基于大橋高墩翻模法施工的模板設(shè)計(jì)計(jì)算探究
2017-04-24
0 引言
橋梁項(xiàng)目是高速公路工程的關(guān)鍵組成，隨著公路事業(yè)的飛速發(fā)展，特別是高墩柱大橋的施工與設(shè)計(jì)技術(shù)的極大提升，在進(jìn)行高墩柱大橋施工時(shí)，尤其是山區(qū)地帶，因受地形狀況等要素的影響，常常需要采取高墩翻模法對(duì)高墩柱開展施工活動(dòng)，高墩柱翻模的模板計(jì)算和設(shè)計(jì)工作，是確保工程安全的必要途徑與重要條件，而怎樣對(duì)大橋高墩翻模模板開展計(jì)算和設(shè)計(jì)，則是驗(yàn)證大橋高墩翻模法工程是否安全的重點(diǎn)內(nèi)容。
1 工程概況
1.1 工程簡介
本文所研究大橋工程處于達(dá)陜高速某合同路段，該橋梁處在分離型路基之上，有許多高墩柱，墩柱最高可達(dá)約74m，高墩總計(jì)約1452延米。本橋超過50m的高墩有11座；在大橋施工設(shè)計(jì)過程中，高墩工程采取翻模法施工方式。該橋梁的上部結(jié)構(gòu)在左線位置采取20～40m的預(yù)應(yīng)力混凝土T型簡支梁，共有五聯(lián)，其右線處選用13×40mT型梁+133m路基+3×40mT型梁，也分為五聯(lián)，大橋?yàn)楹喼ЫY(jié)構(gòu)。橋梁下端結(jié)構(gòu)按照墩高選擇雙柱半幅變截面空心薄壁型墩和雙柱半幅圓型墩，并且樁基礎(chǔ)選擇挖孔灌注樁形式。橋臺(tái)選型方面采取樁柱式橋臺(tái)類型，并選擇挖孔灌注樁基礎(chǔ)。該橋有12根徑為1.5m的樁，共計(jì)104m；104根徑為1.8m的樁，共計(jì)788m；36根方樁，共計(jì)720m；根據(jù)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行材料統(tǒng)計(jì)，C30混凝土總需求量為1227.5m3，C40混凝土總需求量為4843m3，鋼材總需求量為618.934T。
1.2 高墩翻模設(shè)計(jì)理念
傳統(tǒng)大橋高墩翻模法施工過程中，為了便于施工人員的裝設(shè)和加固，只在高墩外模裝設(shè)寬約50cm、與模板為一個(gè)整體的簡易型操作平臺(tái)，不可放置材料、機(jī)具，不但操作施工較慢，還容易出現(xiàn)施工者高空墜落等事故，在進(jìn)行模板拆除時(shí)，還要將操作平臺(tái)一起拆除。若利用技術(shù)創(chuàng)新，使得模板和操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)分離，則模板翻升與提升操作平臺(tái)將不再互相干擾，可以確保支架體系上施工者安全施工，還可臨時(shí)堆放部分施工器具與材料，模板拆除后墩體四周的裝飾工作也方便開展。在該項(xiàng)目橋梁高墩翻模法施工設(shè)計(jì)時(shí)，采用空心薄壁型高墩，每隔3m翻模并向上分節(jié)進(jìn)行灌注成型。在進(jìn)行操作平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)認(rèn)真研究模板翻升和操作平臺(tái)分離，兩者伴隨高墩的提高而提高互相不產(chǎn)生影響，從而達(dá)到環(huán)保、安全、便于施工、提升工作效率的效果。
2 大橋高墩翻模法模板設(shè)計(jì)和施工分析
2.1 翻模設(shè)計(jì)
大橋高墩翻模結(jié)構(gòu)主要包括外模板、內(nèi)模板、穿過高墩的對(duì)拉拉桿、水平圍帶、模板支架、工程吊籃、操作平臺(tái)及安全防護(hù)裝置等。
