變截面矩形百米高墩施工技術(shù)研究

張寶斯

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第四工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150006）

1 工程概況

1.1 墩身概況

臨猗黃河大橋主橋共29個(gè)墩身，墩身均采用變截面空心薄壁墩。連續(xù)墩（41-54#、56-69#）為矩形變截面空心薄壁墩，四角設(shè)=50cm的圓角，采用C40混凝土，墩高53m~99m，墩頂為13m×6m（橫向尺寸×縱向尺寸）、厚2.5m的實(shí)心段，為便于檢查車通過，連續(xù)墩墩頂設(shè)2m深的槽口，槽口頂寬3.6m，底寬2m。結(jié)合本橋的景觀效果及合理受力需求，橋墩下段采用變截面型式，距墩頂9m處開始縱橫向坡率均為50︰1；中段6.5m高度范圍內(nèi)截面尺寸采用直線漸變。

1.2 墩帽概況

主橋41-54、56-69#墩帽頂部尺寸如圖1所示：墩帽結(jié)構(gòu)圖，墩帽頂部尺寸為13m×6m，底部尺寸為10m×4.5m，墩帽高度為9m，墩頂設(shè)2m深的槽口，槽口頂寬3.6m，底寬2m。墩帽縱向坡率為2︰1，墩身縱橫向坡率為1︰50。墩身墩頂為50cm實(shí)體段，墩帽底部為50cm實(shí)體段。

圖1 墩帽橫、縱向結(jié)構(gòu)圖

1.3 風(fēng)環(huán)境

橋位各高度層不同重現(xiàn)期10min平均風(fēng)速，即橋位處基本風(fēng)速（10m高度、10min平均時(shí)距、100年重現(xiàn)期）為=29.6m/s，橋面高度處（按80m計(jì)算）的設(shè)計(jì)風(fēng)速為V=42.2m/s，上場以來遇到10級(jí)風(fēng)3次，11級(jí)1次。

1.4 模板概況

爬模整體包括液壓系統(tǒng)、預(yù)埋件系統(tǒng)、支架系統(tǒng)、模板系統(tǒng)等模板由膠合板、木工字梁與雙槽鋼背楞組成。埋件系統(tǒng)由埋件板、高強(qiáng)螺桿、受力螺栓、墊圈和爬錐組成。支架系統(tǒng)主要由承重三角架、后移部分、中平臺(tái)、吊平臺(tái)、附墻承重裝置、附墻撐、導(dǎo)軌和主背楞標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成。

墩身施工采用爬模，由于縱向坡比變化，爬模無法進(jìn)行墩帽施工，墩帽施工采用定型鋼模。外模板按106模板設(shè)計(jì)，即面板6厚鋼板，邊框12mm，肋[10#，背楞][16#b槽鋼。墩帽考慮下包墩身800mm高，可保證墩身頂部與墩帽底部實(shí)體段一同施工。內(nèi)模按86模板設(shè)計(jì)，面板為6mm厚鋼板，邊框12mm，肋為[8#，背楞][12#槽鋼。

2 墩身施工

2.1 液壓爬模施工原理

ACS100液壓自動(dòng)爬升模板由液壓油缸驅(qū)動(dòng)，操作方便快捷，液壓頂升動(dòng)力來自于動(dòng)力單元，連接多個(gè)液壓油缸實(shí)現(xiàn)提升，通過開關(guān)液壓油缸的閥門，也可以實(shí)現(xiàn)不同架體的分開爬升動(dòng)作。

第一次澆筑為4.60m，標(biāo)準(zhǔn)澆筑高度4.50m。第一段澆筑：支設(shè)一側(cè)模板；安裝預(yù)埋件；綁扎鋼筋；支設(shè)另一側(cè)模板；澆筑第一節(jié)段混凝土。第二段澆筑：混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆模并清理模板及平臺(tái)；安裝爬模掛座；將三腳架懸掛在掛座上；將模板與爬架相連；安裝預(yù)埋件；綁扎鋼筋；支設(shè)模板；澆筑第二節(jié)段混凝土。第三段澆筑：混凝土達(dá)到強(qiáng)度后拆模并清理模板及平臺(tái)；安裝爬模掛座及導(dǎo)軌并爬升架體；安裝吊平臺(tái)；安裝預(yù)埋件；綁扎鋼筋；支設(shè)模板；澆筑第三節(jié)段混凝土。重復(fù)以上步驟，進(jìn)行其余層段施工。

