大型異形混凝土墩柱的定制鋼模板施工技術(shù)

葉文啟

1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；2. 中天建設(shè)集團(tuán)有限公司 杭州 310020

1 工程概況

金沙江路真北路人行天橋工程位于上海市普陀區(qū)長(zhǎng)風(fēng)生態(tài)商務(wù)區(qū)西北部，橫跨中環(huán)線（真北路）、金沙江路和軌道交通13號(hào)線，連接金沙江路與真北路交叉口的4個(gè)象限地塊，建成后可疏導(dǎo)地區(qū)交通、減緩高峰期道路擁堵。

項(xiàng)目的橋體部分為整體預(yù)制的鋼結(jié)構(gòu)橋身，在工廠中建造完畢后分塊進(jìn)行運(yùn)送、吊裝，在臨時(shí)支撐墩的支撐下完成起吊、對(duì)接、安裝作業(yè)。橋墩地面部分為4個(gè)大型異形混凝土墩柱，外觀為自下而上逐漸變寬的、包含24個(gè)側(cè)立面的不規(guī)則類梯形臺(tái)，選用清水混凝土施工工藝作為表觀裝飾方案（圖1）。

該橋墩的施工具有模板定位精度要求高、混凝土對(duì)模板的側(cè)向壓力大、模板接縫處開裂風(fēng)險(xiǎn)高、混凝土表面平整度要求高、鋼筋綁扎與固定難度大等一系列困難因素，對(duì)施工技術(shù)提出了非常高的要求。

圖1 橋墩外形效果圖

由于橋墩地面部分體積大、形狀不規(guī)則，因此在混凝土澆筑過(guò)程中，會(huì)對(duì)模板產(chǎn)生極大的側(cè)向壓力，對(duì)模板材料性能和加固體系均提出了較高要求[1]。因此前沒(méi)有此類大型異形墩柱的施工經(jīng)驗(yàn)，本工程在施工設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)計(jì)算和計(jì)算機(jī)軟件模擬，最后決定采用大型定制鋼模板來(lái)進(jìn)行橋墩的混凝土澆筑施工，采用鋼結(jié)構(gòu)桁架、鋼管支撐排架和對(duì)拉螺桿相結(jié)合的方案進(jìn)行鋼模板的加固和支撐，從而保證施工過(guò)程中模板的拼合牢固、支撐穩(wěn)定。

2 定制鋼模板工藝特點(diǎn)

1）鋼模板的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)模板，其面板具有整體平面剛度，由鋼模板面板組成的模殼本身即有一定的承重能力，因此不僅可以滿足大型混凝土墩柱施工中的混凝土側(cè)壓力要求，還可以滿足外觀上大下小的異形墩柱在施工過(guò)程中混凝土自重的豎向承載力要求。定制鋼模板施工工藝能夠滿足各種外觀的異形混凝土墩柱的施工工況，以鋼桁架體系固定的定制鋼模板本身具有承受一定施工荷載的能力，并且能夠滿足復(fù)雜工況條件下的鋼筋綁扎施工要求。

2）采用定制鋼模板施工的成品混凝土墩柱具有表面平整度高、外形尺寸偏差小、材料消耗低等優(yōu)點(diǎn)，還可以滿足清水混凝土裝飾方案對(duì)施工技術(shù)的嚴(yán)苛要求，為裝飾工程提供多種可能，節(jié)約裝飾工程費(fèi)用。并且在加固桁架體系、滿堂排架支撐體系和對(duì)拉螺桿體系的綜合作用下，鋼模板安全系數(shù)高，混凝土澆筑過(guò)程可控而穩(wěn)定，可以確保重大危險(xiǎn)源工程的安全施工。

3）定制鋼模板施工技術(shù)克服了大型異形混凝土墩柱施工難的問(wèn)題，為市政工程建設(shè)中橋梁墩柱和裝飾性墩柱的設(shè)計(jì)提供了更廣泛的可能性；以往難以施工的外形設(shè)計(jì)方案可以使用定制鋼模板進(jìn)行施工，可提高市政工程的觀賞性和藝術(shù)價(jià)值，為市容美化作出貢獻(xiàn)。

3 施工流程

1）異形墩柱定制鋼模板施工流程為：測(cè)量放線→模板工廠試拼及驗(yàn)收→模板運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)→吊裝關(guān)鍵部位模板及加固桁架→設(shè)置臨時(shí)支撐排架→核心部分鋼筋制作綁扎→沿模板邊緣的箍筋制作及綁扎錨固→外挑部分的箱型鋼筋籠制作綁扎→其他部分鋼筋的制作及綁扎錨固→對(duì)拉螺桿安裝→剩余模板及加固桁架吊裝→以螺栓固定各模板和桁架分塊→檢查模板位置→以千斤頂進(jìn)行模板位置校正→拆除臨時(shí)支撐排架→進(jìn)行滿堂排架安裝→澆筑混凝土→拆除模板及其加固體系。

