移动模架

移动模架工法的关键问题及解决策略研究*黄成造1项贻强2汪劲丰2张少锦1赵阳2（1.广州珠江黄埔大桥有限公司,广东，广州,5107352.浙江大学土木工程系,浙江，杭州,310027）摘要：移动模架工法由于其具有安全、经济、高效及施工质量易于保证等优点，在我国桥梁工程建设中得到了越来越广泛的应用。本文以广州珠江黄埔大桥成套技术研究为背景，针对移动模架的设计制造及施工使用缺乏专业的规范和技术标准等问题，对移动模架工法中的关键技术进行了论述，并对设计计算、安全监测及质量控制等的解决方案进行了探讨。这对确保模架施工安全、提高模架施工质量具有非常重要的现实意义。关键词：移动模架，成套技术，关键问题，解决策略移动模架施工法由于其具有安全、经济、高效及施工质量易于保证等优点而得到了广泛应用。移动模架工法在我国的桥梁建设中得到了大力推广，本文从确保移动模架施工安全及质量、提高目前我国移动模架施工能力和水平的角度，对移动模架工法的关键技术问题进行了阐述，并对各自的解决方案进行了探讨。1移动模架工法现状及关键技术移动模架工法简称MSS(MovableScaffoldingSystem)工法，最早于1959年前西德施特拉巴克公司开发始用于Andernach附近联邦9号高速公路的克钦卡汉大桥(该桥为13×39.2m)的预应力混凝土连续箱梁，因其设备制造费用昂贵，用钢量很大，一度在当时推广应用受到很大的局限性。1970年，挪威工程师和机械制造商合作，设计出了新型的MSS造桥机，该系统在超过100多个桥梁工程的实践中，经过多年反复优化，MSS造桥机已发展成为重量轻、安装简易、操作高效、并具有国际著名的液压和起重系统而享誉世界的桥梁施工设备。70年代移动模架工法传入日本、美国，现已推广于全世界，成为最主要的建桥方法之一。就我国而言，移动模架最早是由中国路桥公司使用于伊拉克建造的摩索尔四号桥和五号桥。国内首次应用于公路桥梁施工的是福建厦门的高集海峡大桥，选用了42m等跨径、等截面、分离式双箱预应力混凝土连续染桥，总长2070m。我国的移动模架法的施工跨度从30m、40m到50m，发展到目前珠江黄埔大桥上的62.5m，施工最大总重量已达到了2650t，施工跨度及重量均已达到了世界之最。由于我国移动模架施工方法起步相对较晚，且有相当一部分移动模架的设计制造都是参考国外的。同时由于我国在钢材品质及制作加工工艺上同国际先进水平还存在一定的差距，导致移动模架在实际应用中还存在诸多问题，模架扭曲变形甚至倒塌的安全事故也时有发生，给人员安全、工程质量及工程进度等都带来了极为不好的影响。目前我国移动模架的设计及制作规范和标准还不完善，移动模架安全使用也缺少统一的指导书，这些工作都急需进一步完善。移动模架工法在我国桥梁工程建设中，虽已得到了广泛的应用，从设计制造及施工使用等各个方面都积累了非常丰富的经验。但从目前现状来看，有如下关键技术值得深入探讨：（1）移动模架工法的适用性及其分析方法；（2）移动模架的设计及分析验算；（3）移动模架的加工质量控制及产品验收办法；（4）移动模架使用过程中的安全监控；（5）移动模架施工混凝土桥梁的质量控制；（6）移动模架工法的系列指南及规范、标准的研究与制定。上述问题涉及面非常广，是一个系统课题。接下来，主要从模架的设计与使用角度，就移动模架的设计计算、安全监控、施工线形控制等的解决方案进行探讨。2设计计算方案移动模架结构体系复杂，且承重主梁一般是腹板带孔的箱形结构，模板系统一般是由面板加梁肋组成的组合结构，其受力复杂，基于材料力学的传统方法一般只能用于结构初步设计和选型计算。在模架的设计分析验算时，基于有限元的数值分析方法是目前进行模架受力分析的有效方法。在模架结构验算时，一般包括整体效应和局部效应两个方面，采用的是板壳单元和空间杆、梁单元。2.1分析思路其具体的分析思路如下：(1)认真阅读移动模架的设计图纸、桥梁施工组织设计及移动模架的拼装、移动资料，必要时到现场进行实地查看，确保对模架结构构造和工作原理的真正理解。