合山特大橋?qū)嵭姆蕉諔冶勰０逶O(shè)計(jì)及施工技術(shù)

摘要：文章依托合山特大橋?qū)嶋H工程，系統(tǒng)闡述了懸臂模板的設(shè)計(jì)方法及施工技術(shù)，并建立有限元模型進(jìn)行整體驗(yàn)算，證明了懸臂模板設(shè)計(jì)的合理性。該技術(shù)解決了由于各項(xiàng)目技術(shù)水平參差不齊，設(shè)計(jì)出的懸臂模板結(jié)構(gòu)安全存在一定風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，可為同類(lèi)工程參考借鑒。

關(guān)鍵詞：實(shí)心方墩；懸臂模板；高墩；有限元模型

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.4? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

女意編號(hào)：1673-4874（2024）04-0138-04

0 引言

隨著交通建設(shè)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，公路建設(shè)更加重視與環(huán)境的協(xié)調(diào)，從選線設(shè)計(jì)上就盡量避免大填大挖，取而代之的是跨越能力更強(qiáng)的高墩橋梁。

高墩施工通常采用翻模技術(shù)，其安拆繁瑣，安拆過(guò)程有較大安全風(fēng)險(xiǎn)。高質(zhì)量施工需要更高效的施工組織以及先進(jìn)的施工設(shè)備［1］。

于是誕生了液壓爬模、懸臂模板等新設(shè)備。液壓爬模需要更精密的操作系統(tǒng)及硬件結(jié)構(gòu)，相比懸臂模板成本更高，一次投入過(guò)大。因此更為經(jīng)濟(jì)安全的懸臂模板得到了大規(guī)模的應(yīng)用。懸臂模板架體具有施工簡(jiǎn)單、迅速和一次澆筑高度調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的翻模施工工藝，懸臂模板架體自帶后移裝置在進(jìn)行模板安裝和拆除時(shí)施工工藝更為簡(jiǎn)單快捷。

但是各項(xiàng)目的技術(shù)水平參差不齊，設(shè)計(jì)出的懸臂模板結(jié)構(gòu)安全存在一定風(fēng)險(xiǎn)，本文通過(guò)實(shí)際工程案例，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的施工要求，對(duì)懸臂模板的施工關(guān)鍵工況進(jìn)行分析，并建立有限元模型進(jìn)行整體驗(yàn)算，對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力驗(yàn)算，目前應(yīng)用橋梁墩柱已超前完成施工，證明了懸臂模板設(shè)計(jì)的合理性［2］。

1 工程概況

武宣—來(lái)賓—合山—忻城公路1-4分部主線樁號(hào)K70+670～K86+000，主線樁號(hào)全長(zhǎng)15.33 km，采用100 km/h設(shè)計(jì)速度，整體式路基寬26 m，分離式路基寬13 m，路基長(zhǎng)6.841 km，橋梁4.574 km、隧道3.915 km，橋隧比約為55%。其中合山特大橋?yàn)榉植烤€路的控制性工程，橋梁全長(zhǎng)1 489 m，共37跨，設(shè)計(jì)采用40 mT梁，墩身設(shè)計(jì)為空心薄壁墩及實(shí)心方墩，其中實(shí)心方墩最大墩高43.24 m（見(jiàn)圖1），因建設(shè)規(guī)模大工期緊，36根實(shí)心方墩采用懸臂模板施工。

2 懸臂模板設(shè)計(jì)及施工要求

懸臂模板的設(shè)計(jì)和施工是需要同步考慮、互相協(xié)調(diào)的。以“安全可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力明確，經(jīng)濟(jì)合理，施工便捷”為原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高效服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)施工，打造品質(zhì)工程的目的。懸臂模板的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮墩柱的施工工藝，所使用的機(jī)具設(shè)備及安全防護(hù)措施等成套施工體系。

實(shí)心方墩施工為分節(jié)段施工，節(jié)段模板吊裝擬采用吊車(chē)吊裝，因此模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮輕便，通過(guò)有限元分

