裝配式混凝土模板在橋梁墩柱的設(shè)計與分析

林東偉 張曉明

廣東省水利水電第三工程局有限公司 廣東 東莞 523000

引言

橋梁墩作為基礎(chǔ)與上部橋梁結(jié)構(gòu)連接部位（即承載上部結(jié)構(gòu)物的下部承重物），其墩截面可分為為圓形，也有橢圓形、方形、曲線形、拋物線形等異性墩。橋墩常因模板的接縫處出現(xiàn)瑕疵，造成了漿液溢出的現(xiàn)象，一般來說，造成接縫問題的最大原因是模板的單元劃分、模板單元間連接不密實、模板剛度等問題將直接影響模板在橋梁墩柱施工中的使用，例如模板尺寸不符合施工的要求，因此造成模板之問無法正常銜接。為保證橋墩成型后鋼筋保護層厚度及模板單元接縫緊密避免漏漿現(xiàn)象，本文主要論述裝配預(yù)制混凝土模板。

預(yù)制混凝土模板結(jié)構(gòu)，主要由面板、支撐結(jié)構(gòu)和連接件三部分組成。面板主要有平面模板、連接模板；支撐結(jié)構(gòu)是采用各種工具式的定型析架、支撐、托具、卡具等組成模板的支架系統(tǒng)；連接件主要有U型卡、鉤頭螺栓、對拉螺栓和扣件等。

1 裝配式混凝土模板組成和劃分

通過某大橋的墩柱施工的裝配式混凝土模板進行分析，將預(yù)制裝配式混凝土體系設(shè)計劃分為模板單元劃分、模板間連接體系、模板支撐體系和調(diào)節(jié)模塊4個部分。

1.1 裝配式混凝土模板單元劃分

裝配式混凝凝土模板根據(jù)橋梁墩柱設(shè)計圖紙的截面尺寸和高度、施工現(xiàn)場條件（如施工現(xiàn)場澆筑高度、施工周邊道路、吊裝最大質(zhì)量要求等條件）進行劃分。作為保證混凝土外觀質(zhì)量，不僅要滿足承受混凝凝土澆筑時沖擊力的剛度、強度、變形要求，還要其模板安裝簡便、具有快速拼裝及混凝土外觀質(zhì)量無缺陷等特點。其預(yù)制混凝土模板單元由鋼筋混凝土面板+吊環(huán)（作為起吊時吊點，后期通過拉桿與主體鋼筋連接+凹凸承插式連接部位+后背支撐體系，其布置如下圖1所示）。具體單元劃分根據(jù)實際設(shè)計圖紙進行劃分。

圖1 裝配式混凝土模板（大模板體系）

1.2 裝配式混凝土模板間連接體系

作為模板連接部位，在滿足混凝土澆筑時強度、剛度、變形要求的前提下，還要滿足混凝土澆筑時水泥砂漿不易溢出。預(yù)制混凝土模板連接方式有漿錨搭接（將需要連接的帶肋鋼筋插入預(yù)制構(gòu)件的預(yù)留孔道里，其后在孔道內(nèi)注入高強早強且有微膨脹特性的灌漿料）、螺栓連接（通過螺栓將兩個預(yù)制模板單元連接在一起）。本文單元間連接采用螺栓連接，并在外部模板螺栓連接處涂抹防腐劑，用水泥砂漿進行外部螺栓處封堵。

1.3 裝配式混凝土模板支撐體系

模板支撐體系中，為預(yù)制混凝土模板提供組裝平臺，同時為承受混凝土模板單元在澆筑混凝土?xí)r的水平向荷載，其布置需根據(jù)預(yù)制混凝土單元的拼裝情況，如混凝土模板單元的長度、高度等進行布置。采用鋼管樁+工字鋼形式，其豎向鋼管樁采用直徑630mm，壁厚10mm，通過直徑為219mm，壁厚為6mm的鋼管連接成格構(gòu)式結(jié)構(gòu)支撐體系，工字鋼通過焊接在鋼管樁上三角塊進行連接，同時通過鋼楔塊、墊片等調(diào)整工字鋼水平、豎向位置[1]。