2）異形墩柱鋼筋加工制作順序?yàn)椋憾罩诵氖芰︿摻铙w系→出挑部分的箍筋體系→出挑部分的斜撐鋼筋體系→其他部分鋼筋。

4 深化設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用

我們從鋼模板廠定制用于大型異形混凝土墩柱澆筑施工的鋼模板，以及用于鋼模板加固支撐的槽鋼桁架。鋼模板的加固由槽鋼桁架體系、對(duì)拉螺桿體系和滿堂排架體系組成，保證模板在加固過(guò)程中的穩(wěn)定性。3種體系在加固過(guò)程中共同作用，相互支撐；相關(guān)節(jié)點(diǎn)的可靠度和穩(wěn)定性驗(yàn)算非常復(fù)雜，傳統(tǒng)施工安全計(jì)算軟件無(wú)法進(jìn)行合理驗(yàn)算，因此我們選用Ansys和Midas等有限元計(jì)算分析軟件進(jìn)行安全性驗(yàn)算，并且對(duì)需要加固的部分進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)（圖2）。

圖2 橋墩模板3D建模和加工現(xiàn)場(chǎng)

4.1 異形墩柱鋼模板分塊設(shè)計(jì)

首先根據(jù)混凝土墩柱外形，對(duì)鋼模板進(jìn)行合理的分塊處理。因模板間以螺栓連接的部位相對(duì)薄弱，所以原則上盡量減少分塊數(shù)量。但考慮鋼筋施工等因素，同一塊模板的轉(zhuǎn)折夾角不宜過(guò)小，故綜合考慮各種因素后決定模板分塊數(shù)量和分塊位置[2]。確定分塊后在加工廠內(nèi)對(duì)鋼模板進(jìn)行加工制作；在定制鋼模板表面按照平行于鋼板間接縫的方向等距焊接槽鋼，用于增加鋼模板的平面剛度，減少模板變形對(duì)施工質(zhì)量的不利影響；并提供與桁架進(jìn)行橫向連接的焊接點(diǎn)。多塊模板之間采用螺栓進(jìn)行連接。

4.2 異形墩柱鋼模板加固桁架設(shè)計(jì)

在模板設(shè)計(jì)的同時(shí)，設(shè)計(jì)制作與之配套的鋼結(jié)構(gòu)桁架加固體系。按照橫向均勻傳遞側(cè)壓力的原則進(jìn)行加固桁架體系設(shè)計(jì)，再運(yùn)用有限元計(jì)算技術(shù)模擬側(cè)壓力下桁架各部分的受力情況和變形情況（圖3），綜合考慮各種影響因素進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。桁架采用3層槽鋼焊接，上下2層為多重環(huán)形，用于承受混凝土初凝前對(duì)模板的側(cè)向壓力；中間層與上下2層焊接，起到連接桁架中多個(gè)平行環(huán)形體系，并向外側(cè)傳遞側(cè)壓力的作用。桁架應(yīng)和對(duì)應(yīng)鋼模板共同進(jìn)行分塊，不同塊之間以多孔螺栓板進(jìn)行連接。鋼結(jié)構(gòu)加固桁架同樣在加工廠進(jìn)行定制，制作完成后焊接于相應(yīng)模板分塊上（圖4）。

圖3 第6層桁架有限元計(jì)算設(shè)計(jì)建模

4.3 異形墩柱箍筋建模設(shè)計(jì)

圖4 加固桁架建模設(shè)計(jì)和加工現(xiàn)場(chǎng)

由于異形混凝土墩柱的受力情況較為復(fù)雜，在配筋設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了較大的安全系數(shù)；其內(nèi)部整體配筋原則為以中心部分的規(guī)則等截面棱柱體為豎向主受力柱進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，四周挑出的結(jié)構(gòu)按類似懸臂梁的配筋方式進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)；兩者之間設(shè)計(jì)錨固鋼筋，按照模板輪廓線設(shè)計(jì)整體箍筋。

設(shè)計(jì)院只給出了頂面和底面2個(gè)截面的箍筋配筋圖，我公司利用三維建模技術(shù)，截取了各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平面的輪廓線，在各個(gè)標(biāo)高處進(jìn)行了配筋深化設(shè)計(jì)，便于在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鋼筋預(yù)制施工（圖5）。

