城市橋梁雙曲面鏤空墩柱模板技術(shù)研究

孫奎濤,姜 鵬,劉曉飛,許 可,韋 浩

（中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司,北京 100073）

引言

隨著城市不斷的進(jìn)步和發(fā)展,城市橋梁已經(jīng)成為歷史的年輪,以及城市的標(biāo)志性公共建筑,人們不僅關(guān)注橋梁結(jié)構(gòu)安全性,同時(shí)對(duì)橋梁美觀方面提出了更高的要求；雄安新區(qū)因其特殊的政治地位,不僅為疏解非首都功能,更擔(dān)負(fù)著探索新型城鎮(zhèn)化及創(chuàng)新轉(zhuǎn)型的使命,所以在橋梁構(gòu)造上采用首次創(chuàng)新的雙曲面Y型墩柱。雄東片區(qū)是雄安新區(qū)五個(gè)外圍組團(tuán)中雄縣組團(tuán)的重要組成部分,是新區(qū)先行啟動(dòng)的建設(shè)區(qū)域,是保障高鐵樞紐周邊居民征遷安置的重點(diǎn)地區(qū),肩負(fù)著淀東片區(qū)城市功能塑造的重要職能,某路為A 社區(qū)對(duì)外聯(lián)系的主要道路。

1 工程概況及墩柱結(jié)構(gòu)形式

雄東片區(qū)某道路工程包括1 條主干路及4 條匝道,全長(zhǎng)2 289 m,其中橋梁段1 923.5 m,該橋梁定義為城市景觀橋,墩柱造型奇特,且種類(lèi)繁多,僅Y 型花瓶墩就有4 種形式。某特大橋采用雙幅設(shè)計(jì),橫斷面分25.5 m,34.5 m,40.5 m 三種形式,橋梁中段跨越新蓋房分洪道為標(biāo)準(zhǔn)斷面,全寬40.5 m,單幅橋面20 m,下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙曲面通透Y 型墩柱[1]。

雙曲面通透Y 型墩柱中心為鏤空,墩柱底標(biāo)準(zhǔn)段尺寸采用1.9 m×3.8 m（縱×橫）圓端型,圓弧半徑R=0.95 m；墩帽高9.7 m,墩頂尺寸為19.8 m×3.8 m（長(zhǎng)×寬）,墩高12.2～17.1 m。墩頂自線(xiàn)路內(nèi)測(cè)向外側(cè)2%橫坡,且墩頂上倒角高度自892 mm 至508 mm過(guò)渡；墩身左右側(cè)圓弧半徑R=6 m,前后面圓弧半徑R=18 m,且起弧位置不在同一高度；“Y”字形斜腿間角度104 度。由于墩柱結(jié)構(gòu)形式變化較大,尺寸不規(guī)則,在增加橋梁結(jié)構(gòu)美觀的前提下,為墩柱模板加工制作增加了很大難度。墩柱效果圖見(jiàn)圖1。

圖1 墩柱效果

2 墩柱模板設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 初版墩柱模板設(shè)計(jì)

2.1.1 墩柱結(jié)構(gòu)分析

由于Y 型墩兩側(cè)R=0.95 m 弧形段位于雙曲面上,模板分塊時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理分解,并對(duì)模板長(zhǎng)度進(jìn)行合理分割,防止分塊過(guò)小影響結(jié)構(gòu)線(xiàn)性美觀,同時(shí)防止過(guò)大增加模板尺寸誤差；Y 型墩中部鏤空部分需考慮墩帽混凝土荷載有效傳遞；Y 型墩分叉角度較大,應(yīng)考慮模板支撐體系的安全性。

2.1.2 模板設(shè)計(jì)構(gòu)思

為保證雙曲面Y 型墩柱的結(jié)構(gòu)尺寸,滿(mǎn)足施工質(zhì)量、安全且便于施工操作,墩柱模板采用定型鋼模板,由專(zhuān)業(yè)鋼模板制造廠(chǎng)進(jìn)行定制。在制作過(guò)程中充分考慮模板的輕便,易于轉(zhuǎn)運(yùn)及裝卸；充分考慮模板結(jié)構(gòu)分塊合理,盡量減少拼縫和對(duì)拉桿,應(yīng)利于墩柱鋼筋綁扎,減少混凝土的澆筑次數(shù),保證墩柱結(jié)構(gòu)美觀[2]。