(2)选择确定计算分析的力学物理参数。(3)根据移动模架的工作原理和作业环境，确定移动模架在使用过程中可能存在的荷载工况。(4)根据移动模架的传力机理，将移动模架结构分解成构件级，在此层面上，采用通用有限元软件，用梁、板壳及实体单元建立各受力构件的分析模型。(5)采用上述模型，按已拟定的荷载工况，对各构件的强度、刚度及屈曲稳定进行验算。(6)根据整体分析的计算结果，对需要进行局部分析的构件进行细部分析。(7)整理分析计算结果，便于。2.2计算荷载及组合正确分析移动模架在使用期间可能出现的荷载及其组合情况，是进行移动模架分析的关键一步。根据移动模架施工的实际情况，作用于其上的荷载主要有三类：(1)常规载荷：移动模架自重、浇注的混凝土重量、起吊物重量。用于屈服、弹性失稳及疲劳失效等验算。(2)偶然载荷：是指移动模架在正常工作时不经常发生的偶然出现的载荷，包括由工作状态的风引起的载荷。主要用于结构的强度验算。(3)其它载荷：是在其它某些特定情况下发生的载荷，包括在移动模架安装、纵移、平移及拆卸时出现的载荷，作用在移动模架的平台或通道上的载荷等。在进行移动模架结构计算时，将考虑三类不同的基本载荷情况：(1)无风工作的载荷情况；(2)带风工作的载荷情况；(3)受到特殊载荷的工作或非工作情况。2.3分析工况2.3.1空载状态将已合模、混凝土为浇注的状态称为空载状态。在此状态下，主要是分析横向风荷载作用下，模架主梁结构的受力情况。分析时主要考虑的荷载为：钢梁自重和静风荷载。对于风荷载的选取，可依据《公路桥梁抗风设计指南》。2.3.2首跨浇注将首跨＋悬臂段的施工工况，称为首跨浇注。该工况浇注的混凝土量最大，是模架主梁、上下横梁系统、模板系统及模架支承系统受力最为不利的一个工况。该工况下，要对主梁、横梁、模板、支承等构件进行全面验算，验算内容包括：强度、变形及稳定性。须分别考虑有风和没有风的情况：a）模架自重＋混凝土自重b）模架自重＋混凝土自重＋横向风荷载c）模架自重＋混凝土自重＋纵向风荷载2.3.3标准跨浇注将标准中间跨的施工定义为标准跨浇注。该工况下，重点对主梁模板、横梁等构件的变形进行验算，同时兼顾强度和稳定性的验算。验算工况主要为：模架自重＋混凝土自重2.3.4过渡跨浇注该工况并不是对所有的模架施工都存在的，只对于存在不同跨径过渡段的桥梁是存在的。该工况下，主要是对主梁模板、横梁等构件的变形进行验算，验算工况主要为：模架自重＋混凝土自重。2.3.5尾跨浇注将每一联最后一跨的施工，称为尾跨浇注。该工况下，主要是对主梁模板、横梁等构件的变形进行验算，验算工况主要为：模架自重＋混凝土自重2.3.6移动模架纵向行走移动模架在行走过程中，其支承条件不断变化，且受到纵向的水平推力。在该工况下，前、后鼻梁受力不利。要求对前后鼻梁的强度、变形及稳定性等进行验算。考虑的情况主要有：鼻梁最大剪力及鼻梁最大弯矩。3安全监测方案3.1监测状态分析移动模架在使用过程中要反复经历行走、合模、承重的过程，在这一过程中，其结构体系、支承条件及承受荷载都不尽相同。同时，移动模架还将受到风、温度等环境因素作用。因此，对于移动模架可分为三种工作状态：（1）行走状态（2）立模状态（3）混凝土浇注状态当移动模架处于行走工作状态时，其结构体系是变化的，从行走开始到行走到位要经历带双悬臂的简支、带单悬臂的两跨连续、带双悬臂的简支等体系变化过程；并且由于移动模架在不断移位，移动模架上各支承点的位置也是在不断变化的。移动模架处于行走状态时的复杂性主要体现在结构体系及支承条件的变化。该状态下，在移动模架主梁底部将受到摩擦力作用，在移动前的临界时刻是最大静摩擦力，在移动过程中收到的是滑动摩擦力。在该状态下，移动模架的前、后鼻梁处于受力较为不利的状态，须对前后鼻梁的应力进行监测。移动模架的立模状态是指移动模架前移到位、合模的状态，该状态下，移动模架处于空载，不是模架的最不利状态。