1.4 調(diào)節(jié)模塊

調(diào)節(jié)模塊除了承受預(yù)制混凝土板的自重外，還要沿著墩柱的垂直水平方向具有可調(diào)整功能，保證預(yù)制混凝土模板單元沿著水平向無出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象。

2 裝配式模板方案設(shè)計

以某個工程的橋墩柱為例，采用Revit2016體量模型，建立橋梁墩柱模型，通過體量中的網(wǎng)格（UV劃分）對比分析三種不同預(yù)制混凝土模板單元劃分體系。橋梁墩柱采用等截面雙柱墩，為帶圓倒角的矩形墩，橫橋向兩墩中心間距20m，單個墩身橫橋向?qū)挾葹?m，順橋向厚為2.2m，端部為半徑0.2m 的圓倒角，高度為9m。墩頂設(shè)預(yù)應(yīng)力蓋梁以滿足支座布置的需要，墩頂橫橋向設(shè)抗震擋塊[2]。

2.1 單元劃分方案1

方案1根據(jù)圖紙橋墩的轉(zhuǎn)角點及澆筑高度將墩柱劃分為3層的大模板體系，其圓弧轉(zhuǎn)角單獨設(shè)立，分割層數(shù)與直面段一致。選取單個墩，利用Revit 2016的體量族建立模型，其分割如圖2-1所示[3]。

圖2-1 方案1單元劃分

2.2 單元劃分方案2

方案2根據(jù)起吊汽車最大的起吊重量，將方案1的大模板進行二次尺寸修改，直線段按垂直方向劃分為8個，水平方向劃分3個，弧面段延高度方向劃分為8段。其單元分割如圖2-2所示。

圖2-2 方案2單元劃分

2.3 單元劃分方案3

方案3根據(jù)單元重量及安裝簡便方面考慮，將橋墩直線段沿高度方向劃分10個單元，沿水平方向劃分6個單元，圓弧段沿高度方向劃分10個單元，其單元劃分如下圖2-3所示[4]。

圖2-3 方案3單元劃分

3 有限元模型建立

根據(jù)圖以上三方案劃分的單元體系，利用Midas Civi建立空間板單元與梁單元的有元模型，板單元與梁單元連接采用彈性連接建立的約束關(guān)系。相關(guān)計算參考GB 5009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》。其中混凝土澆筑初凝時間取10h，混凝土澆筑速度為1.5m/h，外加劑影響修正系數(shù)取1.2，混凝土坍落度影響修正系數(shù)1.15，通過計算選取小值作為側(cè)壓荷載，其有效高度為3.72m（即混凝土從頂面至3.72m是三角布置荷載，3.72m以下為均布荷載）[5]。則施加在板單元有：

豎向荷載（包括模板、施工荷載）；

水平荷載：澆筑混凝土?xí)r側(cè)壓荷載和振搗混凝土荷載，相關(guān)計算參考，計算得荷載如表1所示。

表1 模型荷載

4 模板受力特征分析

4.1 預(yù)制混凝土模板應(yīng)力分析

通過建立的Revit模型導(dǎo)入至Midas civil中，通過節(jié)點/單元中的自動網(wǎng)格劃分，對導(dǎo)入的實體進行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后對其邊界、荷載進行添加。考慮其模板受力的對稱性，選取一側(cè)模板進行分析，模板間的連接通過彈性連接模擬其單元模板連接[6]。

方案1的最大應(yīng)力值為137.11N/mm2，方案2的應(yīng)力值為138.33N/mm2，方案3的最大應(yīng)力值26.8N/mm2，其中方案3的應(yīng)力最小，說明方案3的受力優(yōu)于方案1、方案2，產(chǎn)生方案應(yīng)力值過大的原因是單元劃分的尺寸過大，其邊界約束條件一致情況下，出現(xiàn)應(yīng)力過大。