墩柱模板外側(cè)設(shè)計(jì)采用桁架式,可支撐于盤(pán)扣腳手架上,Y 型鏤空部分側(cè)模和圓弧段采用精軋螺紋鋼對(duì)拉,墩帽底板通過(guò)絲桿斜撐于側(cè)模上。

2.2 第二版墩柱模板設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.2.1 初版設(shè)計(jì)缺陷

經(jīng)過(guò)對(duì)第一版墩柱模板設(shè)計(jì)的研究,發(fā)現(xiàn)拉桿設(shè)置較多,特別是Y 型分叉采用對(duì)拉形式,外側(cè)又位于圓弧段,不利于拉桿固定。正面拉桿背楞斜向設(shè)置,側(cè)面有R=18 m 圓弧,拉桿背楞無(wú)法壓圓,模板加工誤差增大；正面兩塊模板分塊過(guò)大,后期無(wú)法裝車(chē),不利于運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)使用。

2.2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

墩柱Y 型鏤空部分,由對(duì)拉優(yōu)化為對(duì)撐形式；合理調(diào)整模板分塊,利于拼裝和施工,同時(shí)調(diào)整外側(cè)支撐架體,將拉桿背楞設(shè)置為橫向,有效降低結(jié)構(gòu)誤差。

2.3 最終版墩柱模板設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.3.1 第二版設(shè)計(jì)不足

因雙曲面Y 型墩兩側(cè)R=0.95 m 弧形段垂直上部Y 型分叉,圓弧段和雙曲面節(jié)段設(shè)計(jì)成平口不利于模板定位。Y 型鏤空部位模板脫模不方便,且混凝土不容易振搗。

2.3.2 進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化

進(jìn)一步優(yōu)化模板分塊,將外側(cè)圓弧模板設(shè)置為垂直Y 叉分塊,保證模板加工精度。在墩帽底模及墩帽側(cè)模中心設(shè)置早拆片,可利于模板脫模；在Y 型分叉底部設(shè)置天窗,方便墩柱混凝土澆筑及插入式振搗棒振搗,保證墩柱外觀質(zhì)量。最終版模板設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。

圖2 最終版模板設(shè)計(jì)

3 模板驗(yàn)算

依據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTGT 3650-2020)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50205-2020)規(guī)范規(guī)定,對(duì)模板承受荷載后的位移、面板應(yīng)力、拉桿、撐桿進(jìn)行強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算,確保模板使用安全。

3.1 模板體系設(shè)計(jì)

雙曲面Y 型墩柱模板面板為6 mm 鋼板,橫邊框?yàn)?4×100 mm 帶鋼,豎邊框?yàn)?4×100 mm 帶鋼,豎肋為[10#槽鋼,背楞為雙[16B#槽鋼,間距1 000 mm、抱箍為單[16B#槽鋼；加固方式為中間拉桿對(duì)拉,四角斜拉的形式,對(duì)拉桿斜拉桿采用Φ25 精軋螺紋鋼,拉桿孔Φ42 mm；Y 型墩懸臂部分采用桁架加固,桁架弦桿采用雙[12#槽鋼,豎桿斜桿采用[10#槽鋼,采用承插盤(pán)扣式腳手架方式支撐桁架模板；Y 型墩鏤空部分采用Φ89 絲桿支撐墩帽底模板；墩柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)采用2 m、1 m、0.5 m 節(jié)段,滿(mǎn)足不同墩柱高度需求[3]。

3.2 模板荷載組合

3.2.1 混凝土側(cè)壓力：

新澆混凝土作用于模板上的最大側(cè)壓力,按下列二式計(jì)算,并取二式中的較小值：

式中：F 為新澆筑混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力（KN/m2）；γc為混凝土的重力密度（kN/m3）, 取γc=24 KN/m3；t0為新澆混凝土的初凝時(shí)間（h）,取t0=8 h；v 為混凝土的澆注速度（m/h）,取v=2.0 m/h；H 為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆混凝土頂面的總高度（m）,H=7.9 m；β1為外加劑影響修正系數(shù),β1=1.0；β2為混凝土塌落度影響修正系數(shù),β2=1.15。

