傾斜結(jié)構(gòu)模板定位施工技術(shù)

朱建中，宋家武

（重慶建工集團(tuán)橋梁工程有限責(zé)任公司 重慶 400060）

1 引言

縱觀當(dāng)今建筑，美學(xué)要求越來越突出，異型結(jié)構(gòu)因此越來越多。如在大跨徑斜拉橋梁中，其墩（或塔）柱均設(shè)成A形、人形、Y形或倒Y形。這些結(jié)構(gòu)雖然增加了建筑物的美感，卻也給施工增大了難度。近年來，在傾斜狀結(jié)構(gòu)施工中，因措施不當(dāng)而導(dǎo)致質(zhì)量和安全事故時(shí)有發(fā)生，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

施工中，傾斜結(jié)構(gòu)模板的定位尤為困難，原因有二:一是它要承受混凝土灌注沖擊力、部分混凝土及鋼筋自重、施工措施荷載和風(fēng)雪荷載等所產(chǎn)生的巨大外傾力；二是施工高度較大，經(jīng)常處于深溝河谷的危險(xiǎn)環(huán)境等。在模板設(shè)計(jì)時(shí)，施工單位必須把它列為重點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算驗(yàn)證。而國家相關(guān)規(guī)定也明確了高大模板專項(xiàng)方案必須通過專家論證，可行后方可進(jìn)入現(xiàn)場實(shí)施。

下面就某大橋工程傾斜結(jié)構(gòu)定位施工技術(shù)作初步探討。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該工程主塔柱單塔截面為空心薄壁矩形，雙塔立面呈Y形。下塔柱尺寸三邊漸變收分，上塔柱最大傾斜角度220，離地高度達(dá)到120m。其主要特點(diǎn)如下:

2.1 高

一是結(jié)構(gòu)高度達(dá)到120余米，要特別注意施工安全；二是施工精度要求高，結(jié)構(gòu)外表面按照清水混凝土施工。

2.2 大

一是結(jié)構(gòu)尺寸大，混凝土方量大，要按照大體積混凝土技術(shù)進(jìn)行施工（本文不作討論）；二是要求采用大面積模板，必須進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

2.3 難

高空傾斜施工定位技術(shù)難。

3 施工設(shè)計(jì)及施工

3.1 腳手架

由于塔柱為從直立收分變?yōu)橥鈨A斜狀，原方案中在直立收分段采用在導(dǎo)向模板上設(shè)定型型鋼腳手架，而外傾段考慮在已灌注混凝土上設(shè)埋件加焊牛腿再擱置定型型鋼腳手架的辦法。該方法有以下缺點(diǎn):一是浪費(fèi)材料。雖然技術(shù)受力可行，但一個(gè)位置的埋件和牛腿最多只能保證兩段鋼筋施工，之后又要重新考慮設(shè)置牛腿，使得多用埋件和焊條；二是操作困難。牛腿在焊接時(shí)需另外設(shè)吊籃架而顯得十分繁瑣，加之懸空操作且操作面窄，使得施工無比困難；三是牛腿埋件剔除后需經(jīng)過二次處理以確保外觀質(zhì)量；四是由于重復(fù)的設(shè)置牛腿和焊接安裝的困難，無形中延長了工期；五是高空懸空作業(yè)增加了安全隱患。

在實(shí)際施工中，考慮到腳手架上僅有施工人員、小型焊接連接設(shè)備，以及腳手架自重，總荷載不超過10kN，因此，采用短邊模板包長邊模板的辦法，把短邊模板適當(dāng)加固，在其端頭設(shè)可拆卸式（也可固定）定型型鋼牛腿，其上再設(shè)置腳手架，起到同時(shí)解決上述難題的作用（圖1）。

圖1 腳手架平面立面布置圖

其工作原理是:腳手架與牛腿連接后，所有施工荷載通過連接螺栓或焊接縫傳遞給短邊模板，短邊模板靠自身剛度再通過拉桿傳遞給已澆混凝土。由于每一節(jié)段模板都可設(shè)置牛腿，在模板翻移時(shí)，牛腿跟著上翻，既方便又快捷。當(dāng)然，其連接和受力都需經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算，以確保施工的安全。

（1）原模板加固

上一段混凝土完成后，在安裝腳手架前，對短邊導(dǎo)向模板所有拉桿重新緊固。將模板端頭75角鋼與原8號槽鋼背楞加強(qiáng)焊接，角鋼槽內(nèi)側(cè)還可設(shè)三角筋板。把需要連接牛腿位置的75角鋼肢加寬，使其連接面不小于200X300mm，保證牛腿與角鋼有4個(gè)螺栓連接。此工作在加工模板時(shí)就可以完成。

