大跨度公路橋梁薄壁空心墩翻模受力分析

魏延平，亓燕秋

（1.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 商洛 726000；2.中煤特殊鑿井有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，高速公路橋梁建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)期，橋梁墩臺(tái)的設(shè)計(jì)和選擇越來越多[1]。并且近年來我國西部高速公路發(fā)展迅猛，公路建設(shè)開始向山區(qū)延伸，這些地區(qū)山勢陡峭，高差很大，且場地狹窄，使得在橋梁建設(shè)中大量采用高橋墩結(jié)構(gòu)[2]-[3]。高橋墩結(jié)構(gòu)施工常規(guī)的施工方式為支架施工，該方法需搭設(shè)大量腳手架，不僅耗費(fèi)大量的人力、物力，且工序復(fù)雜、進(jìn)度緩慢、安全系數(shù)低[4]。薄壁空心墩是目前橋梁高墩設(shè)計(jì)中廣泛采用的行之有效的方法。薄壁空心高墩是指墩身高度大于30m，墩身形式多為空心、薄壁、變截面或者等截面矩形的橋墩。雖翻模在薄壁空心墩工程實(shí)際當(dāng)中成功應(yīng)用的案例不少，但關(guān)于其中塔吊提升能力與空心墩模板翻升的高度以及塔吊提升頂桿支承力與模板尺寸的關(guān)系，以及其使用過程中的安全系數(shù)還缺乏定量的數(shù)據(jù)積累，在以后實(shí)際應(yīng)用中對頂桿穩(wěn)定性和群桿支承能力等問題有待于研究[5]-[7]。本文結(jié)合商洛市環(huán)城北路6#大橋橋梁墩臺(tái)施工，進(jìn)一步對薄壁空心墩翻模受力進(jìn)行探索。

1 工程概述

商洛市環(huán)城北路6#大橋位于商州區(qū)大趙峪街道辦事處劉塬溝間，橫跨低山丘陵區(qū)內(nèi)溝谷地帶。橋長同為461m，單幅橋面總寬度為11m。本橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土先簡支后連續(xù)T梁?？鐝讲贾茫?5m×30m；高度大于35m的左右幅11#～12#橋墩采用了空心墩加群樁基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制吊裝的施工形式。空心墩混凝土標(biāo)號(hào)為C40。翻模是以凝固的混凝土墩體為支承主體，通過附著于已完成的混凝土墩身上的下層模板支撐上層施工模板及平臺(tái)，從而完成鋼筋成型、模板就位和校正、混凝土澆筑等工作，隨后進(jìn)行下一道施工循環(huán)階段的施工。商洛市環(huán)城北路6#大橋橋梁墩臺(tái)施工運(yùn)用翻模施工工藝，有效地節(jié)約了成本，縮短了薄壁空心墩臺(tái)的工期[8]。

2 翻模受力分析

2.1 風(fēng)荷載作用

作用在建筑物上的受力往往都比較復(fù)雜，這其中既有均布荷載又有集中荷載，既有水平荷載又有垂直荷載，但是荷載不能直接疊加，但由荷載產(chǎn)生的荷載效應(yīng)卻可以直接進(jìn)行疊加，即所謂的荷載效應(yīng)組合[9]。

由于薄壁空心墩臺(tái)的翻模模板由幾何尺寸不同的鋼大模板拼裝而成，由于翻模采用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)層2.25m，底節(jié)模板為4.5m，因此按最不利荷載計(jì)算的原則[54]，以外模板正面7.0m×4.5m尺寸為控制進(jìn)行驗(yàn)算。為保證墩身模板的穩(wěn)定，在承臺(tái)上預(yù)埋φ30mm鋼筋，起到墩身模板施工過程中固定底節(jié)模板作用，為確保模板的穩(wěn)定，在鋼管上焊接[10]型鋼支撐模板，模板的風(fēng)向迎面示意見圖1。

圖1 薄壁空心墩臺(tái)的翻模模板風(fēng)向迎面示意圖

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中關(guān)于垂直于翻模模板表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

其中：Fwh—橫橋向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN）

Fwh1—順橋向風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN）

Wd—設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓（kN/m2）

Awh-橫橋向迎風(fēng)面積（m2），根據(jù)模板橫橋向結(jié)構(gòu)尺寸

Awh-順橋向迎風(fēng)面積（m2），根據(jù)模板順橋向結(jié)構(gòu)尺寸

K0-設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)，查規(guī)范取1.0

K1-風(fēng)載阻力系數(shù)，查規(guī)范取0.8

K2-地形、地理?xiàng)l件系數(shù)，查表取為1.0

不同風(fēng)級(jí)下對應(yīng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算表表1

Vd-結(jié)構(gòu)所在高度處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，查當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù)，本式中取25m/s，可求出Wd=0.38 kN/m2。

則底節(jié)墩身模板所承受的風(fēng)荷載Fwh為：取順橋向風(fēng)荷載進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算荷載為：

計(jì)算得最大支反力：Rmax=3.68kN

根據(jù)得到的支反力，對支撐模板的[10]型鋼進(jìn)行驗(yàn)算。其長細(xì)比，初步按兩端鉸接計(jì)算：

根據(jù)公路橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范中受壓的穩(wěn)定性驗(yàn)算，臨時(shí)結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力按1.3倍的提高系數(shù)進(jìn)行折減考慮：

N/ФA=48.1MPa≤0.336×1.3×140=61.1MPa故，由型鋼所支撐的底節(jié)模板在風(fēng)荷載作用下，能夠滿足翻模穩(wěn)定性要求，但是可以看出，風(fēng)荷載對其影響程度不可忽略。