但该状态是模架监控的基本状态，在该状态下要进行模架应力及变形的初值测量。移动模架的混凝土浇注状态是指在移动模架上浇注完混凝土、预应力张拉前的状态，该状态下移动模架将承受浇注跨的钢筋混凝土的全部重量。该状态又因施工位置的不同，其工作状况存在一定差异，如首跨施工、中间跨施工、尾跨施工等。该状态下，移动模架的主梁受力不利，主要表现在两个区域上：最大正弯矩区域、最大剪力区域，须对主梁进行应力监测。由于本移动模架均处于一般的自然条件之下，不论其处于何种工作状态，都不可避免地受到温度、风等自然环境条件的影响，温度、风等的作用同荷载作用一样，同样会引起结构的内力及变形。因此，在各中状态监测分析中，都须考虑自然环境的影响。3.2监测的内容基于上文有关移动模架工作状态的分析，移动模架安全的监测实际上主要是应力的监测，同时在混凝土浇注过程中还需进行相关变形的监测。应力监测的主要内容有：（1）行走状态移动模架前后鼻梁受力不利构件的应力监测；（2）立模状态移动模架鼻梁、主梁等的初始状态测量；（3）混凝土浇注状态移动模架主梁的应力监测；（4）混凝土浇注状态移动模架横梁吊杆系统的应力监测；（5）混凝土浇注状态移动模架支腿反力的监测；（6）移动模架在各种状态下环境条件的影响监测；（7）移动模架使用过程中，局域区域临时、加密应力测量。3.3应力监测方法移动模架是一全钢结构，在目前测试水平条件下，采用以钢弦式应力计为主进行应力监测是可行的，同时在必要时辅以电测应变片，通过测量测点应变换算应力值。其中，电阻应变片主要是考虑到移动模架在使用过程中，当局部构件出现异常状况时，或为了特定目的，如校验验证、专题研究等，用于局部区域应力的临时、加密测量。对于钢结构，其应力测量的计算公式如下：VE（1）式中，为荷载作用下钢结构测点的应力；E为钢材弹性模量；v为荷载作用下消除了温度影响的钢结构测点应变，即真应变。在实际测量的应变中包含了温度的影响，因此在钢结构应力测试计算时，须扣除温度引起的应变。考虑温度效应影响后，钢结构应力测量的计算公式如下：)()(tEEt（2）式中，为应力计所测得的应变，即总应变；t为温度变化引起的材料变形量，为钢材的线膨胀系数，t为温度变化量。因此在进行钢结构应力的测量的同时，还须同时进行温度的测量。对于钢弦式应力计，是利用传感器内腔中钢弦频率的变化来反映被测物体的应变。钢弦式应力计的输出信号为钢弦的振动频率，其与应变的关系为：gEllf2121（3）式中：f为钢弦自振频率；l为钢弦长度；为钢弦所受应力；钢弦材料的线密度。采用钢弦式应力计测得的是总应变。3.4应力测点布置在移动模架应力监测上，应本着“抓住重点、确保精度”的原则。在应力测点布置上主要考虑以下几个方面：（1）前后鼻梁：选择模架纵移中受力最为不利的杆件作为监测对象；（2）模架主梁：主要选择正弯矩最大和剪力最大截面作用应力的测试截面；（3）模板悬吊或支承系统：选择受弯和受拉最不利的部位进行应力测试；（4）支承系统：选择前支腿中部截面及前支承横梁的正弯矩最大截面进行应力测试。因此，应力测点的布置必须以模架结构的分析计算结果为依据，确保在应力测点的设置上做到有的放矢。3.5应力监测工况移动模架在整个使用过程中，有多种工作状态，在各种状态下需要监测的对象列于表1。表1移动模架应力监测工况一览表监测对象监测工况备注立模状态混凝土浇注开模状态行走状态模架主梁√√√连续监测模架导梁√√连续监测横梁吊杆系统√√√选取部分跨模架前支腿√√选取部分跨其它构件根据工程实际需要，具体另行确定3.6移动模架应力的环境效应监测由于移动模架处于野外工作环境，不论其处于何种工作状态，都不可避免地受到自然环境作用，其中最重要的是风和温度变化，因此有必要进行移动模架应力的环境效应监测。（1）在典型的气候条件下（春、夏、秋、冬），分别对各种工作状态下的移动模架主梁、导梁等应力的温度效应进行监测。要求连续24小时对应力进行监测，同时对温度进行