基于大橋高墩翻模法施工的模板設(shè)計(jì)計(jì)算探究

姜夕偉+蘇廣瑞

摘要： 在大橋高墩翻模法施工中，模板設(shè)計(jì)工作應(yīng)考慮施工的難易性、安全性和經(jīng)濟(jì)性因素，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，做好翻模法施工的模板結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)，從而選出更加科學(xué)、有效、經(jīng)濟(jì)的模板類型，提高施工質(zhì)量和效益。文中結(jié)合某大橋?qū)嶋H施工項(xiàng)目，分析在高墩翻模法施工中模板的基本特性、設(shè)計(jì)尺寸和計(jì)算載荷等，并對(duì)面板剛度與強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以檢驗(yàn)該模板設(shè)計(jì)是否滿足工程需要，希望對(duì)類似工程的高墩翻模法施工設(shè)計(jì)工作提供一定借鑒。

Abstract： In high pier turnover formwork method， template design work should consider the construction difficulty， safety and economic factors， and combined with the engineering experience， do a good job of construction design of formwork structure， which is more scientific， effective， economical template type， to improve the construction quality and efficiency. Combined with the actual construction of a bridge project， this paper analyzes the basic characteristics， the design size and the calculation load of the formwork in the construction of the high pier turnover formwork method， calculates the stiffness and strength of the panel to test whether the design of the template can meet the needs of the project， to provide some reference for similar projects of high pier construction design work.

關(guān)鍵詞： 大橋高墩；翻模法施工；模板設(shè)計(jì)；計(jì)算

Key words： high pier bridge；construction of turnover mode method；template design；calculation

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）35-0109-03

0 引言

橋梁項(xiàng)目是高速公路工程的關(guān)鍵組成，隨著公路事業(yè)的飛速發(fā)展，特別是高墩柱大橋的施工與設(shè)計(jì)技術(shù)的極大提升，在進(jìn)行高墩柱大橋施工時(shí)，尤其是山區(qū)地帶，因受地形狀況等要素的影響，常常需要采取高墩翻模法對(duì)高墩柱開展施工活動(dòng)，高墩柱翻模的模板計(jì)算和設(shè)計(jì)工作，是確保工程安全的必要途徑與重要條件，而怎樣對(duì)大橋高墩翻模模板開展計(jì)算和設(shè)計(jì)，則是驗(yàn)證大橋高墩翻模法工程是否安全的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本文所研究大橋工程處于達(dá)陜高速某合同路段，該橋梁處在分離型路基之上，有許多高墩柱，墩柱最高可達(dá)約74m，高墩總計(jì)約1452延米。本橋超過50m的高墩有11座；在大橋施工設(shè)計(jì)過程中，高墩工程采取翻模法施工方式。該橋梁的上部結(jié)構(gòu)在左線位置采取20～40m的預(yù)應(yīng)力混凝土T型簡(jiǎn)支梁，共有五聯(lián)，其右線處選用13×40mT型梁+133m路基+3×40mT型梁，也分為五聯(lián)，大橋?yàn)楹?jiǎn)支結(jié)構(gòu)。橋梁下端結(jié)構(gòu)按照墩高選擇雙柱半幅變截面空心薄壁型墩和雙柱半幅圓型墩，并且樁基礎(chǔ)選擇挖孔灌注樁形式。橋臺(tái)選型方面采取樁柱式橋臺(tái)類型，并選擇挖孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋有12根徑為1.5m的樁，共計(jì)104m；104根徑為1.8m的樁，共計(jì)788m；36根方樁，共計(jì)720m；根據(jù)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行材料統(tǒng)計(jì)，C30混凝土總需求量為1227.5m3，C40混凝土總需求量為4843m3，鋼材總需求量為618.934T。

