板樁碼頭力矩平衡式胸墻模板設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用

張定野，陳叢文，丁俊吉

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

近年來(lái)板樁碼頭施工項(xiàng)目在國(guó)外項(xiàng)目中日漸增多，結(jié)構(gòu)形式也變得更加豐富。板樁碼頭施工工藝的選擇需因地制宜，且直接影響到工程的進(jìn)度、質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效果。對(duì)于選擇水上施工的板樁碼頭，胸墻的施工工藝尤為重要，以色列阿什杜德港21 碼頭改建項(xiàng)目使用三角鋼架懸吊整體底模進(jìn)行海側(cè)胸墻底模支立[1]、巴基斯坦卡拉奇深水港碼頭項(xiàng)目使用預(yù)制面板作為胸墻海側(cè)外模板[2]，這兩個(gè)項(xiàng)目在進(jìn)行胸墻模板支立時(shí)依托了板樁墻后形成的陸域條件，菲律賓八打雁港項(xiàng)目使用懸吊底模工藝實(shí)現(xiàn)了全水上胸墻施工[3]，但對(duì)鎖口進(jìn)行了水下切割，施工較為復(fù)雜。本文介紹了印尼奧比島Persada 6B 泊位項(xiàng)目的板樁碼頭胸墻工藝，該項(xiàng)目通過(guò)吊筋懸吊，底模整體安裝的施工工藝，并進(jìn)行了施工作業(yè)各個(gè)階段的底模力矩平衡核算，該工藝經(jīng)過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐得以順利實(shí)施，可為類似施工項(xiàng)目作為參考。

1 工程概況

印尼奧比島Persada 6B 泊位為板樁碼頭結(jié)構(gòu)，碼頭岸線由單排鎖扣鋼管樁形成，鋼管樁通過(guò)CT鎖扣緊密排布，樁長(zhǎng)22.8 m，樁頂為現(xiàn)澆胸墻結(jié)構(gòu)，胸墻高4.0 m，位于管樁墻正上方，胸墻底標(biāo)高+0.5 m，全高4.0 m，總長(zhǎng)282 m，共20 段，每段長(zhǎng)度16.29 m；胸墻底段需埋設(shè)鋼拉桿，拉桿埋設(shè)高程1.5 m，碼頭斷面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 碼頭斷面布置圖Fig.1 Layout plan of wharf section

碼頭胸墻底段截面為底寬2.4 m、高1.8 m 的矩形；頂段為直角梯形，底寬0.9 m，頂寬0.7 m，高2.2 m，胸墻斷面見(jiàn)圖2。胸墻位置距離岸側(cè)較遠(yuǎn)且位于無(wú)掩護(hù)海域，為節(jié)約成本，提高施工效率，本項(xiàng)目現(xiàn)澆胸墻考慮全部采用全水上施工工藝。胸墻計(jì)劃共為2 次澆筑，首次澆筑范圍為矩形區(qū)域，澆筑高度1.8 m，第2 次澆筑范圍為上部梯形區(qū)域，澆筑高度為2.2 m。

圖2 現(xiàn)澆胸墻斷面圖Fig.2 Cross section of cast-in-place breast wall

本項(xiàng)目鎖扣鋼管樁進(jìn)入胸墻80 cm，鎖扣位置進(jìn)入胸墻30 cm，樁與鎖扣將胸墻前后沿的底部分隔開(kāi)來(lái)，胸墻底模前后無(wú)法直接連接，給底模的鋪設(shè)造成了一定困難。

2 力矩平衡式模板設(shè)計(jì)

2.1 模板設(shè)計(jì)思路

1） 因印尼區(qū)域潮差較小，趕潮作業(yè)時(shí)間非常有限，為了減少潮水對(duì)鋪底的影響，胸墻底模鋪設(shè)考慮吊筋工藝[4]；

2） 底模采用型鋼主、次梁+鋼板的結(jié)構(gòu)形式，在鎖扣鋼管樁形成的板樁墻前后沿分為兩片布置，并通過(guò)在陸上將單側(cè)底模的主次梁焊接成整體，鋼板與底模次梁臨時(shí)固定的方式，使底模在施工中能夠整體吊裝安裝，縮短水上作業(yè)的時(shí)間；