圖5 不同標(biāo)高模板輪廓線截取

現(xiàn)場(chǎng)的鋼筋施工按照先制作綁扎中心受力筋，再布設(shè)綁扎箍筋，然后制作挑出部分鋼筋籠，最后制作錨固鋼筋將各部分連接為整體的順序進(jìn)行。中心受力筋的施工過(guò)程類似常規(guī)等截面混凝土柱配筋施工；箍筋施工前應(yīng)先豎立出挑部分的角模，以進(jìn)行尺寸核對(duì)，防止出現(xiàn)鋼筋穿出保護(hù)層或者保護(hù)層過(guò)厚的情況；出挑部分鋼筋制作完成后按照設(shè)計(jì)院出圖和深化設(shè)計(jì)圖進(jìn)行錨固鋼筋加工綁扎，使整個(gè)鋼筋受力體系連為整體。

4.4 異形墩柱鋼模板支撐排架和對(duì)拉螺桿

在現(xiàn)場(chǎng)模板吊裝裝配、鋼筋施工完成后，我公司對(duì)滿堂支撐排架和對(duì)拉螺桿加固體系進(jìn)行了設(shè)計(jì)；利用三維建模技術(shù)控制排架尺寸和間距，使其能夠順利穿過(guò)各層桁架；利用有限元計(jì)算技術(shù)進(jìn)行安全驗(yàn)算，確保混凝土澆筑、初凝前不會(huì)因過(guò)大的側(cè)向壓力和豎向荷載而產(chǎn)生安全隱患（圖6～圖8）。

圖6 支撐排架建模設(shè)計(jì)（局部）

圖7 對(duì)拉螺桿建模設(shè)計(jì)

圖8 桁架和支撐排架安裝現(xiàn)場(chǎng)

5 質(zhì)量控制

5.1 模板質(zhì)量控制

在模架上制作鋼模板及其加固桁架，制作要求為尺寸精確，表面平整度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，接縫處不得產(chǎn)生空鼓，轉(zhuǎn)角角度精確、保持不同標(biāo)高的轉(zhuǎn)角角度一致；模板分塊的連接處應(yīng)預(yù)留準(zhǔn)確的螺栓孔，螺栓孔尺寸必須符合設(shè)計(jì)要求，并且對(duì)接精確[3]。模板在出廠前須進(jìn)行試拼，在保證拼合完好、接縫平順、相應(yīng)螺栓孔全部精確對(duì)接的情況下方可同意接收，并運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。在模板運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)該使用砂輪磨光機(jī)或者同類設(shè)備進(jìn)行模板表面打磨，將模板上的銹跡和其他污垢清理干凈，在打磨之后涂刷脫模劑，涂刷過(guò)程應(yīng)保持有序均勻，無(wú)死角、無(wú)遺漏。

5.2 測(cè)量控制

鋼模板吊裝前應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)量放線，在地面安裝定位鋼筋來(lái)輔助進(jìn)行定位安裝。測(cè)量放線前應(yīng)在異形墩柱的施工位置承臺(tái)面混凝土做鑿毛處理并進(jìn)行清理，保證地面的平整度和清潔度；根據(jù)導(dǎo)線點(diǎn)設(shè)置墩柱的中心軸線并進(jìn)行標(biāo)記；該軸線應(yīng)延長(zhǎng)至模板外一定距離，在其余模板安裝過(guò)程和混凝土澆筑過(guò)程中可以用于幾何參數(shù)與坐標(biāo)校正。其余墩柱的外輪廓線也應(yīng)在測(cè)量出控制點(diǎn)后進(jìn)行彈線，確定模板外輪廓以進(jìn)行模板組裝施工。由于墩柱施工的特殊性和工況復(fù)雜性，放線完畢后應(yīng)該進(jìn)行驗(yàn)線，保證放線與驗(yàn)線人員、方法、設(shè)備三分離；其中平面和高程控制、主軸線測(cè)設(shè)、高程傳遞、曲線、中線測(cè)設(shè)等關(guān)鍵測(cè)量環(huán)節(jié)應(yīng)該組織專業(yè)人員驗(yàn)線，其余由質(zhì)檢員驗(yàn)線。

5.3 鋼筋綁扎質(zhì)量控制

鋼筋綁扎應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸和位置進(jìn)行施工。應(yīng)保證所用鋼筋質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，按照每60 t一批次進(jìn)行3根抽樣送檢，分別做抗拉試驗(yàn)（對(duì)屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率進(jìn)行測(cè)量）、冷彎試驗(yàn)和可焊性試驗(yàn)。骨架鋼筋在安裝時(shí)應(yīng)該保證布置間距均勻一致，在鋼筋與模板之間放置混凝土墊塊，與鋼筋之間綁扎牢固、相互交錯(cuò)。墊塊顏色應(yīng)與其他混凝土盡量接近，以免造成色差，影響整體視覺(jué)效果[4]。在縱向主承力鋼筋中，任一截面的焊接處比例不得超過(guò)一半，相鄰鋼筋的焊接處之間在豎向至少間隔1 m。箍筋可以通過(guò)計(jì)算機(jī)建模截取計(jì)算來(lái)獲取長(zhǎng)度、角度，進(jìn)行預(yù)制加工，以增加工作效率并保證保護(hù)層厚度均勻（圖9、圖10）。

