空心薄壁高暾橫隔板托架設計及應用

陸繼業(yè) 蔣昌盛

摘要：文章研發(fā)設計了一種裝配式橫隔板托架，采用鋼桁架及輕型模板組合施工，無須搭設高大滿堂支架，托架橫梁采用鋼桁架結構，減少了大跨度橫隔板跨中下?lián)?，有效解決了大型橫隔板施工難題，在多座橋梁中得到成功應用。

關鍵詞：空心薄壁高墩；橫隔板；裝配式；托架；鋼桁架

中圖分類號：U445.3A180603

0引言

隨著西部交通脈絡的不斷完善，基礎建設重點也向著大山推進，當路線遇到深切峽谷時，為了避免大填大挖，通常采用橋梁跨越峽谷，且采用空心薄壁高墩作為橋梁的下構是相對理想的方案。空心薄壁墩間隔一定位置需要設置橫隔板以增強墩身的剛度，隨著空心薄墩高度的不斷增長，不可避免地要設計更大的墩身截面，橫隔板尺寸也相應增大；同時內箱高度大，隔板混凝土體積大，極大地增加了施工難度［1］。為攻克空心薄壁高墩內箱橫隔板施工難題，本文通過合理的結構設計和有限元分析設計出橫隔板底模，采用鋼桁架及輕型模板組合施工，取得了良好的效果。

1工程概況

拉會高架大橋位于廣西河池市境內，該橋屬于曲線橋，最小半徑R=420 m，縱坡為-4.2%、橫坡為6%。橋長1 021.6 m，其中主橋長340 m，主橋上部結構采用懸澆預應力混凝土連續(xù)剛構，下構采用雙薄壁空心墩，橋高138 m，主橋墩高為90～110.4 m。墩身內箱每隔20 m設計一道大型橫隔板，板厚80 cm，隔板自身體積大（達到35 m3），重量達90 t，主橋主墩共有26道此類橫隔板。此類橫隔板需在墩身內箱進行懸空施工，屬于高空作業(yè)且操作空間狹小，施工極為不便。為攻克空心薄壁高墩大型橫隔板施工這個難題，研發(fā)采用輕型桁架支架法進行施工。

2橫隔板托架結構設計

橫隔板托架結構設計充分考慮不同施工階段的荷載組合效應，保證結構及構造的可靠。結構上保證材料應力應變不超限；構造上滿足結構連接可靠，特別是節(jié)點處的連接不允許先出現(xiàn)破壞的情況，實現(xiàn)強節(jié)點弱構件的原則。為保證結構自身的可靠性，本文采用有限元方法對結構進行分析驗算，確保最不利條件下結構的安全穩(wěn)定性；構造上通過CAD進行細部結構圖繪制，打造裝配式結構，指導現(xiàn)場施工［2］。

2.1支架結構設計總體思路

分析拉會高架大橋墩身設計圖紙，選取平面尺寸及板厚最大的橫隔板作為托架結構設計的依據(jù)，其最大橫隔板平面尺寸為7.2 m×5.2 m，厚度為1 m。橫隔板采用混凝土現(xiàn)澆的方式，因墩身內箱高度較大，采用搭設滿堂支架的方式存在不經(jīng)濟及安全風險較大的缺點，因此橫隔板托架采用墩身預埋鋼棒，在鋼棒上搭設模板體系的方式進行施工。托架具體結構布置見圖1。因橫隔板跨度較大，主分配梁宜采用鋼桁架式結構，以減少橫隔板底模的撓度。

為保證橫隔板托架的整體穩(wěn)定性，在托架主梁之間、鋼桁架之間設置剪刀撐（見圖2），以增強托架的抗傾覆能力［3］。為實現(xiàn)橫隔板托架的周轉利用，桿件結構尺寸設計原則為方便通過橫隔板人孔，鋼桁架之間的剪刀撐通過節(jié)點板用螺栓進行連接，以便安裝拆卸。

2.2托架結構組成

托架從下往上依次選用的材料規(guī)格為：橫隔板底模面板選用15 mm厚竹膠板；底模分配梁采用［8槽鋼，間距布置為60 cm；鋼桁架全部采用［10槽鋼加工，標準間距布置為85 cm；鋼桁架片之間采用L7.5角鋼進行連接；橫隔板長邊兩側分別設置1根I40a工字鋼主梁；在空心墩橫隔板下一節(jié)墩身內前后兩側預留110 mm的PVC管各3根，左右兩側預留75 mm的PVC管各2根，110 mm管配100 mm鋼棒，75 mm管配70 mm鋼棒。

2.3托架結構有限元分析驗算

首先將設計托架的結構布置圖簡化為結構分析計算簡圖，抓住主要受力結構進行分析驗算，忽略次要因素的影響，從而獲得較為可靠的有限元模型，使計算結果更趨于實際［4］。結構驗算選用Midas Civil軟件進行。

