大跨度公路橋梁薄壁空心墩翻模受力分析

魏延平，亓燕秋

（1.陜西煤業化工集團有限責任公司，陜西 商洛 726000；2.中煤特殊鑿井有限責任公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

隨著我國交通事業的快速發展，高速公路橋梁建設已經進入了一個嶄新的發展時期，橋梁墩臺的設計和選擇越來越多[1]。并且近年來我國西部高速公路發展迅猛，公路建設開始向山區延伸，這些地區山勢陡峭，高差很大，且場地狹窄，使得在橋梁建設中大量采用高橋墩結構[2]-[3]。高橋墩結構施工常規的施工方式為支架施工，該方法需搭設大量腳手架，不僅耗費大量的人力、物力，且工序復雜、進度緩慢、安全系數低[4]。薄壁空心墩是目前橋梁高墩設計中廣泛采用的行之有效的方法。薄壁空心高墩是指墩身高度大于30m，墩身形式多為空心、薄壁、變截面或者等截面矩形的橋墩。雖翻模在薄壁空心墩工程實際當中成功應用的案例不少，但關于其中塔吊提升能力與空心墩模板翻升的高度以及塔吊提升頂桿支承力與模板尺寸的關系，以及其使用過程中的安全系數還缺乏定量的數據積累，在以后實際應用中對頂桿穩定性和群桿支承能力等問題有待于研究[5]-[7]。本文結合商洛市環城北路6#大橋橋梁墩臺施工，進一步對薄壁空心墩翻模受力進行探索。

1 工程概述

商洛市環城北路6#大橋位于商州區大趙峪街道辦事處劉塬溝間，橫跨低山丘陵區內溝谷地帶。橋長同為461m，單幅橋面總寬度為11m。本橋采用預應力混凝土先簡支后連續T梁。跨徑布置：15m×30m；高度大于35m的左右幅11#～12#橋墩采用了空心墩加群樁基礎。上部結構采用預制吊裝的施工形式。空心墩混凝土標號為C40。翻模是以凝固的混凝土墩體為支承主體，通過附著于已完成的混凝土墩身上的下層模板支撐上層施工模板及平臺，從而完成鋼筋成型、模板就位和校正、混凝土澆筑等工作，隨后進行下一道施工循環階段的施工。商洛市環城北路6#大橋橋梁墩臺施工運用翻模施工工藝，有效地節約了成本，縮短了薄壁空心墩臺的工期[8]。

2 翻模受力分析

2.1 風荷載作用

作用在建筑物上的受力往往都比較復雜，這其中既有均布荷載又有集中荷載，既有水平荷載又有垂直荷載，但是荷載不能直接疊加，但由荷載產生的荷載效應卻可以直接進行疊加，即所謂的荷載效應組合[9]。

由于薄壁空心墩臺的翻模模板由幾何尺寸不同的鋼大模板拼裝而成，由于翻模采用的標準節層2.25m，底節模板為4.5m，因此按最不利荷載計算的原則[54]，以外模板正面7.0m×4.5m尺寸為控制進行驗算。為保證墩身模板的穩定，在承臺上預埋φ30mm鋼筋，起到墩身模板施工過程中固定底節模板作用，為確保模板的穩定，在鋼管上焊接[10]型鋼支撐模板，模板的風向迎面示意見圖1。

圖1 薄壁空心墩臺的翻模模板風向迎面示意圖

根據《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）中關于垂直于翻模模板表面上的風荷載標準值為：

其中：Fwh—橫橋向風荷載標準值（kN）

Fwh1—順橋向風荷載標準值（kN）

Wd—設計基準風壓（kN/m2）

Awh-橫橋向迎風面積（m2），根據模板橫橋向結構尺寸

Awh-順橋向迎風面積（m2），根據模板順橋向結構尺寸

K0-設計風速重現期換算系數，查規范取1.0

K1-風載阻力系數，查規范取0.8

K2-地形、地理條件系數，查表取為1.0

不同風級下對應荷載標準值計算表表1

Vd-結構所在高度處的設計基準風速，查當地數據，本式中取25m/s，可求出Wd=0.38 kN/m2。

則底節墩身模板所承受的風荷載Fwh為：取順橋向風荷載進行驗算，驗算荷載為：

計算得最大支反力：Rmax=3.68kN

根據得到的支反力，對支撐模板的[10]型鋼進行驗算。其長細比，初步按兩端鉸接計算：

根據公路橋涵結構設計相關規范中受壓的穩定性驗算，臨時結構的許用應力按1.3倍的提高系數進行折減考慮：

N/ФA=48.1MPa≤0.336×1.3×140=61.1MPa故，由型鋼所支撐的底節模板在風荷載作用下，能夠滿足翻模穩定性要求，但是可以看出，風荷載對其影響程度不可忽略。

