橋梁圓柱墩環(huán)向附模腳手架創(chuàng)新設(shè)計及施工應(yīng)用研究

摘要：橋梁圓柱墩施工過程中一般需要在模板外側(cè)搭設(shè)大量的外側(cè)腳手架或者梯籠，造成大量成本的浪費，且外側(cè)腳手架搭設(shè)過程危險性大。為保證安全、降低施工成本并加快施工進度，文章研制了橋梁圓柱墩環(huán)向附模腳手架，通過特定的設(shè)計將圓柱墩模板及腳手架結(jié)合為一體，墩柱施工過程中無須再另外搭設(shè)腳手架，大大降低了成本。目前該模板體系已成功應(yīng)用于上百座橋梁，取得了良好的經(jīng)濟效益，值得大力推廣。

關(guān)鍵詞：橋梁；圓柱墩；腳手架；環(huán)向附模；施工應(yīng)用

中圖分類號：U445.3A120393

0引言

近年來，我國的公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，橋梁在其中占的比例越來越大。橋梁下部構(gòu)造墩柱一般采用圓柱形式，隨著混凝土圓柱數(shù)量的大大增加，其在目前的常規(guī)施工基礎(chǔ)上如何能更加高效、安全，是需要思考的問題。

橋梁墩柱施工采用傳統(tǒng)的扣件式鋼管支架腳手架搭設(shè)施工平臺，易出現(xiàn)很多問題，如搭設(shè)不規(guī)范；作業(yè)人員勞動強度大，安全隱患大；高大圓柱支架搭拆時間長；處于山坡的墩柱需開挖山體作為腳手架基礎(chǔ)，破壞了山體穩(wěn)定性、安全隱患大，且成本高等［1］。目前有最新的梯籠式腳手架，但用鋼量大，增加了成本。無論是鋼管腳手架還是梯籠，搭設(shè)高度＞30 m之后危險性極大。采用環(huán)向附模腳手架即環(huán)向模板和腳手架一體化，將其應(yīng)用于陡峭地質(zhì)山坡或者跨河橋梁墩柱施工，減少了對山體的擾動和支架基礎(chǔ)開挖及支架搭設(shè)工作量，有效地保護了山體穩(wěn)定，有極高的工地通用性，能夠適應(yīng)各種惡劣工況，從而省去了傳統(tǒng)支架基礎(chǔ)平臺的準(zhǔn)備工作，又避免了傳統(tǒng)鋼管腳手架安拆過程中的安全隱患。

混凝土圓柱墩模架一體化成墩施工采用環(huán)向附模腳手架的施工工藝，截至目前已在梧柳高速公路、都巴高速公路、象來高速公路等高速公路的上百座橋梁上成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1環(huán)向附模腳手架結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1總體設(shè)計思路

在橋梁墩柱施工過程中，工人需要上下圓柱墩模板，開展調(diào)節(jié)、擰緊法蘭螺栓等工作。傳統(tǒng)做法需要搭設(shè)外部腳手架，而搭設(shè)腳手架本身就是一個危險的過程，因此考慮采用外側(cè)架體與模板結(jié)合成為整體預(yù)先拼裝好的結(jié)構(gòu)［2］。針對橋梁圓柱墩施工現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，從結(jié)構(gòu)安全、施工進度、經(jīng)濟及施工便捷等多方面綜合考慮，創(chuàng)新設(shè)計出混凝土圓柱環(huán)向附模腳手架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計分為兩部分：（1）模板本身承受流塑混凝土荷載及施工荷載，考慮模板本身的強度、剛度及穩(wěn)定性；（2）外架的結(jié)構(gòu)設(shè)計承受工人及施工機具的荷載，主要考慮強度及穩(wěn)定性，同時考慮工人操作的施工便捷性。環(huán)向附模腳手架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2有限元分析驗算

以直徑為1.5 m的橋梁圓柱墩為例，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)設(shè)置為3 m一節(jié)，方便運輸?shù)跹b。圓柱墩模板結(jié)構(gòu)設(shè)計采用8 mm厚的不銹鋼鋼板，豎向加勁肋采用7#角鋼，角鋼一側(cè)翼板尖與圓柱模板焊接，角鋼與面板形成槽口型結(jié)構(gòu)，相比翼板直接焊接在面板上擁有更大的慣性矩，結(jié)構(gòu)抗彎能力更強，可以減少模板的變形。水平環(huán)板采用6 mm厚鋼板，板寬為120 mm，法蘭板采用10 mm厚鋼板，板寬120 mm。附模腳手架統(tǒng)一采用6#槽鋼，上下爬梯采用16 mm圓鋼。

為保證結(jié)構(gòu)的安全性，結(jié)構(gòu)驗算考慮一次性澆筑15 m高的墩柱，混凝土澆筑速度達8 m/h，該速度快于正常施工的澆筑速度［3］。

