空心薄壁墩翻模施工的力學(xué)特性與施工技術(shù)分析

■毛晗龍

（南平市公路事業(yè)發(fā)展中心浦城分中心，浦城 353400）

近年來，隨著我國公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，大跨度高墩橋梁的建造也涌現(xiàn)出諸多新技術(shù)， 如滑模法、翻模法、爬模法等[1]。 其中塔吊翻模法施工具有設(shè)備投入少、模板自重小、墩身混凝土外觀質(zhì)量易控制、可及時(shí)糾正偏差等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在施工技術(shù)難度較高、安全可靠性有待優(yōu)化等問題[2～3]。

1 工程概況

福建山區(qū)某國道橋橋梁全長(zhǎng)512 m， 橋?qū)?2 m，設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)。橋孔分三聯(lián)布設(shè)，第一聯(lián)為5×30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)組合T 梁，第二聯(lián)為（85+155+85）m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁連續(xù)剛構(gòu)，第三聯(lián)為1×30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T 梁。主橋下部變截面箱梁主墩6#、7# 墩為空心薄壁墩，墩臺(tái)截面外尺寸為6.0 m×6.0 m， 內(nèi)尺寸4.0 m×4.0 m，上實(shí)體段3 m，下實(shí)體段5 m，內(nèi)上下倒角0.6 m×0.6 m，墩高均為62.7 m。 6# 橋墩構(gòu)造如圖1所示。

圖1 橋墩構(gòu)造圖

對(duì)比滑模、爬模，翻模施工采用整體大塊鋼模板，脫模時(shí)間有保證，混凝土外觀質(zhì)量易于控制、施工接縫易于處理，廣泛應(yīng)用于等截面或變截面的實(shí)體或薄壁空心混凝土結(jié)構(gòu)。 綜合考慮本工程對(duì)外觀質(zhì)量要求嚴(yán)格、施工工期緊迫的情況，空心薄壁墩采用翻模分節(jié)段澆筑依次施工。

2 翻模施工工藝

墩身采用翻模法施工， 每套翻模由內(nèi)外模板、施工平臺(tái)組成。 外模板都為大模板，內(nèi)模板以組合高鋼模和部分定型鋼模組拼成大面模板，變截面內(nèi)模采用木模板。 內(nèi)外模和平模板的基本結(jié)構(gòu)形式相同，都由橫肋、豎肋、筋板和面板組成。 面板為δ=6 mm 鋼模板，橫肋為[8，間距為40 cm，豎肋為δ=10 mm 鋼板，間距為40 cm，背帶為2 片[14，上下間距為1.00 m，上下62.5 cm 由法蘭連接螺栓承力，對(duì)拉桿為M22 螺桿，橫向間距為1 m。 模板之間法蘭用M12×30 mm 螺栓連接，間距為20 cm。 翻模共分三節(jié)，每節(jié)為2.25 m，每次澆注高度為4.5 m，嵌固節(jié)設(shè)為2.25 m。每節(jié)施工平臺(tái)寬度為0.9 m，高度為1.2 m，利用角鋼焊接在模板主肋上，與模板形成整體。 翻模模板制作如圖2 所示。

圖2 翻模模板制作示意圖

本工程空心墩模板施工分三部分：第一部分為墩身起點(diǎn)段，墩身截面由實(shí)心變?yōu)榭招?，為了便于?nèi)口斜面砼的振搗，模板安裝高度定為5 m，砼澆筑高度定為5 m； 第二部分澆筑2 m 長(zhǎng)的變截面段；第三部分為等截面空心段，自第三次施工起為標(biāo)準(zhǔn)施工節(jié)段，每次砼澆筑高度為4.5 m，嵌固節(jié)設(shè)為2.25 m。拆模時(shí)留最上一節(jié)模板不拆，下部?jī)晒?jié)模板向上翻，依次循環(huán)施工，直至墩頂以下5 m 處。 墩頂以下5 m 至墩頂下3 m 為墩身上變截面部分，最上3 m 段墩身截面由空心變?yōu)閷?shí)心， 因此作為單獨(dú)施工節(jié)段。 混凝土采用80 型高壓地泵垂直輸送，泵管依附塔吊設(shè)置，泵管與塔吊間采用U 型卡固定。 翻模施工工藝流程如圖3 所示。

圖3 翻模施工工藝流程

3 翻模力學(xué)性能分析

為分析大跨徑空心薄壁墩翻模施工的力學(xué)性能，采用Midas Civil 8.32 有限元軟件建立橋梁三維模型，截面采用CAD 導(dǎo)入。 采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行模板整體受力分析，檢算面板、主肋、橫梁、對(duì)拉桿的變形、應(yīng)力是否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，以此判斷翻模系統(tǒng)的安全性。