3） 因底模前后片模板相對(duì)獨(dú)立，為避免施工過(guò)程中底模發(fā)生傾覆，考慮在底模主梁之間設(shè)置對(duì)拉桿使底模力矩達(dá)到平衡，使底模在施工中的各個(gè)階段均能夠保證整體穩(wěn)定。對(duì)拉桿設(shè)置在鎖扣管樁墻的泄水孔位置，施工中不對(duì)管樁墻結(jié)構(gòu)造成破壞。

2.2 模板結(jié)構(gòu)形式

底模主梁采用雙拼HN450×200 型鋼，通過(guò)吊筋吊掛在鋼管樁頂，次梁為[8 槽鋼，與底模主梁焊接固定，底模板使用10 mm 鋼板，與次梁點(diǎn)焊連接，胸墻前后沿底模主梁通過(guò)?30 圓鋼對(duì)拉緊固，使2 根雙拼主梁均能夠緊貼在鋼管樁兩側(cè)；在底模雙拼H 型鋼中心線位置向上穿?30 圓鋼吊筋，吊筋為每間隔1 根樁布置2 道，懸掛在已澆筑樁芯的鋼管樁樁壁。

底口對(duì)拉桿拉緊后，拉力產(chǎn)生的力矩可以抵抗施工過(guò)程中荷載偏出主梁重心產(chǎn)生的不平衡力矩，以達(dá)到整體結(jié)構(gòu)力矩平衡，避免支撐體系傾覆。底模主次梁分布見(jiàn)圖3，胸墻模板支撐體系見(jiàn)圖4。

圖3 胸墻底模主次梁分布圖Fig.3 Distribution diagram of main and secondary beams for breast wall bottom formwork

圖4 胸墻模板支立斷面圖Fig.4 Cross section view of breast wall formwork support

2.3 力矩平衡理論說(shuō)明

因?yàn)檎麄€(gè)底模并不是一個(gè)規(guī)則物體，計(jì)算整體力矩平衡時(shí)需要提前確定底模斷面的重心位置、側(cè)模板重心位置以及胸墻混凝土斷面的重心位置。底模及側(cè)模的重量、重心均為固定值，可以作為常數(shù)進(jìn)行力矩平衡計(jì)算；混凝土重心位置固定，但隨著胸墻混凝土澆筑高度逐漸增加，胸墻混凝土的重量隨之增大，因此混凝土產(chǎn)生的力矩大小是混凝土澆筑高度的線性函數(shù)。把胸墻底模、側(cè)模及正在澆筑的胸墻混凝土看成一個(gè)整體，這個(gè)整體產(chǎn)生的力矩需要與底模主梁之間的對(duì)拉力產(chǎn)生的力矩達(dá)到平衡，以此建立等式，可以計(jì)算出底模對(duì)拉力的極值。

2.4 模板結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性計(jì)算

1） 底模板強(qiáng)度計(jì)算

本工程計(jì)算模型采用Midas civil 軟件整體建立，吊筋支撐未建立在模型中（將通過(guò)支反力核算），主梁為連續(xù)多跨梁結(jié)構(gòu)，次梁與主梁之間使用兩點(diǎn)彈性連接模型，來(lái)模擬實(shí)際施工過(guò)程中[8槽鋼與雙拼H 型鋼主梁頂部焊接的效果。施工人員荷載及設(shè)備荷載均以均布荷載的形式施加在整個(gè)底模平臺(tái)上，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2[5]；胸墻混凝土荷載以均布荷載的形式施加在底模平臺(tái)混凝土澆筑位置上，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2[5]；因本項(xiàng)目計(jì)劃通過(guò)吊罐下灰至樁頂，不會(huì)對(duì)胸墻底模產(chǎn)生沖擊，另胸墻底層澆筑高度為1.8 m，澆筑到上部時(shí)混凝土下灰已經(jīng)不會(huì)對(duì)底模產(chǎn)生影響，故計(jì)算時(shí)未考慮沖擊荷載[5]。