析軟件，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡量?jī)?yōu)化減輕構(gòu)件的重量，通過(guò)采用木梁膠合模板及木工字形梁等木質(zhì)結(jié)構(gòu)，降低結(jié)構(gòu)自重，以方便施工過(guò)程中的吊裝、安拆等［3］。

應(yīng)進(jìn)行重要構(gòu)件、埋件的計(jì)算，其為模板體系的關(guān)鍵受力節(jié)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)驗(yàn)算滿(mǎn)足要求的前提下，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求安裝預(yù)埋件，確保整個(gè)模板體系的安全穩(wěn)固。

3 懸臂模板設(shè)計(jì)

3.1 懸臂模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

墩身模板架體由項(xiàng)目聯(lián)合專(zhuān)業(yè)廠家根據(jù)合山特大橋墩身特點(diǎn)設(shè)計(jì)制造，采用PJ200懸臂模板架體。PJ200懸臂模板架體分為三角架和模板兩個(gè)主要部分，架體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2、圖3。三腳架主要作用為防止模板后移裝置和安裝模板時(shí)的施工平臺(tái)。模板分為墩身模板和挑架兩個(gè)部分，在模板安裝完畢后，挑架作為施工平臺(tái)進(jìn)行鋼筋安裝以及混凝土澆筑、振搗工作。

3.1.2 模板設(shè)計(jì)

墩柱模板采用可拆裝式木梁膠合模板，由面板、豎向木工字形梁、水平向背楞及其連接件、模板對(duì)拉螺桿組成，墩身模板結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖4。木梁膠合模板的面板采用δ18 mm維薩板［4］；豎肋為H20木工字梁，最大間距為30 cm；背楞為雙拼［14#a槽鋼，間距為110 cm。

3.2 懸臂模板結(jié)構(gòu)檢算

3.2.1 模板及拉桿驗(yàn)算

3.2.1.1 設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)設(shè)計(jì)采用值

（1）鋼材物理性能指標(biāo)：［14#a雙拼槽鋼采用Q235鋼材，其力學(xué)參數(shù)：σ=215 MPa，τ=125 MPa，拉桿采用Q345鋼材，其力學(xué)參數(shù)：σ=310 MPa，τ=180 MPa。

（2）木工字梁物理特性指標(biāo)：抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度σ=14.5 MPa；抗剪強(qiáng)度τ=1.5 MPa。

（3）容許撓度（以最窄邊為例）：柱箍變形梁［δ］≤L/500=2 000/500=4 mm。

3.2.1.2 荷載計(jì)算

在實(shí)際工程中主要承受模板自重、鋼筋混凝土自重荷載、混凝土側(cè)壓、振搗混凝土產(chǎn)生的荷載。混凝土自重在有限元軟件中可直接施加，因此無(wú)須計(jì)算。其他荷載計(jì)算如下：

（1）混凝土側(cè)壓力荷載：根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范計(jì)算得混凝土的最大側(cè)壓力為42.23 kN/m2，有效壓頭高度h=42.23/26=1.63 m。

（2）傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載：根據(jù)《施工現(xiàn)場(chǎng)常用臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)施計(jì)算手冊(cè)》，用于串筒或?qū)Ч軆A倒時(shí)，產(chǎn)生的沖擊荷載為2 kPa。

（3）振搗混凝土產(chǎn)生的荷載：根據(jù)《施工現(xiàn)場(chǎng)常用臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)施計(jì)算手冊(cè)》，對(duì)垂直面模板可采用4.0 kPa［5］，所以施工荷載和為6 kPa。