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)如下：（1）翻模支撐體系尺寸：模板橫肋間距400 mm；模板豎肋間距400 mm；對(duì)拉螺桿間距1333 mm（水平）、1000 mm（豎向）；（2）混凝土參數(shù)：混凝土澆筑高度4.5 m；混凝土澆筑速度1 m/h；混凝土澆筑溫度20℃；混凝土坍落度140～160 mm；（3）材料參數(shù)：面板：δ=6 mm 鋼模板；模板主肋：[8；模板次肋：δ=10 mm 鋼板；對(duì)拉桿：M22 螺桿；背帶：2 片[14。

3.2 面板

模板面板承擔(dān)混凝土、施工材料等荷載。 面板采用板單元模擬，面板由豎肋和橫肋分割成40 cm×40 cm 小格子，以一小格進(jìn)行模擬計(jì)算，四邊固結(jié)，面荷載取每次澆筑高度頂混凝土側(cè)壓力進(jìn)行計(jì)算，如圖4 所示。

圖4 面板計(jì)算模型

澆筑混凝土壓力按《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB 50666-2011）的公式P=kγh 進(jìn)行計(jì)算。其中，滲透條件系數(shù)k=1.2，混凝土質(zhì)量密度γ=25 kN/m3，有效壓頭高度h=1.72 m，P=kγh=51.6 kN/m2。將各參數(shù)值代入Midas Civil 軟件，建模并進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，得出面板最大應(yīng)力σmax=59.5 MPa，小于規(guī)范要求的許用應(yīng)力145 MPa，面板最大變形（中心）ωmax=0.475 mm，小于規(guī)范要求的控制變形1.5 mm，均滿足規(guī)范要求[4-6]。 結(jié)構(gòu)受力與變形結(jié)果如圖5、6 所示。 混凝土澆筑過程中應(yīng)盡量避免在面板應(yīng)力最大位置堆放建筑材料及人員聚集， 還應(yīng)固定面板，材料對(duì)稱堆放，以防面板因偏載而造成單側(cè)翹曲。

圖5 面板應(yīng)力示意圖

圖6 面板位移示意圖

3.3 豎肋

豎肋采用梁?jiǎn)卧M， 模擬跨度1 m， 均布荷載P=51.6×0.4=20.64 kN/m。 如圖7 所示。

圖7 主肋計(jì)算模型

計(jì)算可得混凝土澆筑時(shí)豎肋最大應(yīng)力σmax=67.9 MPa，小于許用應(yīng)力145 MPa，豎肋最大變形ωmax=0.34 mm，小于控制變形2 mm，均滿足規(guī)范要求[4-6]。豎肋結(jié)構(gòu)受力與變形結(jié)果如圖8、9 所示。 施工中，應(yīng)對(duì)豎肋的最大應(yīng)力位置、 最大變形位置采取加密、使用更高等級(jí)的鋼材等措施，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主肋變形量，以保證施工安全。

圖8 主肋應(yīng)力示意圖

3.4 橫肋

橫肋是翻模系統(tǒng)的主要受力構(gòu)件，其可靠性參數(shù)反映了翻模的安全性。 橫肋采用梁?jiǎn)卧M，計(jì)算模型如圖10 所示。 橫肋跨度1.333 m， 均布荷載P=51.6 kN/m。 橫肋應(yīng)力隨混凝土澆筑高度增大而增加，即從第1 道橫肋開始逐漸增大，到第3 道橫肋時(shí)達(dá)到最大值。

圖10 橫肋計(jì)算模型

計(jì)算分析得出， 混凝土澆筑時(shí)橫肋最大應(yīng)力σmax=47.874 MPa，小于許用應(yīng)力145 MPa，橫肋最大變形ωmax=0.27 mm，小于控制變形2.7 mm，均滿足規(guī)范要求[4～6]。 橫肋結(jié)構(gòu)受力與變形結(jié)果如圖11、12所示。

圖11 橫肋應(yīng)力示意圖

圖12 橫肋位移示意圖

3.5 對(duì)拉桿

對(duì)拉桿承受翻模施工的所有靜、動(dòng)荷載，是高墩安全施工的決定性因素。 大橋采用M22 對(duì)拉螺桿，拉桿采用只受拉單元模擬，計(jì)算模型如圖13 所示。橫梁支座反力即為對(duì)拉桿受力。計(jì)算分析得出，拉桿最大拉力為34.391 kN，小于M22 螺桿容許拉力45.6 kN。 對(duì)拉桿豎向剪力進(jìn)行驗(yàn)算：

