后移模板，模板可后移60～70 cm，安裝附墻板、受力螺栓及掛座裝置，提升導軌，導軌提升到位后，回收附墻撐，爬升架體。

9）架體爬升到位后，安裝吊平臺。

10）清理模板并刷脫模劑，安裝埋件、合模、安裝拉桿、澆筑混凝土；混凝土養護期間可綁扎下一層鋼筋，進入標準爬升循環（圖4）。

圖4 液壓爬模施工步驟

4 爬模關鍵技術與質量控制要點

4.1 埋件系統安裝定位

液壓自爬模體系的埋件系統包括：埋件板、高強螺桿、爬錐、受力螺栓和埋件支座等。其中，由埋件板、高強螺桿及爬錐組成的預埋件在墩柱施工時按照爬軌位置進行埋設。單套埋件系統，抗拉110 kN，抗剪200 kN，一榀液壓爬架有2套埋件系統（圖5）。

圖5 埋件系統安裝流程示意

爬錐和安裝螺栓用于埋件板和高強螺桿的定位，混凝土澆筑前，爬錐通過安裝螺栓固定在面板上。安裝螺栓與受力螺栓材質和長度不同，在安裝螺栓尾部采用紅色油漆標識，防止施工過程中混用。受力螺栓是錨定總成部件中的主要受力部件，強度為10.9級。要求經過調質處理（達到洛氏硬度25～30），并且經過探傷確定無熱處理裂紋和其他原始裂紋后才可使用。液壓架體所用的受力螺栓為長73 mm的M36，抗拉400 kN，抗剪250 kN，可以確保架體安全。

4.2 模板施工質量控制

4.2.1 對拉螺桿設置

內外模板采用對拉螺桿對拉，墩柱模板對拉長度不大于3.5 m時，采用通長對拉法，用φ32 mm×2 mm規格的PVC套管對穿于兩側模板間，套管內穿對拉螺桿。在澆筑實心段，拉桿長度大于3.5 m時，采用長600 mm的對拉螺桿（內連桿）與φ20 mm鋼筋焊接，焊接長度大于20 cm，用螺母固定于鋼背楞上。

4.2.2 模板面板修復

模板退模后，應立即用帶有長柄的軟刷帶水清洗，防止鋼筋或其他尖銳的東西劃傷模板表面的漆面。若模板上有小的孔洞，可以用差不多尺寸的圓木塞、方木塞堵上；若模板面板出現大面積損壞，應將面板吊至地面重新拼裝（圖6）。

圖6 面板缺陷修復示意

4.3 超高墩身垂直度控制

每節模板初步安裝好后，用激光鉛直儀通過承臺頂面控制點校核模板的垂直度，當每節模板的垂直度偏差大于20 mm時，用高墩爬模精準安裝裝置進行糾偏調整。高墩施工均在高空中作業，立模和校模時均沒有可靠的持力點，模板的校核比較困難，因此必須在每層模板就位時，及時處理模板拼縫，調整垂直度，層層嚴格控制，避免偏差積累導致墩身扭曲、傾斜及變形。激光鉛直儀校核橋梁空心薄壁墩爬模垂直度的具體步驟如下：

1）安裝首節模板時用全站儀將墩柱的十字中線坐標定位于承臺頂面，彈出墩柱的輪廓線。

2）在承臺頂面彈出的輪廓線外選取多個測點，保證測點與墩柱輪廓線的距離一致，距離記為D。

3）在測點處架設激光鉛直儀，向上發射激光束，測量人員在爬模操作平臺上測出激光束到模板內邊的距離，記為M。

4）依次測出墩身4個角的距離M1、M2、M3、M4，保證|D－M|≤20 mm，符合要求之后，方可進行混凝土的澆筑施工。

5 結語

本文以銅川市玉皇閣二號橋及引線工程百米雙肢空心薄壁墩的施工為例，闡述了液壓自爬模系統在超高墩施工中的應用。通過對滑模、翻模、爬模方法在技術、質量、安全、成本、工期等維度進行比選，選擇液壓自爬模系統進行施工，并利用SAP2000對選定的爬模系統進行設計計算。施工過程中，針對埋件系統的安裝定位、對拉螺桿的精準設置、面板修復、墩身垂直度控制等關鍵技術進行嚴格把關，保證工程質量。

目前，該橋梁左幅14#主墩已經完成施工，各項承載力指標和使用功能情況良好，安全可控。結構有限元理論計算和施工實踐都證明了液壓自爬模技術在超高墩施工中具備可行性和可靠性，本文研究內容可為類似百米高墩施工提供參考。