3.2.1.3 荷載工況組合

對(duì)模板荷載進(jìn)行組合，采用極限荷載組合進(jìn)行驗(yàn)算，具體組合方式如下：

（1）強(qiáng)度驗(yàn)算荷載組合工況一：1.2×模板自重+1.2×混凝土側(cè)壓+1.4×傾倒混凝土荷載+1.4×振搗混凝土荷載。

（2）模板剛度驗(yàn)算工況二：1.0×自重+1.0×混凝土側(cè)壓力。

3.2.1.4 邁達(dá)斯建模驗(yàn)算

根據(jù)懸臂模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸及材料規(guī)格型號(hào)，建立邁達(dá)斯計(jì)算模型，經(jīng)運(yùn)算分析，提取計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

（1）［14#a雙拼槽鋼驗(yàn)算：計(jì)算顯示［14#a雙拼槽鋼最大組合應(yīng)力為71.0 MPa，＜f=215 MPa，［14#a雙拼槽鋼背楞抗彎強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；最大剪應(yīng)力為29.7 MPa，＜f=125 MPa，剪應(yīng)力強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；最大撓度值為1.385 mm，＜4 mm，滿(mǎn)足變形要求。

（2）木工字梁驗(yàn)算：木工字梁最大組合應(yīng)力為5 MPa，＜f=14.5 MPa，抗彎強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；最大剪應(yīng)力為1.3 MPa，＜f=1.5 MPa，剪應(yīng)力強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；最大撓度值為1.54 mm＜4 mm，滿(mǎn)足變形要求。

（3）拉桿驗(yàn)算：拉桿最大組合應(yīng)力為244.9 MPa，＜f=300 MPa，拉桿抗拉強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

（4）墩身模板整體剛度驗(yàn)算：墩身模板最大撓度為1.56 mm，＜4 mm，滿(mǎn)足變形要求。

3.2.2 重要構(gòu)件、埋件的計(jì)算

懸臂支架支座反力如表1所示。

3.2.2.1 受力螺栓計(jì)算

螺栓的承載力應(yīng)按式（1）規(guī)定計(jì)算：

NVNbV2+NtNbt2≤1NV≤Nbc? ? ?（1）

代入式（1）得NVNbV2+NtNbt2=58.481502+76.232002=0.55，<1，滿(mǎn)足要求。

3.2.2.2 承載螺栓與混凝土接觸處的混凝土沖切承載力計(jì)算

當(dāng)承載螺栓與錐形承載接頭連接時(shí)：

F≤2.8（d+s-30）（s-30）ft=2.8×（100+350-30）（350-30）×1.1=376 kN，≥74.94 kN，滿(mǎn)足要求。

3.2.2.3 高強(qiáng)螺桿抗拉承載力計(jì)算

對(duì)拉高強(qiáng)螺桿為D20螺桿，則A=3.14×（20×20÷4）=314 mm2；高強(qiáng)螺桿拉力N=A×f=314×600÷1 000=188.4 kN，＞78.94 kN。

3.2.2.4 承載螺栓與混凝土接觸處的混凝土局部受壓承載力計(jì)算

F≤2.0a2fc=2.0×100×100×10=200 kN，≥78.94 kN，滿(mǎn)足要求。

綜上，懸臂模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)算的各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足要求，可加工用于現(xiàn)場(chǎng)施工。

4 實(shí)心方墩懸臂模板施工技術(shù)

PJ200懸臂模板架體采用汽車(chē)吊配合進(jìn)行安拆模板。墩柱每節(jié)澆筑高度按標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段高度4.5 m進(jìn)行施工。施工所用的鋼筋、模板等材料的垂直運(yùn)輸設(shè)備采用汽車(chē)吊配合。鋼筋在工廠預(yù)制用車(chē)運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)綁扎成型，主筋連接采用套筒連接。墩柱混凝土澆筑時(shí)采用汽車(chē)泵進(jìn)行泵送［6］。

4.1 首節(jié)模板安裝

首節(jié)模板的安裝十分關(guān)鍵，模板底端應(yīng)用砂漿配合找平，防止根部出現(xiàn)漏漿爛根等現(xiàn)象。為控制模板的變形，模板需根據(jù)設(shè)計(jì)安裝對(duì)拉螺桿，對(duì)拉螺桿安裝見(jiàn)圖6。需要準(zhǔn)確安裝預(yù)埋件，施工過(guò)程中防止預(yù)埋件移位。

