基于大桥高墩翻模法施工的模板设计计算探究
2017-04-24
0 引言
桥梁项目是高速公路工程的关键组成，随着公路事业的飞速发展，特别是高墩柱大桥的施工与设计技术的极大提升，在进行高墩柱大桥施工时，尤其是山区地带，因受地形状况等要素的影响，常常需要采取高墩翻模法对高墩柱开展施工活动，高墩柱翻模的模板计算和设计工作，是确保工程安全的必要途径与重要条件，而怎样对大桥高墩翻模模板开展计算和设计，则是验证大桥高墩翻模法工程是否安全的重点内容。
1 工程概况
1.1 工程简介
本文所研究大桥工程处于达陕高速某合同路段，该桥梁处在分离型路基之上，有许多高墩柱，墩柱最高可达约74m，高墩总计约1452延米。本桥超过50m的高墩有11座；在大桥施工设计过程中，高墩工程采取翻模法施工方式。该桥梁的上部结构在左线位置采取20～40m的预应力混凝土T型简支梁，共有五联，其右线处选用13×40mT型梁+133m路基+3×40mT型梁，也分为五联，大桥为简支结构。桥梁下端结构按照墩高选择双柱半幅变截面空心薄壁型墩和双柱半幅圆型墩，并且桩基础选择挖孔灌注桩形式。桥台选型方面采取桩柱式桥台类型，并选择挖孔灌注桩基础。该桥有12根径为1.5m的桩，共计104m；104根径为1.8m的桩，共计788m；36根方桩，共计720m；根据桩基础设计进行材料统计，C30混凝土总需求量为1227.5m3，C40混凝土总需求量为4843m3，钢材总需求量为618.934T。
1.2 高墩翻模设计理念
传统大桥高墩翻模法施工过程中，为了便于施工人员的装设和加固，只在高墩外模装设宽约50cm、与模板为一个整体的简易型操作平台，不可放置材料、机具，不但操作施工较慢，还容易出现施工者高空坠落等事故，在进行模板拆除时，还要将操作平台一起拆除。若利用技术创新，使得模板和操作平台实现分离，则模板翻升与提升操作平台将不再互相干扰，可以确保支架体系上施工者安全施工，还可临时堆放部分施工器具与材料，模板拆除后墩体四周的装饰工作也方便开展。在该项目桥梁高墩翻模法施工设计时，采用空心薄壁型高墩，每隔3m翻模并向上分节进行灌注成型。在进行操作平台设计时，应认真研究模板翻升和操作平台分离，两者伴随高墩的提高而提高互相不产生影响，从而达到环保、安全、便于施工、提升工作效率的效果。
2 大桥高墩翻模法模板设计和施工分析
2.1 翻模设计
大桥高墩翻模结构主要包括外模板、内模板、穿过高墩的对拉拉杆、水平围带、模板支架、工程吊篮、操作平台及安全防护装置等。
钢结构模板共分成三节，各节均高为3m。外模、内模分为横桥向侧模与顺桥向端模，在内模中缺少角模。翻模板厚为6mm，板间竖向距离40cm，选择80mm槽钢作为竖带，在四个角处分别选取75mm×75mm×8mm角钢来作为邻近两个钢模接连法兰的封边。板间接连法兰采取？准22螺栓固定，螺栓的间隔设置为30cm。3m模板采取三层水平围带，其最大距离1.0m，其它的分别是0.4m与0.6m悬臂端（0.6m悬臂端设置于每个模板上端），在外、内模上水平围带可分别由2[12、2[10槽钢构成。拉杆的直径为？准22，采取普通型A3钢材。内外模板利用拉杆以穿出墩体混凝土，并对拉在独自水平围带之上，拉杆两头采取螺母进行固定。外操作平台在其顶端沿着四周设置防护栏，并在护栏外侧到支架的底端设置封闭安全网，以保证安全。 内操作平台可分为人员简易施工平台与浇灌混凝土施工平台，人员简易施工平台可支撑于内模围带之上，浇灌混凝土施工平台可通过实地焊接形成高70cm梯形体结构，该结构可直接置于墩体内模之上，以钢板与型钢制成一个整体以方便装吊，按每次浇筑0.5m3混凝土计算。吊篮挂于外模之上，以作混凝土修补面和模板拆除操作平台用。各翻模结构的翻升利用塔吊实现，在模板拆除时需采取倒链以临时起挂外侧或内侧相应模板。
2.2 翻模施工
首先，做好翻模施工的准备工作，已浇筑段节混凝土的强度当达2.5MPa后，通过吊车拆掉下节的翻模，并对其表面进行清理并抹上脱模剂，扎绑待浇筑钢筋，当检查钢筋合格之后，将已浇筑段节模板的上口作基准，装上待浇筑模板段，检测调节，使下、上模板的接口保持直顺，无漏浆和错缝。
