胡家沟大桥高墩身模板设计与施工

　　摘要：本文以张涿高速公路张家口段L14标胡家沟5#大桥为例，介绍了高墩身模板设计，根据爬架模板的实际受力状况建立力学模型，通过理论计算，确定了爬架模板的受力及结构的稳定性，以确保了墩身混凝土外观质量，从而满足工程施工需要。该文还介绍了爬架模板的组合安装、提升方法及流程，及施工过程中的注意事项。模板的强度计算为模板施工提供了有利的理论基础，为胡家沟5#大桥墩身顺利施工奠定了基础。

　　关键词：爬架模板,设计,强度验算,组装,提升

　　1 引言

　　胡家沟5#大桥位于张涿高速公路张家口段内，全长577m，跨径组合为5×30+(45+3×80+45)+3×30m，桥梁跨越胡家沟附近山间的洼地，本桥主桥为(45+3×80+45)m的预应力混凝土变截面连续钢构，引桥为30m装配式预应力混凝土T梁。下部结构主桥桥墩采用双肢实心墩，引桥采用桩式柱式墩。双肢实心墩最高的为70m，最低的为44m，截面尺寸为180×7m。本文主要对双肢实心墩的模板设计计算和安装方法进行了简单叙述。

　　2 墩身爬架模板设计思路和组成

　　2.1 设计思路

　　由于桥墩墩身较高，施工周期较长，如果采用散装模板可能造成模板按拆周期长延误工程工期，所以应从提高模板按拆的周转速度方面考虑;其次考虑墩身成品混凝土质量，为了满足规范要求，减少模板接缝，达到良好的外观质量，综合上述两个方面设计采用为整体模板。

　　采用整体模板就会增加在塔机起吊时的重量，为了减轻整体模板重量，方便塔机提升，设计模板分离面板、背楞及操作平台(除爬架架体之外)等均采用轻质木材加工而成。

　　墩身模板安装属于高空作业，应设有足够的安全设施保证操作人员的施工安全，所以在墩身模板外侧设有上中下三层操作平台，并安装防护栏挂设安全防护网。

　　2.2 爬架模板组成

　　墩身外模板采用木梁胶合板模板体系，架体为PJ-200悬臂支架(图1)。PJ-200爬架模板主要由六部分组成：主背楞、模板、后移装置、斜撑承重三角架、埋件系统、吊平台。此爬架模板分为三层，顶层为混凝土浇筑平台，中间层为模板安装操作平台，底层为混凝土后期处理操作平台。

　　在单块模板中，胶合板与竖肋(木工字梁)采用自攻螺丝和地板钉连接，竖肋与横肋(双槽钢背楞)采用连接爪连接，在竖肋上两侧对称设置两个吊钩(图2)。两块模板之间采用芯带连接，用芯带销固定，从而保证模板的整体性，使模板受力更加合理、可靠。木梁直墙模板为装卸式模板，拼装方便，在一定的范围和程度上能拼装成各种大小的模板。墩身模板采用对拉螺栓加固，模板拆除及竖直面调整采用爬架系统中后移装置进行。

　　3 墩身模板受力计算

　　3.1 侧压力计算

　　混凝土作用于模板的侧压力，根据测定，随混凝土的浇筑高度而增加，当浇筑高度达到某一临界时，侧压力就不再增加，此时的侧压力即为新浇筑混凝土的最大侧压力。侧压力达到最大值的浇筑高度称为混凝土的有效压头。通过理论和实践，可按下列二式计算，并取其最小值：

　　F=0.22γct0β1β2V1/2

　　F=γcH

　　式中 F------新浇筑混凝土对模板的最大侧压力(KN/m2)

　　γc------混凝土的重力密度(kN/m3)取25 kN/m3

　　t0------新浇混凝土的初凝时间(h)，可按实测确定。当缺乏实验资料时，可采用t=200/(T+15)计算;t=200/(25+15)=5

　　T------混凝土的温度(°)取25°

　　V------混凝土的浇筑速度(m/h)，取2m/h

　　H------混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度(m)，取4.5m

　　β1------外加剂影响修正系数，不掺外加剂时取1;