2.3.1有限元模型單元類型選定

根據(jù)橫隔板托架的受力特性，選定梁單元來模擬［8槽鋼底模分配梁、I40a工字鋼主梁、L7.5角鋼以及鋼棒。鋼桁架桿件之間的節(jié)點在實際加工中采用剛性焊接的方式，［10槽鋼不僅僅承受軸力作用，還要承受彎矩剪力等作用力，因此采用梁單元模擬鋼桁架桿件更貼合實際受力情況。橫隔板底模面板采用板單元模擬。

2.3.2有限元模型邊界條件設置

外部邊界：將橫隔板托架結構作為整體進行分析，結構外部邊界為已澆筑墩身混凝土預留孔對鋼棒的支承約束，主要提供豎向支撐及兩個橫向支撐約束，因此設置邊界條件采用一般支承，約束關鍵節(jié)點的Dx、Dy、Dz。

內部約束：鋼桁架各桿件的交叉節(jié)點設置為共節(jié)點方式，即節(jié)點處能傳遞彎矩、剪力、扭矩；支撐架與鋼桁架采用螺栓連接，螺栓軸向可轉動，因此釋放連接處的軸向轉動約束。其余結構從上往下設置為：底模面板搭接在［8槽鋼底模分配梁上，［8槽鋼底模分配梁搭接在鋼桁架上，鋼桁架搭接在I40a工字鋼主梁上，I40a工字鋼主梁搭接在鋼棒上。搭接局部采用點焊形式。點焊主要作為定位作用，因此忽略點焊所提供的約束。所有搭接均采用約束平動自由度的方式，約束設置為SDx（1e7 kN/m）、SDy（1e5 kN/m）、SDz（1e5 kN/m），不約束轉動自由度。

2.3.3荷載作用

根據(jù)現(xiàn)場實際的施工工藝，橫隔板托架施工過程中主要承受的恒載主要為結構自重及橫隔板混凝土豎向荷載，活載主要為施工人員荷載及機具荷載［5］。

自重：結構自重軟件自動統(tǒng)計。

橫隔板混凝土荷載：橫隔板最大板厚為1 m，單位面積所承受荷載值為：1 m×26 kN/m3=26 kN/m2。

施工人員及機具荷載根據(jù)規(guī)范取值為：4.5 kN/m2。

強度荷載組合：1.2自重+1.2橫隔板混凝土荷載+1.4施工人員及機具荷載。

剛度荷載組合：1.0自重+1.0橫隔板混凝土荷載。

有限元計算模型見圖3。

2.3.4校核計算結果

澆筑混凝土工況模型各構件計算結果見表1，各構件應力應變均滿足規(guī)范要求。

對結構穩(wěn)定性進行分析，屈曲分析一階模態(tài)特征值為7.8，＞4，表明托架穩(wěn)定性滿足要求。由表1可知支撐架應力富余較大，由結構失穩(wěn)圖（下頁圖4）可知托架最容易失穩(wěn)的狀態(tài)是鋼桁架側向失穩(wěn)倒塌，綜合分析可知支撐架對于結構穩(wěn)定性起關鍵作用。

3橫隔板托架應用要點

橫隔板托架應用要點在于托架制作加工及現(xiàn)場安裝拆除。制作加工需根據(jù)設計圖紙對結構尺寸、分段等做好合理布局，加強對焊接質量的控制；現(xiàn)場安裝關鍵在于控制托架精準就位，避免侵占墩身混凝土保護層；拆除關鍵在于卸落塊的設置，通過卸落塊釋放結構內部應力，從而實現(xiàn)釋放結構約束的作用。施工工藝的總體思路是：在空心墩每節(jié)內箱頂部采用預埋鋼棒架設工字鋼及槽鋼桁架作為隔板施工的支承架，然后在托架上進行隔板模板安裝、鋼筋綁扎以及混凝土澆筑?，F(xiàn)將托架應用要點詳述如下。

3.1鋼桁架制作和安裝

鋼桁架制作必須保證具有足夠的強度和剛度，穩(wěn)定性要好，必須能承受施工過程中產(chǎn)生的各種荷載。桁架片應根據(jù)內箱橫隔板的尺寸進行設計。經(jīng)驗算分析，桁架片全部采用［10槽鋼加工，高80 cm，長510 cm，桁架片之間采用L7.5角鋼進行連接。

鋼桁架安裝：

（1）在空心墩橫隔板下一節(jié)墩身內前后兩側預留110 mm的PVC管各3根，左右兩側預留75 mm的PVC管各2根。

（2）拆除下節(jié)墩身內模后，在PVC管內放置A3鋼棒，110 mm管配100 mm鋼棒，75 mm管配70 mm鋼棒，伸入墻體至少70 cm，外露長度≥40 cm。