3.2.2 傾倒混凝土?xí)r沖擊對(duì)垂直面模板產(chǎn)生的水平荷載: 2 KN/m2。

3.3 模板受力驗(yàn)算

墩柱標(biāo)準(zhǔn)段模板受力采用midas 整體建模,其中面板采用板單元,橫豎肋采用梁?jiǎn)卧?。?jì)算時(shí)考慮面板與橫豎肋協(xié)同受力[4]。

3.3.1 墩柱面板應(yīng)力、板肋應(yīng)力驗(yàn)算

墩柱標(biāo)準(zhǔn)段模板面板及板肋應(yīng)力計(jì)算模型見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 墩柱面板應(yīng)力計(jì)算模型

圖4 墩柱板肋應(yīng)力計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算,墩柱標(biāo)準(zhǔn)段模板面板最大應(yīng)力值為46.9 MPa＜[σ]=215 MPa；

板肋最大應(yīng)力值為88.3 MPa＜[σ]=215 MPa；

背楞最大應(yīng)力值為96.4 MPa＜[σ]=215 MPa；

均滿(mǎn)足規(guī)范要求值。

3.3.2 蓋梁撐桿及底模驗(yàn)算

墩柱蓋梁模板采用midas 整體建模,其中面板采用板單元,橫豎肋撐桿采用梁?jiǎn)卧Ｓ?jì)算時(shí)考慮面板與橫豎肋協(xié)同受力,蓋梁模板受力計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 蓋梁模板受力計(jì)算模型

3.3.3 蓋梁底模板應(yīng)力、板肋應(yīng)力驗(yàn)算

蓋梁底模板及板肋應(yīng)力計(jì)算模型見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 蓋梁底模板應(yīng)力計(jì)算模型

圖7 蓋梁板肋應(yīng)力計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算,墩柱蓋梁底模板最大應(yīng)力值為11.4 MPa＜[σ]=215 MPa；

板肋最大應(yīng)力值為35.9 MPa＜[σ]=215 MPa；

背楞最大應(yīng)力值為35.7 MPa＜[σ]=215 MPa；

均滿(mǎn)足規(guī)范要求值。

經(jīng)軟件計(jì)算,優(yōu)化及設(shè)計(jì)的雙曲面通透Y 型墩柱模板,強(qiáng)度和剛度均符合相關(guān)規(guī)范要求,支撐體系安全、板塊劃分合理。

4 墩柱模板生產(chǎn)加工

4.1 墩柱模板加工工藝

利用CAD 軟件畫(huà)出雙曲面墩柱3D 圖,進(jìn)行仿真模擬,再進(jìn)行模板加工圖繪制；使用AUTOPOL 軟件進(jìn)行鈑金展板放樣,利用12 KW 激光切割機(jī)下料,保證面板邊框等構(gòu)件下料的準(zhǔn)確性；四滾卷圓機(jī)進(jìn)行卷圓壓弧,鋸床進(jìn)行型材切割,最后采用二氧化碳保護(hù)焊焊接[5]。

4.2 模板試拼

墩柱平模板和弧板加工完成后,制作拼裝平臺(tái),圓弧板在拼裝平臺(tái)上進(jìn)行點(diǎn)卯加工,并與平模板通過(guò)螺栓連接成整體。模板尺寸確保無(wú)誤后,將模板拆除,進(jìn)行焊接成型,焊接完成后進(jìn)行二次拼裝,保證墩柱模板結(jié)構(gòu)尺寸。模板試拼見(jiàn)圖8。

圖8 模板試拼圖

5 結(jié)論

雙曲面通透Y 型墩柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變,為墩柱模板加工及支架支撐增加了很大的難度,為確保墩柱結(jié)構(gòu)尺寸滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,且施工安全,通過(guò)軟件3D 建模及設(shè)計(jì)優(yōu)化,最終達(dá)到了預(yù)期的效果,為今后類(lèi)似異形墩柱模板加工積累了經(jīng)驗(yàn)。