1. 引言
近年来，中国建设了许多高墩高塔桥梁。其高大的桥梁墩塔施工成为该类桥梁施工的关键环节，如何确保墩塔施工的质量、安全以及加快施工进度已经成为该类墩塔施工的重要课题之一 [1] [2] [3] [4] 。液压爬模施工技术因其在提高工程施工质量，加快施工进度和节省成本上具有的明显优势 [5] ，在高大桥梁墩塔和高层建筑施工领域的重要性日益突出，但由于液压爬模施工技术在应用于超高建筑物施工时，风险管控难度剧增，因此有必要对爬模系统的相关构件进行应力分析，了解其受力特性和工作状态，确保这些重要构件在施工过程中的安全性 [6] 。
在以往研究中，国内外学者结合具体项目，对爬模变截面爬升 [7] [8] [9] 、爬模拆改作业 [10] 、爬模结合布料机施工 [11] [12] 、爬模架体抗风拉结 [13] 、辅助爬升、绿色施工和安全防护等关键问题进行了较全面的分析 [14] [15] [16] [17] ，但具体工程项目中遇到的问题远不止上述研究，人们对其受力机理的认识不是很充足，且施工现场复杂多变，导致对爬模的设计偏于保守。
本文以某悬索桥辅塔液压爬升平台设备为依托，建立有限元模型，分析设备在不同工况下的结构响应，调整相关的构造，验证平台强度与稳定性，以确保液压自爬升平台的施工安全。
2. 爬升模板系统组成
液压自爬模系统由模板系统、液压系统、预埋件系统和爬架系统组成 [18] ，本文以某高度为130.0 m的悬索桥辅塔施工项目为背景，针对本项目的地理环境及塔柱特点设计的爬升平台架体为桁架式架体，采用整体式结构，单元架体结构自重约1.7 t，外模爬架共有5层操作平台，①层平台为顶平台；②层平台为主操作平台；③层平台为爬架爬升控制平台；④层平台涂装平台；⑤层平台为挂座拆卸平台。爬升平台各部构造如图1所示，辅塔外模共有A、B、C、D共4个爬模单元架体，以下分析以A单元架体为例。
3. 自爬升平台荷载及工况设计
3.1. 平台荷载
3.1.1. 重力荷载
1) 平台上恒荷载包括架体外围防护网、上下架体、平台梁、平台板、钢管、人工作业辅助装置及翻板、扣件等在内的平台钢结构构件自重，约102.7 kN，按照1.0 kN/m2的面荷载换算成线荷载施加在平台梁上。
2) 平台上活荷载的布置为①层平台3.0 kN/m2，②层平台1.0 kN/m2，③层和④层平台其中一层1.0 kN/m2。同样换算成线荷载施加在平台梁上。
Figure 1. Hydraulic climbing platform structure diagram
图1. 液压爬升平台构造图
3.1.2. 风荷载
平台结构采用整体设计，当平台处于退模爬升及合模浇筑状态时，按照7级风设计，风速17.1 m/s，根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》规定 [19] ，计算此时模板迎风面风压为0.47 kN/m2，模板背风面风压为0.29 kN/m2；当平台处于停工状态时，按照11级风设计，风速32.6 m/s，计算此时模板迎风面风压为1.69 kN/m2，模板背风面风压为1.06 kN/m2。
3.2. 平台工况设计
3.2.1. 工况设计
根据自爬升平台处于爬升状态、浇筑状态及停工状态时的受力情况不同，该液压自爬升平台结构安全计算需考虑以下工况。
1) 工况一爬模爬升状态，爬模系统承受7级风荷载、自重和临时施工荷载，检算此时爬模系统受力和变形情况。
2) 工况二混凝土浇筑阶段，爬模系统承受7级风荷载、自重和临时施工荷载，检算此时爬模系统受力和变形情况。
3) 工况三停工状态，采取固定措施后爬模系统承受自重、11级风荷载，检算此时爬模系统受力和变形情况。
3.2.2. 荷载组合
本工程设计采用以下荷载组合：① 1.3 D + 1.5 L；② 1.3 D + 1.5 W；③ 1.0 D + 1.5 W；④1.3 D + 1.5 L + 0.6 × 1.5 W；⑤ 1.0 D + 1.5 L + 0.6 × 1.5 W；⑥ 1.3 D + 0.7 × 1.5 L + 1.5 W；⑦ 1.0 D + 0.7 × 1.5 L + 1.5 W，其中D为恒荷载标准值，L为活荷载标准值，W为风荷载标准值。
4. 架体模型及优化措施
4.1. 架体模型
采用有限元软件Midas Gen建立爬模架体的计算模型，以A单元架体为例，优化前架体模型如图2所示，优化后架体模型如图3所示，结构构件等选用一般梁单元模拟。
4.2. 优化措施
对于原设计方案中存在的问题，采取以下措施解决：
1) 爬模架体最大应力303.6 MPa，出现在中平台中间一根纵梁的中部位置，不满足强度设计要求，最大位移变形37.3 mm，出现在此根纵梁悬挑端部，在进行优化设计时将这根梁的截面由单槽钢14a改为双槽钢14a (间距50)。