經(jīng)過(guò)Midas civil 運(yùn)行計(jì)算后，得出結(jié)果為吊筋提供拉力為76.7 kN，主梁最大應(yīng)力為2.37 MPa，次梁最大應(yīng)力為93.2 MPa，板單元最大應(yīng)力為40.3 MPa，底模支撐體系可滿足施工要求[5]，另外主梁應(yīng)力很小，施工過(guò)程中幾乎不發(fā)生變形，故亦不必考慮主梁在施工中變形引起整體底模失穩(wěn)。

2） 吊筋計(jì)算

根據(jù)反力計(jì)算結(jié)果，單根吊筋豎向拉力為76.7 kN。吊筋使用?30 圓鋼制作，與豎直方向呈16°夾角，因此其軸向拉力為79.7 kN，吊筋受力情況示意見(jiàn)圖5。

圖5 吊筋受力示意圖Fig.5 Schematic diagram of stress on suspension bars

?30 圓鋼抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa[6]，可提供拉力FD=3.14×15×15×215=151 897.5 N=151.9 kN＞79.7 kN。

吊筋與鋼管樁接觸位置剪力為79.7 kN，?30圓鋼的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為125 MPa[6]，可承受最大剪力為FJ=88.3 kN＞79.7 kN，故?30 圓鋼吊筋可滿足施工要求。

3） 底模力矩平衡計(jì)算

在底模縱向取一個(gè)結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度計(jì)算模板重心。底模一個(gè)結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)度為1 153 mm，一個(gè)結(jié)構(gòu)段平均有4 道[8 槽鋼，一塊鋼板，單個(gè)結(jié)構(gòu)段底模樣式見(jiàn)圖6。設(shè)重心位置與鋼板外邊線距離為c，根據(jù)重心線兩側(cè)重量相等的原則，可求得：c=0.568 7≈0.57 m

圖6 計(jì)算結(jié)構(gòu)段平面示意圖Fig.6 Schematic diagram of calculation structure section plan

即底模重心位置在鋼板外邊沿向內(nèi)0.57 m 位置，與樁中心距離1.5-0.57=0.93 m，與胸墻邊線距離0.27 m。

底模雙拼H 型鋼提供底模板的支持力，受力點(diǎn)為雙拼H 型鋼重心位置，距離胸墻前沿線0.5 m。

側(cè)模板的重量為219 kg，側(cè)模板緊貼胸墻混凝土面，厚度可以忽略不計(jì)，故胸墻側(cè)模板的重心位置為胸墻前沿線位置。

胸墻混凝土底面積0.99 m2，混凝土重心位置由CAD 建立面域求出，為前沿線向內(nèi)0.446 m。

設(shè)混凝土澆筑高度為h，底口對(duì)拉桿提供拉力為F，則混凝土重力為h×0.99×24 kN，根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立力矩平衡等式，以胸墻貼近鋼管樁位置底口作為計(jì)算點(diǎn)，力矩平衡關(guān)系見(jiàn)圖7，經(jīng)計(jì)算化簡(jiǎn)后可得：F=4.71+4.07h

圖7 力矩平衡示意圖（mm）Fig.7 Schematic diagram of torque balance（mm）

由此得知，對(duì)拉桿的拉力與混凝土澆筑高度為線性關(guān)系，混凝土澆筑高度為1.8 m 時(shí)，F(xiàn)有最大值為12.04 kN，因?qū)瓧U間距為間隔2 根樁設(shè)置1 根，故對(duì)拉桿拉力最大值為2F=24.08 kN。

模板底口對(duì)拉采用?30 圓鋼，間距2.306 m一道，以拉應(yīng)力215 MPa 計(jì)算，?30 圓鋼可提供最大拉力為151.9 kN＞24.08 kN，對(duì)拉后底模的平衡性滿足要求。

4） 底模力矩平衡校核

以上計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該模板設(shè)計(jì)思路在理論上可行，但在實(shí)際施工過(guò)程中，因樁位偏差及模板安裝影響，很難保證理想化，需要對(duì)因施工引起的重心偏差情況進(jìn)行校核。本項(xiàng)目假定主梁與混凝土重心向外偏移0.3 m，此時(shí)，通過(guò)力矩平衡直接算出對(duì)拉桿的拉力值為：