鋼結(jié)構(gòu)模板共分成三節(jié)，各節(jié)均高為3m。外模、內(nèi)模分為橫橋向側(cè)模與順橋向端模，在內(nèi)模中缺少角模。翻模板厚為6mm，板間豎向距離40cm，選擇80mm槽鋼作為豎帶，在四個(gè)角處分別選取75mm×75mm×8mm角鋼來作為鄰近兩個(gè)鋼模接連法蘭的封邊。板間接連法蘭采取？準(zhǔn)22螺栓固定，螺栓的間隔設(shè)置為30cm。3m模板采取三層水平圍帶，其最大距離1.0m，其它的分別是0.4m與0.6m懸臂端（0.6m懸臂端設(shè)置于每個(gè)模板上端），在外、內(nèi)模上水平圍帶可分別由2[12、2[10槽鋼構(gòu)成。拉桿的直徑為？準(zhǔn)22，采取普通型A3鋼材。內(nèi)外模板利用拉桿以穿出墩體混凝土，并對(duì)拉在獨(dú)自水平圍帶之上，拉桿兩頭采取螺母進(jìn)行固定。外操作平臺(tái)在其頂端沿著四周設(shè)置防護(hù)欄，并在護(hù)欄外側(cè)到支架的底端設(shè)置封閉安全網(wǎng)，以保證安全。 內(nèi)操作平臺(tái)可分為人員簡易施工平臺(tái)與澆灌混凝土施工平臺(tái)，人員簡易施工平臺(tái)可支撐于內(nèi)模圍帶之上，澆灌混凝土施工平臺(tái)可通過實(shí)地焊接形成高70cm梯形體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可直接置于墩體內(nèi)模之上，以鋼板與型鋼制成一個(gè)整體以方便裝吊，按每次澆筑0.5m3混凝土計(jì)算。吊籃掛于外模之上，以作混凝土修補(bǔ)面和模板拆除操作平臺(tái)用。各翻模結(jié)構(gòu)的翻升利用塔吊實(shí)現(xiàn)，在模板拆除時(shí)需采取倒鏈以臨時(shí)起掛外側(cè)或內(nèi)側(cè)相應(yīng)模板。
2.2 翻模施工
首先，做好翻模施工的準(zhǔn)備工作，已澆筑段節(jié)混凝土的強(qiáng)度當(dāng)達(dá)2.5MPa后，通過吊車拆掉下節(jié)的翻模，并對(duì)其表面進(jìn)行清理并抹上脫模劑，扎綁待澆筑鋼筋，當(dāng)檢查鋼筋合格之后，將已澆筑段節(jié)模板的上口作基準(zhǔn)，裝上待澆筑模板段，檢測(cè)調(diào)節(jié)，使下、上模板的接口保持直順，無漏漿和錯(cuò)縫。
其次，固定模板，調(diào)節(jié)模板到位后，以螺栓進(jìn)行擰緊，裝設(shè)對(duì)拉螺桿，并用螺帽固定，校核檢測(cè)模板的裝設(shè)精度，在外內(nèi)模板的上口處安裝支撐，避免在調(diào)節(jié)時(shí)發(fā)生形變。當(dāng)實(shí)現(xiàn)固定后，要最后再認(rèn)真檢查一下外內(nèi)模板尺寸大小、對(duì)拉螺桿、接連螺栓和支架等，避免發(fā)生意外。
最后，模板翻升，把下節(jié)模板掛到上節(jié)模板上，并松開抽掉此節(jié)段模板間拉筋，以手拉葫蘆來松動(dòng)翻模模板，使凸凹縫全部分離，用吊車來運(yùn)到地面，清除模板并刷涂脫模劑，之后根據(jù)上述工序固定裝設(shè)，循環(huán)操作直到墩頂。
3 模板基本尺寸、材料性能與荷載計(jì)算分析
3.1 基本尺寸
在本次橋梁工程中，高墩翻模法施工的模板全為鋼質(zhì)模板，鋼板厚約為h=6mm；豎肋采用[10號(hào)槽鋼，豎肋間水平距離L1=30cm；橫肋采用厚14mm的鋼板，其豎向距離為L2=55cm；吊鉤選擇？準(zhǔn)20圓鋼，拉筋部位外、內(nèi)模板間采用？準(zhǔn)25mm的PVC硬管，便于拔抽拉筋和重復(fù)使用，這里，拉筋采取？準(zhǔn)20mm圓鋼，在模板間采?。繙?zhǔn)18mm螺栓固定；每節(jié)段的鋼模高約2.0m，每節(jié)段分為兩片構(gòu)成，共可以制成12片（12m），從而滿足工程進(jìn)度要求，且在模板拆除后可周轉(zhuǎn)利用，它的下、上和水平接連都采取M14的螺栓固定，其接縫部位嵌進(jìn)2mm的橡膠條。
3.2 材料性能