2.2 模板組拼

組拼背楞→放置背楞→木梁組裝→鋪設(shè)面板。

2.3 液壓爬模安裝

安裝三角架→安裝平臺(tái)板→吊裝三角架→拼桁架、安裝操作平臺(tái)→起吊模板和桁架。

2.4 混凝土施工

墩身低于40m部分使用天泵進(jìn)行混凝土澆筑，墩身高于40m的部分采用地泵進(jìn)行混凝土澆筑。

2.5 液壓爬模爬升

混凝土澆筑完成→拆模后移→安裝附墻裝置→提升導(dǎo)軌→爬升架體→綁扎鋼筋→模板清理刷脫模劑→預(yù)埋件固定在模板上→合?！鷿仓炷?。

2.6 破冰體施工

破冰體施工待墩身施工13.5m時(shí)進(jìn)行，施工墩身時(shí)在墩身倒角處預(yù)埋20mm鋼板，施工破冰體時(shí)剩余鋼板與預(yù)埋鋼板焊接，然后進(jìn)行破冰體施工。

2.7 橫隔板及實(shí)體段施工

主橋41-53#、69#有一道橫隔板，54-68#墩有兩道橫隔板，墩身橫隔板與墩頂實(shí)體段澆筑厚度均為0.5m。橫隔板最大尺寸為4.96m×5.12m×0.5m，橫隔板段倒角為50cm×50cm。主橋41-69#墩墩頂實(shí)體段布置形式相同，頂部尺寸為10m×4.5m。

橫隔板尺寸比墩頂實(shí)體段尺寸大，僅對(duì)墩頂實(shí)體段進(jìn)行計(jì)算，橫隔板采用與墩頂實(shí)體段相同的施工工藝。待橫隔板段下方墩身混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，進(jìn)行空心墩橫隔板段一次立模澆筑。橫隔板支撐尺寸如圖2~圖4所示，采用在橫隔板段底部空心墩四周預(yù)埋1.4m+1.2m+1.4m的工20a工字鋼，在工字鋼上放置順橋向長度為4.4m的20cm×20cm方木，在方木上放置由10cm×10cm方木加工而成的桁架，桁架間距為0.8m，共放置6道，桁架上方放置15mm厚竹膠板作為底模。

圖2 桁架布置圖

圖4 橫隔板施工平面圖

F1為結(jié)構(gòu)自重：按實(shí)際質(zhì)量取值；①F2為新澆筑鋼筋混凝土荷載：26kN/m；②F3為模板質(zhì)量：135kg/m；③F4為施工人員、施工材料和機(jī)具荷載：按均布荷載計(jì)算，計(jì)算模板時(shí)，取2.5kN/m；計(jì)算支撐模板的縱橫梁時(shí)，取1.5kN/m；計(jì)算支架立柱，取1.0kN/m；④F5為振搗混凝土沖擊荷載：2.0kN/m2；⑤F6為傾倒混凝土沖擊荷載：2.0kN/m；⑥強(qiáng)度驗(yàn)算：1.2×（①+② + ③）+1.4×（④+ ⑤ +⑥）剛度驗(yàn)算：1.0×（①+②+③）。

橫梁采用10cm×10cm方木。

=10.7MPa<11MPa（彎曲應(yīng)力）

=11.354mm<12.4mm（剛度）

由此可知，方木鋼強(qiáng)度、剛度滿足受力要求。

順橋向布置20cm×20cm方木

=9MPa<11MPa（彎曲應(yīng)力）

=0.876mm<2mm（剛度）

由此可知，20cm×20cm方木強(qiáng)度、剛度滿足受力要求。

預(yù)埋1.4m+1.2m+1.4m的工20a工字鋼，工字鋼長度為60cm，外露32cm。

強(qiáng)度計(jì)算如下。

=176.7MPa<215MPa（彎曲應(yīng)力）

=0.169mm<0.8mm（剛度）

由此可知，I20a工字鋼強(qiáng)度、剛度滿足受力要求。

爬模一次施工至倒角處，施工時(shí)在距離該節(jié)頂面一定高度的位置，沿四周墩身墩壁上，預(yù)埋間距1.4m+1.2m+1.4m的I20a工字鋼，桁架在底部根據(jù)尺寸進(jìn)行加工，通過塔吊依次擺放20cm×20cm方木、桁架，然后安裝15mm竹膠板，在底模上綁扎鋼筋網(wǎng)片，澆筑0.5m高混凝土?；炷翝仓Y(jié)束后，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的80%時(shí)，才可以拆除支架。

3 墩帽支撐體系設(shè)計(jì)