F1=51.24 kN＜151.9 kN

由此可得，當(dāng)混凝土重心偏差在0.3 m 以內(nèi)時(shí)，底模穩(wěn)定性均能夠滿足施工要求，實(shí)際施工中，因樁與樁之間通過(guò)鎖扣連接，沉樁偏差較小，一般不會(huì)超過(guò)0.1 m，底模的平衡性可以得到保證。

5） 拉桿伸長(zhǎng)引起的底模變形校核

根據(jù)公式：ΔL=PL/EA計(jì)算拉桿受拉后的伸長(zhǎng)量，拉桿拉力取51.24 kN，E取Q235 鋼材的彈性模量210 GPa，計(jì)算得出拉桿伸長(zhǎng)量ΔL為0.6 mm，通過(guò)相似關(guān)系可計(jì)算出此時(shí)模板外沿位移為1.13 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的10 mm[8]。拉桿伸長(zhǎng)對(duì)底模變形影響較小，施工中可以忽略。

3 應(yīng)用效果

鎖扣鋼管樁在水上沉樁時(shí)不可避免的將會(huì)產(chǎn)生一定樁位偏差，對(duì)此，在胸墻底模加工前先進(jìn)行樁位測(cè)量，然后根據(jù)實(shí)測(cè)的樁位偏差調(diào)整次梁位置，避免次梁與樁發(fā)生位置沖突致使主梁不能與樁壁貼緊。

底模主次梁在陸上拼接，鋼板縱向按樁間距裁切成塊，待底模骨架安裝完成后水上安裝，鋼板與樁壁緊貼后通過(guò)螺栓緊固在底模次梁上，以免潮水將鋼板掀起或拆模時(shí)站在混凝土面難以抽出。

底模鋪設(shè)完成后鋼筋綁扎與側(cè)模支立為常規(guī)工藝，正常實(shí)施即可。本項(xiàng)目胸墻鋼筋采用了陸上綁扎整體吊裝的安裝工藝[7]，進(jìn)一步減少了趕潮作業(yè)時(shí)間，加快了施工效率。

奧比島當(dāng)?shù)貫椴灰?guī)則半日潮，每天有2 個(gè)低潮，每次低潮時(shí)長(zhǎng)約2～3 h，實(shí)際施工過(guò)程中，底模鋪設(shè)可在1 d 內(nèi)完成，共占用2 個(gè)潮水，鋼筋安裝、鋼拉桿安裝、護(hù)舷預(yù)埋件焊接及側(cè)模組拼占用2 個(gè)潮水，混凝土澆筑占用1 個(gè)潮水，平均1 d 即可完成一段胸墻的施工。

底模拆除時(shí)，吊筋可趕低潮割除，底口對(duì)拉螺母通過(guò)人工使用扳手?jǐn)Q下，底模卸力后，可使用履帶吊輕松從側(cè)向拽出。

綜合以上施工情況，該底模板具有支拆簡(jiǎn)單，趕潮作業(yè)少，施工效率高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了施工期墻后填土產(chǎn)生的板樁墻前移風(fēng)險(xiǎn)，也節(jié)省了陸域施工胸墻預(yù)先填筑圍堰造成的工期大量增加。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目的力矩平衡式板樁碼頭胸墻底模計(jì)算模型為瞬變體系，但在實(shí)際使用過(guò)程中，通過(guò)型鋼主梁與管樁的緊貼產(chǎn)生的摩擦和限位可以避免底模支立過(guò)程中的傾覆，吊筋及對(duì)拉的力學(xué)平衡也能夠保證混凝土澆筑過(guò)程中的體系穩(wěn)定。通過(guò)模板設(shè)計(jì)思路，減少了底模剛性固定的工序及材料增加，該支撐體系具有用鋼量小、施工簡(jiǎn)便、安裝效率高等特點(diǎn)，并在實(shí)際施工過(guò)程中得到了有效驗(yàn)證，可為類似的板樁碼頭項(xiàng)目以及其它的類似結(jié)構(gòu)施工提供參考，具有借鑒意義。