（2）牛腿的設(shè)計(jì)和連接

牛腿同樣采用75角鋼，將設(shè)有￠18螺栓孔的1～1.5cm厚200X300mm鋼板與牛腿角鋼焊接，然后用￠16螺栓與模板端頭加寬位置連接。

（3）腳手架設(shè)計(jì)和連接

為減輕腳手架自重，腳手架材料均采用輕型型鋼。每層（共三層）操作平臺均鋪焊鋼板網(wǎng)，外側(cè)按照安全防護(hù)規(guī)定設(shè)護(hù)欄。腳手架寬度60～80cm，高度3～4m，長度6.15m（結(jié)構(gòu)長度加模板厚度）。腳手架立柱腳和牛腿上相應(yīng)位置設(shè)200X300鋼板，兩者用螺栓連接，螺栓孔￠18，螺栓￠16。

3.2 模板

模板設(shè)計(jì)施工是個(gè)重點(diǎn)。由于該工程是按照清水混凝土的要求施工，為求美觀，采用了大塊定制鋼模翻模施工手法，型鋼肋骨、拉桿鎖固、斜拉定位的措施。具體設(shè)計(jì)見附圖五。

（1）面板

根據(jù)結(jié)構(gòu)斷面尺寸和分節(jié)段情況，在高度上設(shè)為1.5m，長度為塔柱長邊做成6m，短邊做成4m，即短邊包長邊。面板厚度0.6cm，Q235鋼材。必須注意:由于塔柱成外傾斜狀，每一節(jié)段內(nèi)外都有一個(gè)高差，外弧需要補(bǔ)充一塊窄模以調(diào)節(jié)到同一高程。同樣，拉桿也有一個(gè)錯(cuò)位的情況，后面將作說明。采用專用脫模劑。

（2）背肋、背楞

邊框采用普通75角鋼，上下連接處設(shè)成偏搭接形式，以防止漏漿。板后背肋采用普通8號槽鋼，間距為30cm。背肋與面板均采取間斷焊，焊縫長5cm，間隔距離15cm。（此步驟注意施焊順序，以防變形）背楞采用雙肢12.6槽鋼，每塊模板設(shè)兩道背楞，距離1m。

（3）拉桿

采用45號直徑25mm的圓條鋼，水平間隔距離65～110cm，豎向間隔距離50～100cm，戴雙螺帽。本方法采用了短邊包長邊的辦法，由于結(jié)構(gòu)中空，角部一定范圍不便設(shè)拉桿（如果設(shè)穿通對拉浪費(fèi)材料），因此在角部設(shè)硬腿加固。對于內(nèi)外弧模板高度不一造成拉桿錯(cuò)位的問題，我們考慮了一種通用各種傾斜度的附加背楞的辦法，即在原橫向背楞外層再設(shè)一道豎向背楞，拉桿可以任意布置而避免了彎折。

（4）定位拉索定位

斜拉索有兩種，一種是體內(nèi)，一種是體外。前者適用于施工高度不大，直立收分段；后者適用于外傾段且塔兩肢距離較小的節(jié)段。體外拉索主要采用直徑21.5mm鋼絲繩對拉，10t葫蘆收緊，每一個(gè)斷面設(shè)3～4組。

龍門桿件定位

對于外傾且兩肢塔柱距離較大，采用萬能桿件龍門架定位。龍門架可以起到對拉對頂?shù)淖饔?，確保了混凝土灌注過程中模板變位在控制范圍。龍門架采用雙肢萬能桿件拼裝，支架高34m，寬20m，中間設(shè)一道橫聯(lián)。對拉鋼絲繩采用2Φ28布置，每根預(yù)拉10t力。

（5）模板設(shè)計(jì)計(jì)算

計(jì)算荷載

傾斜段澆注高度定為4.5m和3.0m兩種?，F(xiàn)按4.5m高度進(jìn)行模板設(shè)計(jì)，而一段塔柱（4.5m）混凝土必須在初凝（6～8h）前完成，混凝土方量約為64方，混凝土的澆筑速度v=0.75m/h。

作用于模板的最大側(cè)壓力Pmax為:

其中，Pmax為新澆筑混凝土對模板的最大側(cè)壓力（kPa）；

h為有效壓頭高度（h）；

v為混凝土的澆筑速度 （m/h），一次澆筑高度為

t0為新澆混凝土的初凝時(shí)間（h），可按實(shí)測確定；

Υ為混凝土的容重（kN/m3），取24kN/m3；

K1為外加劑影響修正系數(shù)，不摻外加劑時(shí)取1.0，摻緩凝作用的外加劑時(shí)取1.2；

K2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，取1.15；

按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，Pmax=0.22×Υ×t0×K1×K2×v1/2代入 數(shù)據(jù)， 則Pmax=0.22×24kN/m3×6×1.2×1.15×0.751/2=37.86kPa。

最不利情況為塔柱外傾最大的時(shí)候。塔柱模板外傾角最大為:a=68°，現(xiàn)擬將模板豎直方向范圍以外的混凝土荷載（即外傾部分混凝土荷載）考慮為作用在外傾模板的荷載P2，P1為沿豎直方向AB計(jì)算的澆筑混凝土?xí)r對模板的側(cè)壓力（圖2）。