由《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）中關于風荷載的計算方法，查得該工程所在地風荷載參數，不同風級的影響下，對應的風荷載大小見表1及圖2。

由表1可作出不同風級與風速、風荷載標準值關系，見圖2。

圖2 不同風級與風速、風荷載標準值關系

由表1和圖2可以看出，風級越大，風速幾乎呈線性增長，而風壓和風荷載標準值呈幾何倍數增長。風荷載的對翻模施工的影響是較大的，在受力分析中應重點分析及驗算。

2.2 混凝土側壓力作用

由于國內對混凝土壓力計算上基本一致，認為對于不同的結構類型，即使一次澆筑高度以及澆筑速度不同，但是實際測得的混凝土側壓力分布曲線的走勢是基本相似的，按照通常采用的計算公式得出側壓力的前提是混凝土基本上已經初凝或者具備“獨立”能力而處于穩壓的狀態。本工程實例中，暫且采取常規的計算側壓力的公式，即不考慮不同混凝土狀態下對模板產生的側壓力的值有所不同，并且忽略傾倒混凝土時產生的荷載，統一將現澆混凝土對翻模板側壓力轉化為一個定值。根據我國《混凝土結構工程施工及驗收規范》（GB5020-92）給出的公式，當混凝土分級澆筑時，混凝土對外模板的側壓力通過計算得曲線，見圖3不同工況下混凝土側壓力對翻模模板的作用。

由圖3不同工況下混凝土對模板側壓力的荷載分布圖，可以得出混凝土對模板的側壓荷載的分布及荷載值情況。

圖3 各工況側壓力荷載分布圖

圖4 （a）工況1應力分布云圖

2.3 風荷載與混凝土側壓力協同作用

2.3.1 有限元模型建立

通過將風荷載以及混凝土側壓力共同施加在翻模模板上，進行有限元模擬分析，對工程中翻模采用大型有限元軟件ANSYS12.0進行建模分析，翻模的外模采用大型鋼板，在Ansys12.0中采用板殼單元shell181，結合實際工況，據混凝土澆筑0.9m、1.8m、2.7m、3.6m、4.5m，轉化成對應的側壓力分級施加，得到不同工況下的應力云圖，見圖4。

2.3.2 數值結果分析

圖4 (b)工況2應力分布云圖

圖4 (d)工況4應力分布云圖

圖4 (c)工況3應力分布云圖

圖4 (e)工況5應力分布云圖

通過各應力云圖可以觀察到，隨著混凝土澆筑高度的增加，混凝土側壓力不斷增大，表現在翻模模板上的應力分布也不斷變化，應力比較集中的部位由模板的中部位置，逐漸向模板接縫的兩端過渡，應力值也在不斷增加，結構的變形形式也會發生變化，雖然總體當混凝土澆筑高度達到最大值時，應力值依然沒有超過其極限抗拉強度值。但也可得出，風荷載以及混凝土側壓力協同作用對模板的力學響應不可忽視。這印證了薄壁空心高墩翻模施工時須采取構造措施，如設置鋼橫肋、縱肋增加結構的剛度，以保持翻模的穩定性。

3 結論及建議

在正確的分析設計下，商洛市環城北路6#大橋的4個橋墩翻模施工歷時3個月順利完成施工，這是翻模施工薄壁空心高墩又一應用成功案例。通過本工程中薄壁空心高墩的翻模受力分析，可得出以下結論。

①風級越大，風速幾乎呈線性增長，而風壓和風荷載標準值呈幾何倍數增長，風荷載的對翻模施工的影響是較大的，在受力分析中應重點分析及驗算。

②不考慮不同混凝土狀態下對模板產生的側壓力的值有所不同，忽略傾倒混凝土時產生的荷載，進行計算設計薄壁空心高墩翻模受力是可行的。

③由數值分析結果可看出：風荷載以及混凝土側壓力協同作用對模板的力學響應不可忽視，薄壁空心高墩翻模施工時須采取構造措施，如設置鋼橫肋、縱肋增加結構的剛度，以保持翻模的穩定性。

④關于翻模的模板的承載力驗算問題，由于目前理論上對于混凝土的強度對模板的影響沒有完全統一的標準，實際的驗算并不能全部滿足模板本身的承載能力設計值，對于混凝土強度與模板支撐體系的相關協調性有待于研究。

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