其次，固定模板，调节模板到位后，以螺栓进行拧紧，装设对拉螺杆，并用螺帽固定，校核检测模板的装设精度，在外内模板的上口处安装支撑，避免在调节时发生形变。当实现固定后，要最后再认真检查一下外内模板尺寸大小、对拉螺杆、接连螺栓和支架等，避免发生意外。
最后，模板翻升，把下节模板挂到上节模板上，并松开抽掉此节段模板间拉筋，以手拉葫芦来松动翻模模板，使凸凹缝全部分离，用吊车来运到地面，清除模板并刷涂脱模剂，之后根据上述工序固定装设，循环操作直到墩顶。
3 模板基本尺寸、材料性能与荷载计算分析
3.1 基本尺寸
在本次桥梁工程中，高墩翻模法施工的模板全为钢质模板，钢板厚约为h=6mm；竖肋采用[10号槽钢，竖肋间水平距离L1=30cm；横肋采用厚14mm的钢板，其竖向距离为L2=55cm；吊钩选择？准20圆钢，拉筋部位外、内模板间采用？准25mm的PVC硬管，便于拔抽拉筋和重复使用，这里，拉筋采取？准20mm圆钢，在模板间采取？准18mm螺栓固定；每节段的钢模高约2.0m，每节段分为两片构成，共可以制成12片（12m），从而满足工程进度要求，且在模板拆除后可周转利用，它的下、上和水平接连都采取M14的螺栓固定，其接缝部位嵌进2mm的橡胶条。
3.2 材料性能
按照《公路桥涵施工技术规范JTG/T F50-2011》、《公路桥涵钢结构设计规范》以及实际地质勘查资料，文中在开展桥梁高墩模板计算过程中，所选用水泥混凝土的重力密度是26kN/m3，掺入外加剂；浇灌混凝土温度是20℃；浇灌混凝土的速度是2m/h；模板钢选用Q235钢，其重力密度是78.5kN/m3；许可应力是215MPa，没有考虑系数提升；弹性模量205GPa。
3.3 载荷计算
在利用大桥高墩翻模方法进行施工过程中，在模板形成侧向压力的载荷主要包括两类：振动器形成的载荷，计算设计值为4.0kN/m2；浇筑混凝土形成的冲击载荷，计算设计值为4.0kN/m2，两者不应一同计算，安全系数是1.4，新浇筑混凝土对于模板侧向压力，此时强度计算检验系数为1.2，而刚度计算检验系数为1.0。
该桥梁高墩翻模法工程中，采取内部振捣设备，而浇灌混凝土的速率控制到6m/h之下，此时按照《桥梁施工工程师手册》，新灌注混凝土对模板作用的侧向压力最大值可依据以下公式进行计算：
P=kγh
当v/T0.035时，h=1.53+3.8v/T
式中，P是新浇筑混凝土在模板上作用的最大侧向压力，单位是kPa；h是有效压头高度，单位m；v是浇灌混凝土速率，单位m/h；T是混凝土进模时温度，单位℃；γ是混凝土容重，单位kN/m3；k是外加剂作用修正系数，未掺入外加剂可取k=1.0，掺入缓凝外加剂可取k=1.2。
按照文中材料的基本特性与载荷计算等条件计算可得：
v/T=2.0/20=0.1>0.035，
h=1.53+3.8×0.1=1.91m
据公式P=kγh可得，高墩模板侧向压力最大计算值为：
P=kγh=1.2×26×1.91=59.59 kN/m3
所以，强度检算时的载荷最大设计值是：q′=1.2×59.59+1.4×4.0=77.91 kN/m3；刚度检算时载荷的最大标准值是：
q″=59.59 kN/m3。
3.4 模板面板计算
①计算简图。
在竖肋与横肋间支承面板，两横肋之间的距离为55cm，两竖肋之间的距离为30cm，取竖横肋之间面板作为单元进行计算，由此可简化成四周嵌固板，受均布载荷q，长边的跨中支承位置负弯矩最大，依下式进行计算：M=
-Aq′Ix2Iy
式中，A是计算弯矩系数，和Ix/Iy相关，这里Ix/Iy=
30/55=0.545，可根据《实用建筑结构静力计算手册》可得到A=0.0811；Ix、Iy分别是板短边与长边；q′是作用于模板的侧向压力。
板跨中处最大挠度计算式：
f=B×q″Ix4/Bc
式中，B为计算挠度系数，同样可根据《实用建筑结构静力计算手册》可得到B=0.00245；Bc=Eδ3/12（1-μ2），弹性模量E，板厚δ，泊松比μ；Bc=0.4074×104N/m
②计算强度。
由式M=-Aq′Ix2Iy可得，板最大弯矩值为：
Mx0=-0.0811×77.91×0.32×0.55=-0.313 kN/m；
板的抗弯模量：
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