1.2 高墩翻模設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)大橋高墩翻模法施工過程中，為了便于施工人員的裝設(shè)和加固，只在高墩外模裝設(shè)寬約50cm、與模板為一個(gè)整體的簡(jiǎn)易型操作平臺(tái)，不可放置材料、機(jī)具，不但操作施工較慢，還容易出現(xiàn)施工者高空墜落等事故，在進(jìn)行模板拆除時(shí)，還要將操作平臺(tái)一起拆除。若利用技術(shù)創(chuàng)新，使得模板和操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)分離，則模板翻升與提升操作平臺(tái)將不再互相干擾，可以確保支架體系上施工者安全施工，還可臨時(shí)堆放部分施工器具與材料，模板拆除后墩體四周的裝飾工作也方便開展。在該項(xiàng)目橋梁高墩翻模法施工設(shè)計(jì)時(shí)，采用空心薄壁型高墩，每隔3m翻模并向上分節(jié)進(jìn)行灌注成型。在進(jìn)行操作平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)認(rèn)真研究模板翻升和操作平臺(tái)分離，兩者伴隨高墩的提高而提高互相不產(chǎn)生影響，從而達(dá)到環(huán)保、安全、便于施工、提升工作效率的效果。

2 大橋高墩翻模法模板設(shè)計(jì)和施工分析

2.1 翻模設(shè)計(jì)

大橋高墩翻模結(jié)構(gòu)主要包括外模板、內(nèi)模板、穿過高墩的對(duì)拉拉桿、水平圍帶、模板支架、工程吊籃、操作平臺(tái)及安全防護(hù)裝置等。

鋼結(jié)構(gòu)模板共分成三節(jié)，各節(jié)均高為3m。外模、內(nèi)模分為橫橋向側(cè)模與順橋向端模，在內(nèi)模中缺少角模。翻模板厚為6mm，板間豎向距離40cm，選擇80mm槽鋼作為豎帶，在四個(gè)角處分別選取75mm×75mm×8mm角鋼來作為鄰近兩個(gè)鋼模接連法蘭的封邊。板間接連法蘭采??？準(zhǔn)22螺栓固定，螺栓的間隔設(shè)置為30cm。3m模板采取三層水平圍帶，其最大距離1.0m，其它的分別是0.4m與0.6m懸臂端（0.6m懸臂端設(shè)置于每個(gè)模板上端），在外、內(nèi)模上水平圍帶可分別由2[12、2[10槽鋼構(gòu)成。拉桿的直徑為？準(zhǔn)22，采取普通型A3鋼材。內(nèi)外模板利用拉桿以穿出墩體混凝土，并對(duì)拉在獨(dú)自水平圍帶之上，拉桿兩頭采取螺母進(jìn)行固定。外操作平臺(tái)在其頂端沿著四周設(shè)置防護(hù)欄，并在護(hù)欄外側(cè)到支架的底端設(shè)置封閉安全網(wǎng)，以保證安全。

內(nèi)操作平臺(tái)可分為人員簡(jiǎn)易施工平臺(tái)與澆灌混凝土施工平臺(tái)，人員簡(jiǎn)易施工平臺(tái)可支撐于內(nèi)模圍帶之上，澆灌混凝土施工平臺(tái)可通過實(shí)地焊接形成高70cm梯形體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可直接置于墩體內(nèi)模之上，以鋼板與型鋼制成一個(gè)整體以方便裝吊，按每次澆筑0.5m3混凝土計(jì)算。吊籃掛于外模之上，以作混凝土修補(bǔ)面和模板拆除操作平臺(tái)用。各翻模結(jié)構(gòu)的翻升利用塔吊實(shí)現(xiàn)，在模板拆除時(shí)需采取倒鏈以臨時(shí)起掛外側(cè)或內(nèi)側(cè)相應(yīng)模板。