　　β2------混凝土塌落度影响系数，当塌落度小于30mm时，取0.85;50—90mm时，取1;110—150mm时，取1.15。取1。

　　F=0.22γct0β1β2V1/2

　　=0.22x25x5x1x1x21/2

　　=38.9kN/m2

　　F=γcH

　　=25x4.5=112.5kN/ m2

　　取二者中的较小值，F=38.9kN/ m2作为模板侧压力的标准值，并考虑倾倒混凝土产生的水平载荷标准值4 kN/ m2，分别取荷载分项系数1.2和1.4，则作用于模板的总荷载设计值为：

　　q=38.9x1.2+4x1.4=52.3 kN/ m2

　　3.2 模板强度验算

　　3.2.1基本参数

　　模板高度为4.6m，浇筑高度为4.5m，面板采用18mm板;竖向背楞采用木工字梁截面尺寸为80x200，间距为300mm;水平背楞采用双14号槽钢背楞，最大间距为1200mm;拉杆系统为D20拉杆，材质为45#钢，拉杆水平间距为1200mm，竖向间距为1200mm。

　　其中： -木材抗弯强度设计值，取13 N/mm2， -木材抗剪强度设计值，取1.5 N/mm2

　　E-弹性模量，木材取8.5x103 N/mm2，钢材取2.1x105 N/mm2

　　3.2.2 面板强度验算

　　面板为受弯结构，需要验算其抗弯强度和刚度。根据《建筑施工手册》，强度验算要考虑新浇混凝土侧压力和倾倒混凝土时产生的荷载。计算的原则是按照龙骨的间距和模板面的大小，按支撑在竖楞上的多跨连续梁计算(图3)。所以将面板视为支撑在木工字梁上的多跨连续梁计算，面板长度取板长2400mm，板宽度b=1000mm。

　　面板最大弯矩：Mmax=0.5x106N.mm

　　面板的截面系数：W=1/6bh2=1/6x1000x212=7.35x104mm3

　　应力：ó= Mmax/W=0.5x106/7.35x104=6.8N/mm2

　　故满足要求

　　其中：fm-木材抗弯强度设计值，取13 N/mm2

　　E-弹性模量，木材取9.5x103 N/mm2，钢材取2.1x105 N/mm2

　　3.2.3木工字梁强度验算

　　木工字梁作为竖肋支承在横向背楞上，可作为支承在横向背楞上的连续梁计算(图4)，其跨距等于横向背楞的间距取最大为L=300mm。

　　木工字梁上的荷载为：q3=Fl=52.3X0.3=15.7N/mm

　　F-混凝土的侧压力

　　l-木工字梁之间的水平距离

　　最大弯矩Mmax=2.4x106N.mm

　　木工字梁截面系数：

　　W=(1/6H)x [BH3-(B-b)h3]

　　= (1/6X200)x [80 x 2003-(80-30) x 1203]=46.1 x 104mm2

　　应力：ó= Mmax/W=2.4 x 106/46.1 x 104=5.2N/mm2

　　木工字梁截面惯性矩：

　　I=1/12 x [BH3-(B-b)h3]= 1/12 x [80 x 2003-(80-30) x 1203]=46.1 x 106mm4

　　3.2.4钢背楞强度验算

　　槽钢背楞作为横肋支撑在斜撑上，可作为连续梁计算，其跨距等于对拉螺栓的间距，对拉螺栓最大取1200mm。将作用在槽钢背楞上的集中荷载化为均布荷载，取其承受最大荷载的情况，荷载分布及支撑情况见图5：

　　背楞上的荷载为：q3=Fl=52.3X1.2=62.76N/mm

　　F-混凝土的侧压力

　　l-木工字梁之间的水平距离

　　最大弯距：M­max­­­­­­­­­­­=8.8×106N.mm

　　双[14钢梁的截面系数：

　　W=80.5×2=161×103mm3

　　应力：σ=Mmax/W=8.85×106/161×103=55N/mm2

　　fm—钢材抗弯强度设计值，取215N/mm2;