圖13 對(duì)拉桿受力示意圖

可知，拉桿豎向剪力為27.1 MPa，小于規(guī)范容許值140 MPa。 因此拉桿承載力穩(wěn)定，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求[4-6]。

4 翻模施工技術(shù)重難點(diǎn)分析

4.1 工程環(huán)境復(fù)雜，施工投入大

本工程跨越山區(qū)、河流，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜；施工期高溫時(shí)間長(zhǎng)，雨量多；局部墩位施工便道難以鋪設(shè)，施工場(chǎng)地少， 平整難度大。 變截面箱梁主墩6#、7#墩高62.7 m，屬于高空作業(yè)。 單根墩身的施工周期長(zhǎng)，模板和機(jī)械設(shè)備的投入大。

4.2 施工控制難度大

本工程高橋墩截面相對(duì)面積小、墩身高、重心高、墩身柔度大、施工精度要求高，施工軸線準(zhǔn)確控制的難度大。 高墩翻模施工縫若處理不到位，易成為墩身受力薄弱環(huán)節(jié)。 一旦未嚴(yán)格按照技術(shù)方案進(jìn)行，將可能出現(xiàn)爆模、模板突然脫落等事故。

4.3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)要求高

通過仿真模擬計(jì)算可知，施工中橫肋應(yīng)力隨混凝土澆筑高度增大而增加，從第1 道橫肋開始逐漸增大，到第3 道橫肋時(shí)達(dá)到最大值，因此需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)第3 道橫肋的應(yīng)力值。 同時(shí)對(duì)豎肋的最大應(yīng)力位置、最大變形位置采取加密、使用更高等級(jí)的鋼材等措施，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)豎肋變形量，保證施工安全。

4.4 臨時(shí)結(jié)構(gòu)坍塌、高處墜落風(fēng)險(xiǎn)高

高墩混凝土澆筑存在臨時(shí)結(jié)構(gòu)坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，安裝、拆除支架模板過程中易造成高處墜落、物體打擊事故。 因此高墩翻模施工必須由有資質(zhì)的施工單位進(jìn)行施工， 施工人員必須有可靠的安全防護(hù)措施，大橋墩身施工模板、腳手架及支架均采用纜風(fēng)繩加固。 高空作業(yè)安全設(shè)施應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)檢算后進(jìn)行安裝。 夜間高空作業(yè)時(shí)，應(yīng)有足夠的照明設(shè)備。 遇到六級(jí)以上大風(fēng)，應(yīng)停止高空作業(yè)。

5 翻模施工質(zhì)量與安全控制要點(diǎn)

5.1 立模

6#、7#橋墩身下部5 m 為實(shí)心墩， 施工時(shí)采用底節(jié)單獨(dú)設(shè)置50 cm 調(diào)節(jié)模板，而后支立兩節(jié)2.25 m模板，實(shí)心段采用一次澆筑完成。 實(shí)心段施工屬大體積混凝土施工，需設(shè)置循環(huán)冷卻系統(tǒng)降低水化熱影響。 實(shí)心段澆筑完成后，安裝第三節(jié)模板于墩頂，同時(shí)將底節(jié)模板拆除提升至第三節(jié)模板上，支立變截面內(nèi)模，進(jìn)行空心倒角處墩身施工，此時(shí)施工高度為4.5 m。 在空心段底部預(yù)留2 個(gè)直徑為10 cm的小孔，用于排除空心墩內(nèi)積水。 后期施工中，安裝通用內(nèi)模，翻升外側(cè)底部?jī)晒?jié)2.25 m 鋼模進(jìn)行墩身翻模循環(huán)段施工。 墩頂處實(shí)心段內(nèi)模底板采用木模板，施工后無法拆除，留在墩身內(nèi)部。

5.2 綁扎鋼筋和模板安裝

鋼筋加工外架安裝好后開始綁扎鋼筋， 順序?yàn)椋褐鹘睢拷睢^筋→墊塊。 在鋼筋綁扎時(shí)，將墩身水平勾筋綁扎牢固，間隔1 m 點(diǎn)焊在墩身豎向鋼筋上，使墩身鋼筋形成整體骨架。 綁扎豎向鋼筋及底節(jié)橫向鋼筋后，安裝第一節(jié)模板，嚴(yán)格控制首節(jié)模板安裝的平面位置和垂直度，并有防傾覆的臨時(shí)措施。 每安裝一節(jié)模板，用全站儀對(duì)該節(jié)模板進(jìn)行縱、橫軸線、幾何尺寸的測(cè)量復(fù)核，復(fù)核無誤或在橋規(guī)允許誤差范圍內(nèi)后，再進(jìn)行下節(jié)模板的安裝，以確保每節(jié)模板位置的安裝正確。 當(dāng)主筋、箍筋的安裝與墩身模板拉桿孔有沖突時(shí)，應(yīng)調(diào)整拉桿孔，避開鋼筋位置，不得切斷鋼筋來調(diào)整墩身模板的固定。