圖2 最不利情況下混凝土對模板的側(cè)壓力

將P1、P2沿上圖所示的x—x方向進(jìn)行分解，

得 出 P=P1Xcos22°+P2Xsin22°=37.86cos22°+21.7Xsin22°=35.1+8.13=43.23kPa

對于外傾模板，根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊》，傾倒混凝土?xí)r對側(cè)面模板產(chǎn)生的水平荷載P，由Pmax=K×Υ×h可計(jì)算混凝土澆筑時(shí)對側(cè)模板的側(cè)壓力，其中k為外加劑修正系數(shù)（不加時(shí)，k=1；摻緩凝外加劑時(shí)，k=1.2），h為有效壓頭高度。

當(dāng)傾斜角≥55°時(shí)，沿澆筑豎直面計(jì)算h，而弧形段模板外傾角為68°。

由v/T=0.75/30=0.025<0.035，其中，v為混凝土澆筑速度（m/h）；T為混凝土入模時(shí)的溫度 （℃）。 則h=0.22+24.9v/T=0.22+24.9×0.025=0.8425m

則Pmax=k×Υ×h=1.2×24kN/m3×0.8425m=24.264kPa

另外，考慮振搗混凝土?xí)r對模板產(chǎn)生的側(cè)向荷載4.0kPa，則Pmax=43.23+24.264+4.0=71.49kPa。

模板計(jì)算

面板強(qiáng)度驗(yàn)算

模板的面板被縱橫肋分割成許多小塊方格，根據(jù)方格的長寬尺寸比例lx=30cm，ly=20～80cm（Lx、Ly分別為楞方的橫、豎向間距）。

由Lx/Ly=30cm/80cm=0.375<0.5,因此，本模板工程的面板應(yīng)按單向板考慮。查《路橋施工計(jì)算手冊》“模板工程部分”相關(guān)章節(jié)得:模板在均布荷載作用下的彎矩M=撓度f=，式中l(wèi)取l和l的最小值。Xy

現(xiàn)取1mm寬的板條作為計(jì)算單元，荷載q為:q=71.49kPa×0.001m=71.49N/m=0.07149N/mm

面板的截面系數(shù):W=1/6bh2=1/6×1×62=6mm3

則面板的應(yīng)力為:σ=Mmax/W=643.41/6=107.2MPa<[σ]=215MPa，滿足規(guī)范要求。

面板撓度驗(yàn)算

[8槽鋼豎楞方計(jì)算

豎向楞方間距為300mm，初步設(shè)計(jì)采用[8槽鋼，支承于橫向外肋上。荷載q=Ph=0.071284×300=21.39N/mm，查《五金手冊》得 [8槽鋼的截面系數(shù)W=25325mm3，慣性矩I=1013000mm4，豎向楞方現(xiàn)按2端帶懸臂的 （25cm+20cm+75cm+30cm）3跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)計(jì)算其內(nèi)力。

2[12.6槽鋼橫楞方計(jì)算

橫向楞方高度上間距為200～800mm，初步設(shè)計(jì)采用2[12.6槽鋼。荷載q=Ph=0.071284×750=53.5N/mm，查《五金手冊》得2[12.6槽鋼的截面系數(shù)W=123334mm3，慣性矩I=7697268mm4，橫向楞方現(xiàn)按20×30cm等跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

σmax=3.15MPa<[σ]=215MPa，滿足規(guī)范要求。

結(jié)構(gòu)變形很小，忽略不計(jì)。

驗(yàn)算結(jié)論

a、面板、橫、豎向楞方強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求；

b、根據(jù)面板、橫、豎向楞方撓度，進(jìn)行撓度組合為:

面板與豎向楞方組合:fmax=1.139+0.136=1.266mm<1.5mm

面板與橫向楞方組合:fmax=1.19+0=1.19mm<1.5mm

可見，模板的變形滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。

拉桿計(jì)算

拉桿拉應(yīng)力

模板拉桿設(shè)計(jì)選用Φ25的對拉桿，拉桿平面間距為La=1.2～1.5 m，高度上間距Lb=0.7～0.8m。拉桿采用Q45號鋼，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》Q45號鋼的容許拉應(yīng)力為:[σ]=210MPa，As=4.91cm2，由[N]=AsX[σ]=3.53cm2X210MPa=103.11kN

拉桿抗剪應(yīng)力

施工時(shí)拉桿與螺栓及混凝土面接觸良好，可將拉桿考慮成處于純剪狀態(tài)。施工時(shí)的最不利狀況為未拆除的那層導(dǎo)向模板承受的下一段3m高的模扳及施工荷載ΣP=30t

則拉桿所受的剪應(yīng)力τ:

4 結(jié)語

該工程雖然很好地解決了上述一些問題，但仍然存在超大模板的拆卸安全難題，有待進(jìn)一步研究完善。

通過對該工程鋼筋混凝土傾斜塔(墩)柱模板的精確定位控制，成功地解決了該工程高難度、高危險(xiǎn)的難題，而且縮短了工期，節(jié)約了成本，保障了施工質(zhì)量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ041-2000公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2000.

[2]范立礎(chǔ).橋梁工程(高等教育教材上冊)(第二版)[M].北京:人民交通出版社，1986.

[3]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(GBJ17-88版)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.