4.2 預(yù)制混凝土模板變形分析

模板受到澆筑時混凝土側(cè)壓力影響較大，方案1的最大變形值為11.2mm，方案2的最大變形值為11.78mm，方案3的最大變形值為0.7mm，經(jīng)對比可知方案3變形量最小。綜合以上結(jié)論，可知方案3的受力特征較優(yōu)[7]。

5 單元劃分、裝配對比

5.1 單元劃分的重量與拼裝性對比

從拼裝預(yù)制模板的重量、其預(yù)制模板受到應(yīng)力及變形大小展開分析。

5.1.1 方案1。預(yù)制混凝土模板為大模板形式，其重量大，對起吊設(shè)備要求高，本單元未考慮現(xiàn)場施工設(shè)備起重要求，其預(yù)制模板的應(yīng)力及變形較大，對支撐體系要求高，但墩柱成型混凝土質(zhì)量較好。

5.1.2 方案2。預(yù)制混凝土模板根據(jù)起吊重量及吊點設(shè)置劃分單元，其單元應(yīng)力及變形相對于方案1較小，墩柱成混凝土型質(zhì)量較好[8]。

5.1.3 方案3。相對于方案2來說，預(yù)制模板單元劃分較多，其應(yīng)力及應(yīng)變較小，但其拼裝復(fù)雜，在預(yù)制模板拼裝完成后產(chǎn)生很多施工縫，墩柱混凝土成型質(zhì)量較差。

5.2 施工簡易性

5.2.1 方案1。劃分的大模板單元可以快速拼裝組合，但質(zhì)量重對起重設(shè)備的要求高，同時預(yù)制模板間的縫可以通過調(diào)節(jié)塊控制其對齊[9]。

5.2.2 方案2。單元劃分?jǐn)?shù)量相對于方案1較多，組裝比較繁瑣，需要對各單元進行編號，但重量比較輕，一般吊裝設(shè)備可以滿足要求，單元數(shù)量較多，其單元間的縫寬度控制會因預(yù)制過程中尺寸誤差造成不對齊現(xiàn)象。

5.2.3 方案3。單元劃分?jǐn)?shù)量最多，雖然重量相對于前兩個方案最輕，但因單元劃分?jǐn)?shù)量最多，其模板單元安裝較前兩個方案相對復(fù)雜，同時單元與單元間連接較多，施工時間相對前兩個較長[10]。

綜合受力特征和施工簡易性對比，歸納三種方案比較分析結(jié)果，如表2所示。

表2 三種方案比較分析結(jié)果

6 結(jié)束語

通過以上橋墩的案例設(shè)計與分析，對三種不同裝配式混凝土預(yù)制塊進行對比，得出以下主要結(jié)論。

調(diào)節(jié)模塊在裝配式單元使用時可以調(diào)整單元間上下水平高程及左右單元施工縫距離，其調(diào)節(jié)塊會影響到單元間連接及使單元沿施工縫應(yīng)力產(chǎn)生集中現(xiàn)象，應(yīng)注重調(diào)節(jié)塊間單元連接處應(yīng)力驗算。

通過Revit 2016體量的UV網(wǎng)格進行單元劃分時，應(yīng)考慮自己施工設(shè)備及場地設(shè)備布置、施工場地周邊建筑對起吊高度、起吊安全距離控制等因素影響。

通過建好的Reivt 2016模型導(dǎo)入到Midas civil里時，應(yīng)考慮連接節(jié)點及實體單元受力特征等對實體單元進行網(wǎng)格劃分，使計算的結(jié)果與實際基本一致。

利用鋼管樁與工字鋼的楔塊、預(yù)制模板與鋼筋調(diào)節(jié)塊同時對預(yù)制模板的垂直度進行調(diào)整。

通過本文案例的設(shè)計與分析，為后期同類預(yù)制混凝土模板工程提供參考及設(shè)計分析流程。