按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范JTG/T F50-2011》、《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及實(shí)際地質(zhì)勘查資料，文中在開展橋梁高墩模板計(jì)算過程中，所選用水泥混凝土的重力密度是26kN/m3，摻入外加劑；澆灌混凝土溫度是20℃；澆灌混凝土的速度是2m/h；模板鋼選用Q235鋼，其重力密度是78.5kN/m3；許可應(yīng)力是215MPa，沒有考慮系數(shù)提升；彈性模量205GPa。
3.3 載荷計(jì)算
在利用大橋高墩翻模方法進(jìn)行施工過程中，在模板形成側(cè)向壓力的載荷主要包括兩類：振動(dòng)器形成的載荷，計(jì)算設(shè)計(jì)值為4.0kN/m2；澆筑混凝土形成的沖擊載荷，計(jì)算設(shè)計(jì)值為4.0kN/m2，兩者不應(yīng)一同計(jì)算，安全系數(shù)是1.4，新澆筑混凝土對(duì)于模板側(cè)向壓力，此時(shí)強(qiáng)度計(jì)算檢驗(yàn)系數(shù)為1.2，而剛度計(jì)算檢驗(yàn)系數(shù)為1.0。
該橋梁高墩翻模法工程中，采取內(nèi)部振搗設(shè)備，而澆灌混凝土的速率控制到6m/h之下，此時(shí)按照《橋梁施工工程師手冊(cè)》，新灌注混凝土對(duì)模板作用的側(cè)向壓力最大值可依據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：
P=kγh
當(dāng)v/T0.035時(shí)，h=1.53+3.8v/T
式中，P是新澆筑混凝土在模板上作用的最大側(cè)向壓力，單位是kPa；h是有效壓頭高度，單位m；v是澆灌混凝土速率，單位m/h；T是混凝土進(jìn)模時(shí)溫度，單位℃；γ是混凝土容重，單位kN/m3；k是外加劑作用修正系數(shù)，未摻入外加劑可取k=1.0，摻入緩凝外加劑可取k=1.2。
按照文中材料的基本特性與載荷計(jì)算等條件計(jì)算可得：
v/T=2.0/20=0.1>0.035，
h=1.53+3.8×0.1=1.91m
據(jù)公式P=kγh可得，高墩模板側(cè)向壓力最大計(jì)算值為：
P=kγh=1.2×26×1.91=59.59 kN/m3
所以，強(qiáng)度檢算時(shí)的載荷最大設(shè)計(jì)值是：q′=1.2×59.59+1.4×4.0=77.91 kN/m3；剛度檢算時(shí)載荷的最大標(biāo)準(zhǔn)值是：
q″=59.59 kN/m3。
3.4 模板面板計(jì)算
①計(jì)算簡圖。
在豎肋與橫肋間支承面板，兩橫肋之間的距離為55cm，兩豎肋之間的距離為30cm，取豎橫肋之間面板作為單元進(jìn)行計(jì)算，由此可簡化成四周嵌固板，受均布載荷q，長邊的跨中支承位置負(fù)彎矩最大，依下式進(jìn)行計(jì)算：M=
-Aq′Ix2Iy
式中，A是計(jì)算彎矩系數(shù)，和Ix/Iy相關(guān)，這里Ix/Iy=
30/55=0.545，可根據(jù)《實(shí)用建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》可得到A=0.0811；Ix、Iy分別是板短邊與長邊；q′是作用于模板的側(cè)向壓力。
板跨中處最大撓度計(jì)算式：
f=B×q″Ix4/Bc
式中，B為計(jì)算撓度系數(shù)，同樣可根據(jù)《實(shí)用建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》可得到B=0.00245；Bc=Eδ3/12（1-μ2），彈性模量E，板厚δ，泊松比μ；Bc=0.4074×104N/m
②計(jì)算強(qiáng)度。
由式M=-Aq′Ix2Iy可得，板最大彎矩值為：
Mx0=-0.0811×77.91×0.32×0.55=-0.313 kN/m；
板的抗彎模量：
wx=1/6bδ2=1/6×0.55×0.0062=3.3×10-6m3；
σ=Mx0/ wx=0.313×103/3.3×10-6=94.7MPa