根據(jù)橋梁墩柱施工的特點，圓柱環(huán)向附模腳手架結(jié)構(gòu)施工期間受到的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、混凝土側(cè)壓力、振搗混凝土的荷載、施工機具人員荷載及風(fēng)荷載等?？紤]結(jié)構(gòu)極限工作狀態(tài)，工況一是圓柱墩鋼筋綁扎好之后，讓3個體重150斤的操作人員站在圓柱模板頂部一側(cè)偏壓；工況二是15 m高的模板剛立好，未拉設(shè)纜風(fēng)繩，受6級風(fēng)荷載［4］；工況三是15 m的混凝土澆筑完畢。

針對三種工況驗算結(jié)構(gòu)強度，分別有三種荷載組合如下：

（1）工況一：1.2環(huán)向附模腳手架自重+1.4施工人員機具荷載。

（2）工況二：1.2環(huán)向附模腳手架自重+1.4風(fēng)荷載。

（3）工況三：1.2環(huán)向附模腳手架自重+1.2混凝土側(cè)壓力+1.4施工機具人員荷載。

驗算結(jié)構(gòu)剛度時不同工況荷載組合系數(shù)均采用1.0。

采用Midas Civil有限元分析軟件對該結(jié)構(gòu)的三個工況進行驗算，其結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。不銹鋼鋼板、水平環(huán)板、法蘭板采用厚板單元模擬，豎向加勁肋及附模腳手架采用梁單元模擬?？紤]計算結(jié)果更精細，共建立3 784個節(jié)點和3 944個單元。結(jié)構(gòu)材料均采用Q235鋼。邊界條件根據(jù)實際約束，結(jié)構(gòu)底部支撐采用一般支承約束三個方向的平動自由度，不約束轉(zhuǎn)動自由度，結(jié)構(gòu)內(nèi)部桿件連接采用共節(jié)點的連接方式，有螺栓連接的地方釋放相應(yīng)桿件的梁端約束。

荷載取值：主控荷載取6級風(fēng)風(fēng)荷載0.35 kN/m2，混凝土澆筑速度按8 m/h，根據(jù)相關(guān)規(guī)范計算得混凝土側(cè)壓力取值為97.07 kN/m2。風(fēng)荷載與混凝土側(cè)壓力均以壓力荷載的形式施加到結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。提取最不利工況三的強度計算結(jié)果如表1所示，結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖3所示。由表1和圖3結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)強度和剛度均滿足要求，且有較大富余的安全系數(shù)［5］。

對結(jié)構(gòu)整體作抗傾覆穩(wěn)定性進行驗算，由于工況三澆筑混凝土荷載對于結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性有利，因此重點考慮工況二的抗傾覆穩(wěn)定性驗算。對結(jié)構(gòu)進行屈曲分析，屈曲模態(tài)設(shè)置為5個模態(tài)，結(jié)構(gòu)自重對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是有利的，因此屈曲分析荷載組合為：1.0自重（不變荷載）+1.5風(fēng)荷載（可變荷載）。分析得到屈曲分析結(jié)果如表2所示，一階模態(tài)特征值為78.39，＞4，說明工況二條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

2環(huán)向附模腳手架施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1環(huán)向附模腳手架的拼接

將圓柱環(huán)向附模腳手架圓柱模板部分分兩塊進行加工，外側(cè)腳手架按照施工圖下料加工，整體分散運輸?shù)浆F(xiàn)場，再將外側(cè)腳手架與模板系統(tǒng)連接起來形成整體。

2.2環(huán)向附模腳手架安裝

墩身鋼筋安裝完成之后，在模板上進行脫模劑涂刷，脫模劑涂刷工藝需嚴格控制，嚴禁出現(xiàn)漏涂或脫模劑堆積現(xiàn)象。采用噴霧器進行脫模劑涂刷，確保模板涂刷合格。

精確地放出每個橋墩中心點，定出模板的邊線，采用吊車配合人工逐塊安裝模板，模板安裝好后派專人對連接螺栓逐個檢查，確保連接牢固、無松動，且墩柱模板四個角需拉緊纜風(fēng)繩［6］。

2.3混凝土澆筑

采用環(huán)向附模腳手架施工橋梁圓柱墩，本設(shè)計每次澆筑混凝土的長度≤15 m，并通過設(shè)計驗算每次澆筑高度。

橋梁墩柱可采用吊車起吊或泵送混凝土的方式。在試驗室做好試驗配合比，保證混凝土質(zhì)量。在圓柱附模墩柱的施工中，對于混凝土澆筑的控制應(yīng)做到如下兩點：