2.2 翻模施工

首先，做好翻模施工的準(zhǔn)備工作，已澆筑段節(jié)混凝土的強(qiáng)度當(dāng)達(dá)2.5MPa后，通過吊車拆掉下節(jié)的翻模，并對(duì)其表面進(jìn)行清理并抹上脫模劑，扎綁待澆筑鋼筋，當(dāng)檢查鋼筋合格之后，將已澆筑段節(jié)模板的上口作基準(zhǔn)，裝上待澆筑模板段，檢測(cè)調(diào)節(jié)，使下、上模板的接口保持直順，無漏漿和錯(cuò)縫。

其次，固定模板，調(diào)節(jié)模板到位后，以螺栓進(jìn)行擰緊，裝設(shè)對(duì)拉螺桿，并用螺帽固定，校核檢測(cè)模板的裝設(shè)精度，在外內(nèi)模板的上口處安裝支撐，避免在調(diào)節(jié)時(shí)發(fā)生形變。當(dāng)實(shí)現(xiàn)固定后，要最后再認(rèn)真檢查一下外內(nèi)模板尺寸大小、對(duì)拉螺桿、接連螺栓和支架等，避免發(fā)生意外。

最后，模板翻升，把下節(jié)模板掛到上節(jié)模板上，并松開抽掉此節(jié)段模板間拉筋，以手拉葫蘆來松動(dòng)翻模模板，使凸凹縫全部分離，用吊車來運(yùn)到地面，清除模板并刷涂脫模劑，之后根據(jù)上述工序固定裝設(shè)，循環(huán)操作直到墩頂。

3 模板基本尺寸、材料性能與荷載計(jì)算分析

3.1 基本尺寸

在本次橋梁工程中，高墩翻模法施工的模板全為鋼質(zhì)模板，鋼板厚約為h=6mm；豎肋采用[10號(hào)槽鋼，豎肋間水平距離L1=30cm；橫肋采用厚14mm的鋼板，其豎向距離為L(zhǎng)2=55cm；吊鉤選擇？準(zhǔn)20圓鋼，拉筋部位外、內(nèi)模板間采用？準(zhǔn)25mm的PVC硬管，便于拔抽拉筋和重復(fù)使用，這里，拉筋采??？準(zhǔn)20mm圓鋼，在模板間采??？準(zhǔn)18mm螺栓固定；每節(jié)段的鋼模高約2.0m，每節(jié)段分為兩片構(gòu)成，共可以制成12片（12m），從而滿足工程進(jìn)度要求，且在模板拆除后可周轉(zhuǎn)利用，它的下、上和水平接連都采取M14的螺栓固定，其接縫部位嵌進(jìn)2mm的橡膠條。

3.2 材料性能

按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范JTG/T F50-2011》、《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及實(shí)際地質(zhì)勘查資料，文中在開展橋梁高墩模板計(jì)算過程中，所選用水泥混凝土的重力密度是26kN/m3，摻入外加劑；澆灌混凝土溫度是20℃；澆灌混凝土的速度是2m/h；模板鋼選用Q235鋼，其重力密度是78.5kN/m3；許可應(yīng)力是215MPa，沒有考慮系數(shù)提升；彈性模量205GPa。

3.3 載荷計(jì)算

在利用大橋高墩翻模方法進(jìn)行施工過程中，在模板形成側(cè)向壓力的載荷主要包括兩類：振動(dòng)器形成的載荷，計(jì)算設(shè)計(jì)值為4.0kN/m2；澆筑混凝土形成的沖擊載荷，計(jì)算設(shè)計(jì)值為4.0kN/m2，兩者不應(yīng)一同計(jì)算，安全系數(shù)是1.4，新澆筑混凝土對(duì)于模板側(cè)向壓力，此時(shí)強(qiáng)度計(jì)算檢驗(yàn)系數(shù)為1.2，而剛度計(jì)算檢驗(yàn)系數(shù)為1.0。

該橋梁高墩翻模法工程中，采取內(nèi)部振搗設(shè)備，而澆灌混凝土的速率控制到6m/h之下，此時(shí)按照《橋梁施工工程師手冊(cè)》，新灌注混凝土對(duì)模板作用的側(cè)向壓力最大值可依據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