2) 对于上架体4根立杆不满足设计要求的问题，将其使用的钢材Q235修改为Q355，同时在立杆之间增加截面为L100 × 8的剪刀撑。
3) 为保证架体结构在11级大风作用下的安全性，将吊平台立杆全部由Q235钢修改为Q355钢，大风到来之前在中平台立杆之间加装斜撑。
5. 计算结果及分析
5.1. 工况1下的结构响应
以A单元架体为例，爬模爬升状态下，架体承受7级风荷载作用，爬模架体最大应力127.8 MPa，位于中平台外侧纵梁中部，从图中可以看出中平台纵梁中部及吊平台纵梁中部应力较大，其余位置较小，如图4所示，最大位移变形为24.6 mm，出现在中平台悬挑梁端部，如图5所示。
5.2. 工况2下的结构响应
浇筑状态下，架体承受7级风荷载作用，爬模架体最大应力128.5 MPa，同样出现在中平台外侧纵梁中部，如图6所示，最大位移变形为25.0 mm，出现在中平台悬挑梁端部，如图7所示。
5.3. 工况3下的结构响应
停工状态下，架体承受11级风荷载作用，爬模架体最大应力183.9 MPa，位于中平台横梁中部，如图8所示，最大位移变形为22.8 mm (最大位移较前两个工况有所减小是由于11级风到达之前临时加装斜撑的原因)，出现在吊平台悬挑梁端部，如图9所示。
Figure 4. Structural stress diagram under working condition I
图4. 工况一下的结构应力图
Figure 5. Structural displacement diagram under working condition I
图5. 工况一下的结构位移图
Figure 6. Structural stress diagram under working condition II
图6. 工况二下的结构应力图
Figure 7. Structural displacement diagram under working condition II
图7. 工况二下的结构位移图
Figure 8. Structural stress diagram under working condition III
图8. 工况三下的结构应力图
Figure 9. Structural displacement diagram under working condition III
图9. 工况三下的结构位移图
综上，工况三即停工状态下架体受风荷载影响较大，最大应力为183.9 MPa，大约是爬升工况和混凝土浇筑工况下的1.4倍，其所处的中平台横梁为Q355级钢材，强度设计值为310 MPa，满足设计要求，此外，三种工况下架体所受到的位移变形虽然满足设计要求但均较大，最大位移变形大多位于各平台悬挑梁端部，需要在施工过程中要采取一些拉结措施。
5.4. 结果分析
从计算结果中可以看出，通过采取在立柱之间增加剪刀撑、增大部分构件的截面、提高钢材强度以及在11级大风到来之前，中平台立杆之间增加临时斜撑等优化措施之后，爬模架体受到的最大应力减小为183.9 MPa，位于中平台横梁中部，满足强度设计要求。最大位移变形减小为25.0 mm，出现在中平台悬挑梁端部，满足设计要求。各架体不同工况下的计算结果如表1所示。
Table 1. Structural response of each unit of climbing mold frame body under different working conditions
表1. 各单元爬模架体不同工况下的结构响应
通过分析表中数据可以得出，各单元架体在工况一和工况二下的最大应力以及最大位移相差不大，但工况三(11级风)下的最大应力值远高于工况一和工况二，最大位移也高于工况一和工况二(A单元架体除外)，由此可见风荷载对爬模架体的影响非常大。各单元爬模架体优化后的设计满足规范要求。
6. 结语
本文通过对某悬索桥辅塔A、B、C、D4个爬升平台单元进行有限元模拟分析，得出如下结论：
1) 对于在设计过程中不满足要求的杆件采取增大截面和提高钢材强度的措施，A单元部分杆件应力虽满足要求，但应力水平偏高，将其材质改为Q355。
2) 在上架体立杆之间增加了剪刀撑，11级大风到来之前在中平台立杆之间加装斜撑以增加爬升平台结构的安全储备。
3) 各平台在风荷载作用下悬挑梁端部的水平位移较大，其中A单元架体在工况二下中平台悬挑梁端部的最大位移变形达到25.0 mm，因此进行现场施工应用时，应对悬挑部分重点关注。
4) 在风力达到7级以上时，要停止爬模作业，同时还要对架体做相应的拉结措施，把塔柱四周的架体连成一个整体。
参考文献