4.2 第二及以后節(jié)段施工

完成首節(jié)墩柱施工并且混凝土達(dá)到拆模強(qiáng)度（混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa）、卸下M30定位螺栓，將模板調(diào)離位置，將埋件支座、受力螺栓安裝在爬錐上如圖7所示。

埋件支座安裝完畢且混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到20 MPa后，使用汽車(chē)吊將三腳架架體吊裝在埋件上并插上安全銷(xiāo)如圖8所示。

4.3 鋼筋安裝

下節(jié)墩柱混凝土澆筑并完成施工縫鑿毛清理后方可安裝上節(jié)鋼筋。首節(jié)墩身安裝鋼筋的高度為4.6 m，其他節(jié)段的鋼筋長(zhǎng)度為4.5 m。用吊車(chē)安裝鋼筋骨架時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守起重操作規(guī)程，吊點(diǎn)注意防止骨架變形，必要時(shí)借助型鋼起吊。為便于骨架定位，鋼筋高度只有4.6 m，可用麻繩綁扎在骨架端部控制偏擺，也可進(jìn)行臨時(shí)固定，防止鋼筋的擺動(dòng)，保證骨架的穩(wěn)定。定位完成后，墩頂支座、防震塊等預(yù)埋鋼板、鋼筋、支座錨栓孔的預(yù)埋和預(yù)留均需測(cè)量定位，確保準(zhǔn)確牢靠。

4.4 安全步梯布置

安全步梯設(shè)在左右幅墩身之間，安全步梯頂部與懸臂模板架體的施工平臺(tái)采用工字鋼連通并在工字鋼上鋪設(shè)鋼板及安全圍欄。在墩身施工時(shí)預(yù)埋直螺紋鋼管并將鋼管兩端封堵防止混凝土進(jìn)入鋼管內(nèi)，在墩身澆筑完畢拆模后刮除封補(bǔ)并安裝拉桿。將步梯附墻桿套入墩身預(yù)埋拉桿并在附強(qiáng)桿之間設(shè)置“X”形連接進(jìn)行加固，安全步梯附墻桿層距為6 m。

采用混凝土澆筑安全步梯基礎(chǔ)并將安全步梯底座固定在基礎(chǔ)的頂面上，用膨脹釘固定，將底座的螺母調(diào)節(jié)至最低點(diǎn)，并保證4個(gè)螺母在同一水平線上。調(diào)節(jié)底座安裝完畢后，安裝立桿和橫桿并進(jìn)行連接，在立桿和橫桿搭設(shè)完畢后，安裝橫撐和樓梯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)闡述了懸臂模板的設(shè)計(jì)方法及施工技術(shù)，設(shè)計(jì)模板的過(guò)程充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)施工不同階段的要求，結(jié)構(gòu)整體輕便簡(jiǎn)單，易于安裝拆卸；同時(shí)在施工過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些設(shè)計(jì)上的缺陷，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)橋墩施工模板加固主要控制要點(diǎn)如下，可為同類(lèi)模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵控制的思路：

（1）控制爆模的關(guān)鍵：法蘭螺栓數(shù)量、螺栓的強(qiáng)度、法蘭板焊縫破壞、法蘭連接方式可靠性。

（2）防止爆模最有效的方式是在模板外設(shè)環(huán)形加強(qiáng)箍。

（3）圓端形、矩形截面直面較寬時(shí)，需要設(shè)中間拉桿，控制剛度。

（4）圓端形墩柱圓弧端受力較大，法蘭連接是受力關(guān)鍵。

（5）控制混凝土澆筑速度，可以減小側(cè)壓力。橋墩混凝土采用泵送澆筑時(shí)，速度一般較快，因此容易出現(xiàn)因不控制速度而發(fā)生的爆模事故。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：覃漢輝（1986—），工程師，主要從事道路橋梁施工技術(shù)工作。