P=kγh

當(dāng)v/T<0.035時(shí)，h=0.22+24.9v/T；

當(dāng)v/T>0.035時(shí)，h=1.53+3.8v/T

式中，P是新澆筑混凝土在模板上作用的最大側(cè)向壓力，單位是kPa；h是有效壓頭高度，單位m；v是澆灌混凝土速率，單位m/h；T是混凝土進(jìn)模時(shí)溫度，單位℃；γ是混凝土容重，單位kN/m3；k是外加劑作用修正系數(shù)，未摻入外加劑可取k=1.0，摻入緩凝外加劑可取k=1.2。

按照文中材料的基本特性與載荷計(jì)算等條件計(jì)算可得：

v/T=2.0/20=0.1>0.035，

h=1.53+3.8×0.1=1.91m

據(jù)公式P=kγh可得，高墩模板側(cè)向壓力最大計(jì)算值為：

P=kγh=1.2×26×1.91=59.59 kN/m3

所以，強(qiáng)度檢算時(shí)的載荷最大設(shè)計(jì)值是：q′=1.2×59.59+1.4×4.0=77.91 kN/m3；剛度檢算時(shí)載荷的最大標(biāo)準(zhǔn)值是：

q″=59.59 kN/m3。

3.4 模板面板計(jì)算

①計(jì)算簡(jiǎn)圖。

在豎肋與橫肋間支承面板，兩橫肋之間的距離為55cm，兩豎肋之間的距離為30cm，取豎橫肋之間面板作為單元進(jìn)行計(jì)算，由此可簡(jiǎn)化成四周嵌固板，受均布載荷q，長(zhǎng)邊的跨中支承位置負(fù)彎矩最大，依下式進(jìn)行計(jì)算：M=

-Aq′Ix2Iy

式中，A是計(jì)算彎矩系數(shù)，和Ix/Iy相關(guān)，這里Ix/Iy=

30/55=0.545，可根據(jù)《實(shí)用建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》可得到A=0.0811；Ix、Iy分別是板短邊與長(zhǎng)邊；q′是作用于模板的側(cè)向壓力。

板跨中處最大撓度計(jì)算式：

f=B×q″Ix4/Bc

式中，B為計(jì)算撓度系數(shù)，同樣可根據(jù)《實(shí)用建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》可得到B=0.00245；Bc=Eδ3/12（1-μ2），彈性模量E，板厚δ，泊松比μ；Bc=0.4074×104N/m

②計(jì)算強(qiáng)度。

由式M=-Aq′Ix2Iy可得，板最大彎矩值為：

Mx0=-0.0811×77.91×0.32×0.55=-0.313 kN/m；

板的抗彎模量：

wx=1/6bδ2=1/6×0.55×0.0062=3.3×10-6m3；

σ=Mx0/ wx=0.313×103/3.3×10-6=94.7MPa<215MPa。

③計(jì)算剛度。

f=Bq″Ix4/Bc=0.00245×59.59×103×0.34/0.4074×104=0.287mm<[Ix/50]=0.6mm。

所以，該大橋高墩翻模法施工模板面板的剛度與強(qiáng)度都符合設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

高墩翻模法工程是大橋項(xiàng)目施工的一項(xiàng)重點(diǎn)工序，相較于普通滑模結(jié)合腳手架鋼管施工方式，施工時(shí)在工程難度、施工質(zhì)量、項(xiàng)目成本等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)行模板設(shè)計(jì)中，面板采用厚h=6mm鋼板，豎肋采用[10號(hào)槽鋼，其水平距離為L(zhǎng)1=30cm；橫肋采用厚14mm鋼板，其豎向距離L2=55cm，當(dāng)澆灌混凝土速率低于2m/h時(shí)，模板的剛度與強(qiáng)度等都符合設(shè)計(jì)需要，因此，可根據(jù)以上的設(shè)計(jì)參數(shù)開展高墩翻模法施工工程。

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