3.1 方案比選

模板支撐常用方法有鋼棒法、牛腿法、三角托架法、抱箍法、落地支架法等，本橋墩身較大且墩高較高，采用落地支架法施工風(fēng)險(xiǎn)極高且成本較高，墩身形狀無法使用常規(guī)的抱箍法施工，三角托架法施工須進(jìn)行大量焊接且高空預(yù)埋鋼板焊接質(zhì)量難以保證，不予以考慮，鋼棒法施工對(duì)墩身主體有影響，綜合考慮采用牛腿法進(jìn)行墩帽施工。

3.2 牛腿設(shè)計(jì)

牛腿布置如圖5所示，牛腿采用工20a工字鋼進(jìn)行墩帽預(yù)埋，預(yù)埋深度為50cm，墩身橫橋向布置4根，縱橋向布置兩根，預(yù)埋工字鋼上方鋪設(shè)工20a工字鋼位于模板正下方。為方便墩帽施工，利用爬模平臺(tái)作為牛腿安裝施工平臺(tái)。

圖5 牛腿布置圖

3.3 牛腿計(jì)算

采用Midas2019對(duì)墩帽支撐進(jìn)行計(jì)算，取澆筑2m混凝土?xí)r的施工荷載，荷載均以線荷載的形式添加。

圖3 橫隔板施工斷面圖

F1：結(jié)構(gòu)自重：按實(shí)際質(zhì)量取值；①

F2：新澆筑鋼筋混凝土荷載：26kN/m；②

F3：模板質(zhì)量：135kg/m；③

F4：施工人員、施工材料和機(jī)具荷載：按均布荷載計(jì)算，計(jì)算模板時(shí)，取2.5kN/m；計(jì)算支撐模板的縱橫梁時(shí)，取1.5kN/m；計(jì)算支架立柱，取1.0kN/m；④

F5：振搗混凝土沖擊荷載：2.0kN/m；⑤

F6：傾倒混凝土沖擊荷載：2.0kN/m；⑥

強(qiáng)度計(jì)算按照承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，剛度計(jì)算按照正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。

強(qiáng)度驗(yàn)算：1.2×（①+②+③）+1.4×（④+⑤+⑥）

剛度驗(yàn)算：1.0×（①+②+③）

=143.3MPa<215MPa（彎曲應(yīng)力）

=44MPa<120MPa（剪應(yīng)力）

=5.834mm<6mm（剛度）

由此可知，工字鋼強(qiáng)度、剛度滿足受力要求。

=40.2MPa<215MPa（彎曲應(yīng)力）

=77.5MPa<120MPa（剪應(yīng)力）

=0.103mm<2mm（剛度）

由此可知，工字鋼強(qiáng)度、剛度滿足受力要求。

牛腿支撐體系的強(qiáng)度、剛度滿足受力要求。

4 墩帽施工

4.1 支撐體系安裝

在澆筑墩身砼時(shí)，在墩帽以下1m位置處預(yù)埋I20a工字鋼，拆除爬模頂層支架，爬模爬升，利用爬模作為施工平臺(tái)，安裝I20a橫梁。

4.2 墩帽施工

整體支撐體系安裝完成后進(jìn)行墩帽施工，墩帽分四次進(jìn)行澆筑，施工順序如下：施工工序?yàn)榕滥Ｆ脚_(tái)拆除→鋼筋綁扎→模板安裝、澆筑砼→鑿毛、養(yǎng)護(hù)→鋼筋綁扎→模板安裝→鋼筋綁扎→模板安裝、澆筑砼→鑿毛、養(yǎng)護(hù)→鋼筋綁扎→模板安裝、澆筑砼→鑿毛、養(yǎng)護(hù)→鋼筋綁扎→模板安裝、澆筑砼。

4.3 架體拆除

施工完成后利用塔吊拆除模板及支撐體系，按照由上至下的方式進(jìn)行。

5 結(jié)論

墩身整體過程采用液壓爬模進(jìn)行分節(jié)施工，整體安全系數(shù)較高，很大程度解決了高空施工的安全問題且液壓爬模系統(tǒng)施工操作簡單，可隨墩身截面變化進(jìn)行尺寸調(diào)整，保證了施工質(zhì)量。墩帽施工充分利用爬模施工平臺(tái)，減少了支架搭設(shè)的時(shí)間，降低了施工的風(fēng)險(xiǎn)且拆除方案，拆除時(shí)也可以利用爬模平臺(tái)，在封閉環(huán)境下進(jìn)行高空作業(yè)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。