5.3 混凝土澆筑

墩身混凝土澆筑前，檢查施工縫鑿毛、清理情況以及墩身模板加固情況（如對(duì)拉桿數(shù)量、位置）、墩身預(yù)埋件位置等。

混凝土拌制時(shí)嚴(yán)格控制水灰比、 混凝土坍落度、混凝土攪拌時(shí)間。 混凝土澆筑前，對(duì)稱下料、分層振搗，分層高度一般在30 cm 左右，分層振搗。 振搗采用插入式振搗棒， 每個(gè)振動(dòng)點(diǎn)振搗時(shí)間為20～30 s，做到快插慢拔。混凝土振搗應(yīng)密實(shí)，無漏振、過振現(xiàn)象，嚴(yán)格控制棒頭插入混凝土的間距、深度與作用時(shí)間，防止混凝土表面出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞等缺陷。 混凝土澆筑完畢后，在頂部混凝土初凝前，對(duì)表層混凝土拉毛。

5.4 模板翻升

在澆注完底節(jié)混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa 后，綁扎上節(jié)鋼筋。綁扎完4.5 m 高豎筋和2.25 m 橫向筋及架立鋼筋后，混凝土強(qiáng)度達(dá)到10 MPa 后拆除第一節(jié)模板拉筋，將第一節(jié)模板用塔吊吊運(yùn)至第三節(jié)模板上，以第二節(jié)模板為基座立模，立模完畢后繼續(xù)綁扎剩余2.25 m 橫向筋和架立鋼筋，再將第二節(jié)模板用塔吊吊運(yùn)至第一節(jié)模板上，完成模板翻升作業(yè)。

5.5 混凝土養(yǎng)護(hù)

6#、7#橋墩在夏季施工， 實(shí)心段大體積混凝土澆筑完成后，立即啟用循環(huán)冷卻系統(tǒng)，進(jìn)出口水溫溫差控制在15℃以內(nèi)，當(dāng)溫差過大時(shí)應(yīng)調(diào)整循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)口處的水溫， 保證循環(huán)冷卻系統(tǒng)的降溫效果。拆模前直接對(duì)鋼模板采用澆水養(yǎng)護(hù)，拆模后用塑料薄膜對(duì)墩身內(nèi)外進(jìn)行包裹，繼續(xù)澆水養(yǎng)護(hù)。 養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為保證實(shí)體表面濕潤(rùn)， 混凝土內(nèi)外溫差不大于15℃，綜合養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7 d。

5.6 模板拆除

模板安裝順序?yàn)橄韧饽：髢?nèi)模，模板拆除順序?yàn)橄葍?nèi)模后外模。 拆除順序：底節(jié)段→中節(jié)段→頂節(jié)段。 模板接縫處需做特殊處理，用打磨機(jī)將施工縫處打平，用白水泥加普通水泥摻107 膠按一定比例拌制水泥漿，對(duì)有缺陷的部位進(jìn)行處理，在處理面接近風(fēng)干的時(shí)候再用干水泥進(jìn)行涂抹，用棉布抹勻。 模板吊裝、拆除過程需專人指揮，吊裝過程要有纜風(fēng)繩牽引，減少模板晃動(dòng)。

5.7 塔吊附著

按塔吊設(shè)計(jì)要求，塔吊與附著物第一次附著不大于31 m，第二次附著不大于21 m，第三次附著不大于21 m，第四次附著不大于18 m，根據(jù)墩身高度調(diào)整實(shí)際附著尺寸第一節(jié)為25 m，第二次附著尺寸為12 m，第三次附著尺寸為12 m，第四次附著為12 m。 預(yù)埋位置如圖14 所示。

圖14 對(duì)拉桿受力示意圖

6 結(jié)論

從內(nèi)外模板系統(tǒng)、施工平臺(tái)模板系統(tǒng)、固定系統(tǒng)對(duì)翻模系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 運(yùn)用Midas Civil 模擬仿真證明翻模系統(tǒng)構(gòu)造組成合理。模擬仿真計(jì)算得出：翻模系統(tǒng)的主要構(gòu)件面板、豎肋、橫肋的應(yīng)力、變形和對(duì)拉桿的應(yīng)力、豎向剪力模擬值均滿足規(guī)范要求，即在混凝土澆筑速度1 m/h 時(shí)，翻模系統(tǒng)安全。 從而研究翻模施工技術(shù)重難點(diǎn)，制定翻模施工質(zhì)量與安全控制措施，為其他同類型橋梁高墩施工提供借鑒。