　　双[14槽钢的惯性矩，I=1128cm4

　　3.2.5对拉螺栓计算

　　对拉螺栓采用D20螺杆;纵向间距为1200mm，横向间距为1200mm。

　　对拉螺栓经验公式如下： N---对拉螺栓所承受的拉力的设计值。一般为混凝土的侧压力

　　A---对拉螺栓净截面面积(mm2)A=314mm2

　　--对拉螺栓抗拉强度设计值(45#钢)( N/mm2)

　　KN=91440N

　　N>91440N

　　故满足要求。

　　4 爬架模板组装与提升

　　4.1 爬架模板组装

　　第一模墩身混凝土拆除模板后组装爬架模板，顺序如下。

　　4.1.1 准备两片木板300mmx2440mm左右，按照预埋爬锥中到中间距摆放在水平地面上。保证两条轴线绝对平行，轴线与木板连线夹角90°。将三角架扣放在木板轴线上，保证三角架中心间距等于爬第一次浇筑爬锥中到中间距。安装中层操作平台栏杆，用钢管扣件连接。两三角架间同样用钢管扣件连接(图6)。

　　4.1.2安装三角架中层操作平台。平台要求平整牢固以保证架体使用，并再次校正两三角架中到中间距是否为预埋爬锥中到中位置(图6)。

　　7 固定三角架

　　4.1.3 将拼装好的三角架整体吊起，平稳挂于第一次浇筑时埋好的受力爬锥上，插入安全插销并用卡死固定(图7)

　　4.1.4先在模板下垫两根木梁，然后在模板上安装主背楞、斜撑、挑架，安装背楞扣件，用钢管扣件将挑架连接牢固，斜撑用铁丝和模板背楞绑在一起，防止在吊起过程中晃动(图8)。

　　4.1.5安装顶部操作平台。平台要求平整牢固，在与部件冲突位置开孔，以保证架体使用(图8)。

　　4.1.6将组装好的模板整体吊起，安装在三角架的后移装置上。利用斜撑调节角度，校正模板。完成吊装过程(图9)。

　　4.2 爬架模板安装提升

　　墩身第一模模板，按照常规方法安装模板，模板底部采用预埋筋坚固方式，上部采用钢管支撑加固方式，内部采用对拉螺栓加固，并按位置预埋好爬锥。

　　墩身第二模模板，在拆除第一模模板之后按照上述内容组装爬架模板，并安装第二模模板。爬架模板借助于塔吊提升安装，模板安装提升要按设计图纸将模板爬架挂在相应的预埋爬锥上。在安装过程中通过可调斜撑调整模板的垂直度;通过后移拉杆装置调整模板下沿与上次浇筑的混凝土结合面位置。

　　墩身第三模模板，在按上述方法完成第三模模板安装之后，安装爬架模板最底层的操作平台，至此爬架模板全部安装到位。此后按上述方法进行每模模板施工。

　　4.3 注意事项

　　4.3.1埋件系统预埋的位置要求准确，在浇筑混凝土前必须由专人再次复核其位置，确保误差不大于1mm。

　　4.3.2每次拆模后都须将面板上附着的杂物清理干净，并在浇混凝土前刷脱模剂。

　　4.3.3浇筑混凝土前，模板的下部应利用三角架上的后移装置将模板调到紧紧地与已浇好的混凝土接触上，防止再次浇筑混凝土时漏浆及错台。

　　4.3.4浇筑混凝土前，对拉螺杆一定要按图纸位置拉接，以保证混凝土质量。

　　4.3.5要定期检查模板单元上各个螺丝的松紧情况，如发现有松动应及时拧紧。

　　5 结束语

　　桥墩每模钢筋为27t，混凝土为115m3，墩身每模施工周期为3天，其中模板拆除安装仅为1天时间，大大缩短了墩身施工周期。通过一段时间墩身模板施工证明，本套爬架模板具有施工周期短，重量轻，安全设施到位、结构合理，经济实用，标准化程度高等特点，为胡家沟5#大桥的顺利施工奠定坚实的基础。

　　参考文献

　　《建筑施工手册》第四版

　　《建筑施工计算手册》江正荣著

　　《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001)

　　《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)

　　《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)等规范。

《胡家沟大桥高墩身模板设计与施工》

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