圖9 箍筋向核心鋼筋內(nèi)錨固

圖10 挑出部分鋼筋籠制作

5.4 模板與加固桁架安裝質(zhì)量控制

先安裝對(duì)于箍筋安裝有定位作用的角模板及相連的加固桁架，再進(jìn)行鋼筋施工；其余模板及相連接的加固桁架在鋼筋安裝完畢后進(jìn)行安裝。安裝應(yīng)使用250 kN以上的汽車吊進(jìn)行，吊裝就位后在模板與承臺(tái)混凝土接觸面鋪設(shè)砂漿找平層，或者采用橡膠皮墊止?jié){，防止因承臺(tái)混凝土地面平整度不夠而導(dǎo)致漏漿；模板全部就位后，使用全站儀檢查其中線、高程、垂直度等指標(biāo)，對(duì)于誤差較大的位置可以使用千斤頂進(jìn)行微調(diào)；在各項(xiàng)指標(biāo)準(zhǔn)確后鎖緊各塊模板之間預(yù)留的螺栓連接板。

5.5 對(duì)拉螺桿安裝質(zhì)量控制

對(duì)拉螺桿安裝前應(yīng)在模板相關(guān)位置預(yù)留螺桿孔道。預(yù)留孔道應(yīng)保證貫穿對(duì)應(yīng)、尺寸適宜，以防螺桿對(duì)模板剪力過(guò)大，導(dǎo)致模板變形。對(duì)拉螺桿的豎向支撐件應(yīng)保證豎向垂直度，并與桁架合理連接，向加固桁架體系傳遞并分擔(dān)拉力[5]。

5.6 滿堂排架安裝質(zhì)量控制

滿堂排架支撐體系在安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制間距，原則上按照500 mm×600 mm的間距布置縱、橫桿，搭設(shè)支架時(shí)應(yīng)嚴(yán)格保證橫桿的水平度，以底托控制高差；為保證整個(gè)支架體系受力均勻，在頂部以可調(diào)節(jié)頂托與桁架連接，伸出高度應(yīng)控制在250 mm以內(nèi)。在支架外側(cè)立面上應(yīng)設(shè)置剪刀撐，確?？臻g網(wǎng)架的穩(wěn)定性。

5.7 混凝土澆筑質(zhì)量控制

混凝土在澆筑前應(yīng)該先檢查和易性，其中主要是坍落度檢測(cè)。在運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，坍落度應(yīng)為160～200 mm。為保證混凝土外觀顏色的一致性，應(yīng)確?；炷敛牧峡偭砍渥?。為保證混凝土表面光潔度，振搗時(shí)應(yīng)先將振動(dòng)棒沿模板周圍進(jìn)行振搗，以引出氣泡，再振搗中間部位?；炷翝仓?yīng)盡量連續(xù)進(jìn)行，如果必須產(chǎn)生間隔，應(yīng)盡量減短間隔時(shí)間，并在前一層混凝土凝結(jié)前進(jìn)行后一層澆筑。在澆筑過(guò)程中如果有模板位移或者其他異常情況應(yīng)該立即停止?jié)仓⑦M(jìn)行檢查校正。

5.8 混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制

墩柱混凝土在完成澆筑、達(dá)到終凝后，應(yīng)覆蓋遮擋布并灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14 d。在此期間應(yīng)對(duì)混凝土溫度進(jìn)行持續(xù)測(cè)量，在混凝土內(nèi)部與外側(cè)翼設(shè)置多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，控制溫度不高于25 ℃。

6 結(jié)語(yǔ)

在某些大型異形混凝土墩柱施工案例中，原本成熟的混凝土墩柱施工工藝在模板強(qiáng)度、混凝土表面平整度等指標(biāo)上無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。在這種情況下，通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模板技術(shù)及其加固技術(shù)的研究，經(jīng)過(guò)大量的討論、計(jì)算，結(jié)合施工工程中發(fā)現(xiàn)并解決的實(shí)際問(wèn)題，總結(jié)出了以定制鋼模板為基礎(chǔ)的大型異形混凝土墩柱施工技術(shù)。這種施工方式能夠確保大型異形混凝土墩柱施工過(guò)程安全可靠，并且在外形控制、混凝土平整度等方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求，圓滿完成了工況復(fù)雜、難度大、危險(xiǎn)高的上海市重點(diǎn)市政工程項(xiàng)目，工程效果受到了業(yè)主的高度評(píng)價(jià)與肯定。