由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中關(guān)于風(fēng)荷載的計(jì)算方法，查得該工程所在地風(fēng)荷載參數(shù)，不同風(fēng)級(jí)的影響下，對應(yīng)的風(fēng)荷載大小見表1及圖2。

由表1可作出不同風(fēng)級(jí)與風(fēng)速、風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值關(guān)系，見圖2。

圖2 不同風(fēng)級(jí)與風(fēng)速、風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值關(guān)系

由表1和圖2可以看出，風(fēng)級(jí)越大，風(fēng)速幾乎呈線性增長，而風(fēng)壓和風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值呈幾何倍數(shù)增長。風(fēng)荷載的對翻模施工的影響是較大的，在受力分析中應(yīng)重點(diǎn)分析及驗(yàn)算。

2.2 混凝土側(cè)壓力作用

由于國內(nèi)對混凝土壓力計(jì)算上基本一致，認(rèn)為對于不同的結(jié)構(gòu)類型，即使一次澆筑高度以及澆筑速度不同，但是實(shí)際測得的混凝土側(cè)壓力分布曲線的走勢是基本相似的，按照通常采用的計(jì)算公式得出側(cè)壓力的前提是混凝土基本上已經(jīng)初凝或者具備“獨(dú)立”能力而處于穩(wěn)壓的狀態(tài)。本工程實(shí)例中，暫且采取常規(guī)的計(jì)算側(cè)壓力的公式，即不考慮不同混凝土狀態(tài)下對模板產(chǎn)生的側(cè)壓力的值有所不同，并且忽略傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載，統(tǒng)一將現(xiàn)澆混凝土對翻模板側(cè)壓力轉(zhuǎn)化為一個(gè)定值。根據(jù)我國《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB5020-92）給出的公式，當(dāng)混凝土分級(jí)澆筑時(shí)，混凝土對外模板的側(cè)壓力通過計(jì)算得曲線，見圖3不同工況下混凝土側(cè)壓力對翻模模板的作用。

由圖3不同工況下混凝土對模板側(cè)壓力的荷載分布圖，可以得出混凝土對模板的側(cè)壓荷載的分布及荷載值情況。

圖3 各工況側(cè)壓力荷載分布圖

圖4 （a）工況1應(yīng)力分布云圖

2.3 風(fēng)荷載與混凝土側(cè)壓力協(xié)同作用

2.3.1 有限元模型建立

通過將風(fēng)荷載以及混凝土側(cè)壓力共同施加在翻模模板上，進(jìn)行有限元模擬分析，對工程中翻模采用大型有限元軟件ANSYS12.0進(jìn)行建模分析，翻模的外模采用大型鋼板，在Ansys12.0中采用板殼單元shell181，結(jié)合實(shí)際工況，據(jù)混凝土澆筑0.9m、1.8m、2.7m、3.6m、4.5m，轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的側(cè)壓力分級(jí)施加，得到不同工況下的應(yīng)力云圖，見圖4。

2.3.2 數(shù)值結(jié)果分析

圖4 (b)工況2應(yīng)力分布云圖

圖4 (d)工況4應(yīng)力分布云圖

圖4 (c)工況3應(yīng)力分布云圖

圖4 (e)工況5應(yīng)力分布云圖

通過各應(yīng)力云圖可以觀察到，隨著混凝土澆筑高度的增加，混凝土側(cè)壓力不斷增大，表現(xiàn)在翻模模板上的應(yīng)力分布也不斷變化，應(yīng)力比較集中的部位由模板的中部位置，逐漸向模板接縫的兩端過渡，應(yīng)力值也在不斷增加，結(jié)構(gòu)的變形形式也會(huì)發(fā)生變化，雖然總體當(dāng)混凝土澆筑高度達(dá)到最大值時(shí)，應(yīng)力值依然沒有超過其極限抗拉強(qiáng)度值。但也可得出，風(fēng)荷載以及混凝土側(cè)壓力協(xié)同作用對模板的力學(xué)響應(yīng)不可忽視。這印證了薄壁空心高墩翻模施工時(shí)須采取構(gòu)造措施，如設(shè)置鋼橫肋、縱肋增加結(jié)構(gòu)的剛度，以保持翻模的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論及建議

在正確的分析設(shè)計(jì)下，商洛市環(huán)城北路6#大橋的4個(gè)橋墩翻模施工歷時(shí)3個(gè)月順利完成施工，這是翻模施工薄壁空心高墩又一應(yīng)用成功案例。通過本工程中薄壁空心高墩的翻模受力分析，可得出以下結(jié)論。

①風(fēng)級(jí)越大，風(fēng)速幾乎呈線性增長，而風(fēng)壓和風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值呈幾何倍數(shù)增長，風(fēng)荷載的對翻模施工的影響是較大的，在受力分析中應(yīng)重點(diǎn)分析及驗(yàn)算。

②不考慮不同混凝土狀態(tài)下對模板產(chǎn)生的側(cè)壓力的值有所不同，忽略傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載，進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)薄壁空心高墩翻模受力是可行的。

③由數(shù)值分析結(jié)果可看出：風(fēng)荷載以及混凝土側(cè)壓力協(xié)同作用對模板的力學(xué)響應(yīng)不可忽視，薄壁空心高墩翻模施工時(shí)須采取構(gòu)造措施，如設(shè)置鋼橫肋、縱肋增加結(jié)構(gòu)的剛度，以保持翻模的穩(wěn)定性。

④關(guān)于翻模的模板的承載力驗(yàn)算問題，由于目前理論上對于混凝土的強(qiáng)度對模板的影響沒有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際的驗(yàn)算并不能全部滿足模板本身的承載能力設(shè)計(jì)值，對于混凝土強(qiáng)度與模板支撐體系的相關(guān)協(xié)調(diào)性有待于研究。

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