（1）嚴格控制坍落度、水灰比。嚴格按實驗室的施工配合比要求進行控制。

（2）嚴格控制澆筑混凝土的澆筑速度。

3經(jīng)濟效益分析

傳統(tǒng)扣件式鋼管支架在圓柱外圍搭設(shè)雙排腳手架，需要進行支架基礎(chǔ)硬化處理，按照雙排腳手架平均高度30 m計算，一般安裝拆除一次大約需要20個工作日，每個工作日按照120元計算，應(yīng)用到單個項目梧柳高速公路7標(biāo)30座橋梁、741根墩柱，其安拆需要人工費約178萬元。需要作業(yè)人員持長重桿件人工逐段往上搭設(shè)腳手架并逐段拆除，反復(fù)安拆741次，勞動強度大，易致疲勞作業(yè)，容易發(fā)生桿件甚至人員掉落事故。而采用圓柱墩模架一體化施工墩柱，模架支撐在樁基及樁系梁上，無支架安拆工序，大大節(jié)約了人工。

混凝土圓柱墩模架一體化成墩施工方法的應(yīng)用，在保證橋梁墩柱質(zhì)量前提下，提高了安全性，大大加快了施工進度，減少了支架平臺開挖、腳手架材料用量及支架安拆工作，節(jié)約了成本。梧柳高速公路7標(biāo)采用混凝土圓柱墩模架一體化成墩施工方法既可節(jié)約人工費178萬元，還可杜絕腳手架安拆過程中的安全隱患。

以直徑2 m墩柱計算，傳統(tǒng)扣件式鋼管支架在圓柱外圍搭設(shè)雙排腳手架需要的面積至少為49 m2（7 m×7 m），且需要進行支架基礎(chǔ)硬化處理。梧柳高速公路7標(biāo)30座橋梁、741根墩柱，需要開挖山體或者整平硬化的場地平面投影面積約為36 666.67 m2；而采用混凝土圓柱墩模架一體化成墩施工方法，減少開挖或者整平腳手架平臺至少36 666.67 m2，有效保護了山體穩(wěn)定，環(huán)保和社會效益顯著。

4結(jié)語

混凝土圓柱環(huán)向附模腳手架具有顯著的應(yīng)用價值，主要體現(xiàn)在安全、進度等方面。

（1）安全性能高。對于橋梁墩柱采用常規(guī)的扣件式腳手架施工，易出現(xiàn)搭設(shè)不按規(guī)范要求的情況；而使用混凝土圓柱環(huán)向附模腳手架，其外側(cè)架體圍成一圈閉合形成一個徑向的約束力，更好地約束了模板的變形，防止發(fā)生爆模事故，同時架體的平面投影更大，即高瘦比變小、結(jié)構(gòu)抗傾覆能力更強。

（2）成本低?；炷翀A柱環(huán)向附模腳手架使用零部件的數(shù)量顯著減少，節(jié)約了大量鋼管、扣件材料，較常規(guī)施工腳手架分離方法省去多步繁瑣、繁重的作業(yè)，同時減少了對山體大面積開挖、支架基礎(chǔ)處理等工作，節(jié)約了臨時用地費用及機械臺班費用，降低了成本。

在模板體系安裝過程中主要控制模板底部的連接及纜風(fēng)繩的設(shè)置，防止結(jié)構(gòu)傾覆。在施工過程中要控制好混凝土的坍落度及澆筑速度，防止混凝凝土側(cè)壓力過大。

根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 130-2011），外腳手架不能與模板體系相連，主要是針對建筑工程施工方面，而對于公路工程還未有明文規(guī)定?；炷翀A柱環(huán)向附模腳手架經(jīng)過特定的設(shè)計，強度剛度均有較大的安全系數(shù)，且經(jīng)過上百座橋梁墩柱施工的應(yīng)用，未出現(xiàn)任何爆模等安全事故，值得大力推廣。

參考文獻

［1］黃容平.橋梁圓柱墩模板支架一體化設(shè)計及應(yīng)用［C］.第二屆工程總承包項目管理經(jīng)驗交流會暨2019中國建筑學(xué)會工程總承包專業(yè)委員會年會論文集，2019.

［2］霍軍會，張翔，李震.鄠邑高架橋墩型方案設(shè)計研究［J］.公路，2021，66（10）：183-186.

［3］胡莉強.模架一體化在橋梁圓柱墩施工中的應(yīng)用［J］.西部交通科技，2017（11）：80-83.

［4］JGJ 130-2011，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］GB50017-2017，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］中交第二航務(wù)工程局有限公司.公路橋梁施工系列手冊基本作業(yè)與臨時設(shè)施［M］.北京：人民交通出版社，2014.

作者簡介：黎君君（1984—），工程師，主要從事道路橋梁施工安全管理工作。