（3）在100 mm鋼棒上各安置一條I40a工鋼，兩條工鋼間用3條48 mm鋼管進行連接，起到固定防傾倒作用。

（4）按施工圖紙預先拼裝好整體桁架（見圖4），利用塔吊提升安放在工鋼上，桁架間用L7.5角鋼進行連接，左右側70 mm鋼棒上放置雙槽鋼 14a，專為左右側倒角承重設計。工鋼與桁架之間采用鋼板和三角木進行調平，使橫隔板模板調至設計標高，如此在桁架上鋪設鋼模即可進行下道工序。

3.2鋼筋、模板安裝施工

模板采用竹膠板，根據(jù)橫隔板尺寸加工，采用塔吊進行提升安裝。模板拼裝時，模板間用膠板塞夾以防漏漿。根據(jù)橫隔板鋼筋設計圖紙，所有鋼筋在加工廠下料加工完畢，運至橋底，采用塔吊提升至內箱橫隔板頂，人工綁扎安裝［6］。

3.3模板底支架拆除

空心墩橫隔板混凝土澆筑完成，待混凝土強度達到設計要求后，可進行模板和支架拆除。采取以下拆除方案：

（1）安排工人系好安全帶從人孔下到橫隔板底下桁架，用千斤繩扣住桁架。

（2）利用塔吊緩緩帶緊，人工拆除三角木，塔吊緩緩下放，把桁架直接放在工字鋼上。

（3）工字鋼兩頭用小鋼絲繩對稱扣緊在桁架上，塔吊緩緩提升至橫隔板頂，使桁架和工字鋼脫離鋼棒。

（4）用小鋼絲繩扣緊桁架和鋼棒，人工拔出全部鋼棒。

（5）工人從人孔上來后，塔吊整體吊起桁架緩緩下放，直至墩身底部（或下節(jié)隔板底）。

（6）工人采用爬梯下到內箱底部，分片拆散桁架后，利用塔吊把鋼棒、工鋼、桁架片、模板分別吊出內箱，存放在指定地點，以便后續(xù)使用。

（7）工人從爬梯爬出內箱。

以上支架拆除均采用塔吊配合進行，工人全過程施工均需系安全帶。

4效益分析

空心薄壁高墩大型橫隔板采用輕型桁架支架法進行施工，具有以下經(jīng)濟效益和社會效益：

（1）利用輕型桁架支架作為懸空安拆模板、安裝鋼筋和混凝土澆筑的施工平臺，施工安全、方便。

（2）該技術與滿堂支架法相比（見表2），節(jié)省材料，縮短施工周期，經(jīng)濟效益更好。

（3）該技術易掌握，易推廣，有較好的社會效益。

5結語

空心薄壁高墩橫隔板托架成功應用于六寨至河池高速公路№8合同段的拉會高架大橋、拉臘高架大橋及坡電3號高架大橋，其總體工作狀況良好，效果極佳，節(jié)省了人力、周轉材料和機械設備的投入，優(yōu)質、高效地完成了空心薄壁高墩大型橫隔板的施工。

利用隔板鋼桁架及輕型模板組合，操作簡單，材料能重復周轉使用，容易掌握，易于推廣。鋼桁架加工簡單，橫隔板勞動強度低，安全系數(shù)大，墩身橫隔板施工質量容易控制。利用鋼桁架作為內箱安拆模板、鋼筋安裝和混凝土澆筑的施工平臺，施工比較安全，適用范圍廣，不受內箱高度影響，容易推廣，社會效益高。

參考文獻

［1］ 鄭永晶，李寨華.空心薄壁高墩橫隔板底模板支承裝置的設計與應用［C］. 2020年全國土木工程施工技術交流會論文集（下冊），2020.

［2］周建峰.公路橋梁空心薄壁墩高墩施工質量控制［J］.工程技術研究，2020，5（4）：194-195.

［3］王明磊，李建雙，王海明.山區(qū)峽谷超高空心薄壁墩柱施工關鍵技術［J］.中國港灣建設，2018，38（2）：66-69.

［4］鄭冰. 空心薄壁高墩穩(wěn)定性分析及橫隔板設置方法研究［D］.武漢：武漢理工大學，2017.

［5］付德均.超高空心薄壁墩施工技術［J］.國防交通工程與技術，2016，14（S1）：73-76.

［6］李現(xiàn)平.橋梁空心薄壁高墩施工和質量控制［J］.交通標準化，2014，42（24）：29-31，35.

作者簡介：陸繼業(yè)（1990—），工程師，主要從事道路橋梁施工技術管理工作。