超高塔柱模板系統的設計與計算

馬長江, 張 濤, 曾 勇

(1.河南水建集團有限公司，河南 鄭州 451450；2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；3.河南省交院工程檢測科技有限公司，河南 鄭州 450000)

在橋梁工程的施工過程中,模板有重要的作用。過去我國一般利用散拼、散、散拆的木質模板,需要耗費很多人力和物力資源。而近年來,出現了“以鋼代木”的理念,橋梁工作人員研究出組合鋼模板以及大鋼模,改進了橋梁模板施工工藝,并促進了社會經濟效益的提高[1]。

目前,橋梁模板施工技術步入了新時代,相關企業針對橋梁模板結構設計、體系研究以及制造工藝加大了關注力度,使模板工程有了組合式、永久式以及工具化3種形式[2]。如今我國通過研究將橋梁模板分成了以下幾大體系:組合鋼模板、大模板、滑模、爬升模、自升翻模、懸澆掛籃模、公路小型箱梁以及 T 型梁模板等體系[3]。組合鋼模板體系主要由組合鋼模板及其配件組成,組合鋼模板構造簡單、拆裝方便、拆模后表面平整度較好,有利于現場文明施工和安全生產[4]。組合鋼模板與傳統木模板和舊式鋼模板相比有以下優點:

(1) 應用范圍廣,適用于不同的工程規模、結構形式和施工工藝,就地拼裝、整體吊裝、滑模、爬模等。

(2) 使用壽命長,部件強度高,耐久性好,能快速周轉,若及時修理。妥善維護,可成為久用工具。

(3) 組合剛度大,板塊錯縫布置,拼成的面板有平面整體剛度;面板組合成柱梁模殼,本身就是承重構件,更能提高整體剛度,便于整體吊裝,也可使支架結構簡單化。

1 工程概況

洛寧縣文昌路跨洛河橋梁建設工程主橋索塔采用弧面箱形主塔,塔柱高55.5 m,橫橋向最大尺寸為5 m,與箱梁相交處順橋向最大尺寸為10 m,距離橋面32 m處為主塔截面尺寸最小處,橫橋向尺寸為5 m,順橋向尺寸為5.8 m。塔柱外形為弧形,半徑為244.86 m,空心箱形斷面,塔柱壁厚最大值為1.4 m,最小值為0.7 m。塔柱截面內布置環向預應力束。塔柱的上半部分為斜拉索錨固區。塔柱內側設有爬梯,塔柱底部設置有檢修門。

2 模板系統的設計

洛寧文昌橋索塔高55.5 m,根據設計文件,主塔每次澆筑高度宜小于6 m,施工縫預留位置應盡量避開環向預應力束和斜拉索錨固塊。依據設計要求和索塔結構特征,進行索塔模板分塊,其中下塔柱高32.0 m,分為17個節段,上塔柱高23.5 m,分為11個節段。

經過多次研究,索塔施工采用工廠加工的特制定型鋼模板。由于索塔側模為異型模板,模板制作根據各斷面不同尺寸,分別制作。其中外模面板厚度6 mm,邊肋與分布肋均采用200 mm×12 mm的扁鋼,外模總重224 t;內模面板厚度5 mm,分布肋采用8#槽鋼,背杠采用16#槽鋼,內模重67.5 t;外模布設工作平臺(帶護欄),工作平臺與外模連接固定,護欄共計80個,可安裝4層。模板在斜拉索部位單獨成塊,便于模板拆卸。內模在橫隔b處高程以下采用鋼管腳手架搭設工作平臺。橫隔b處高程以上每段塔柱采用型鋼固定在內膜上,并在型鋼上搭設方木,鋪設腳手板作為施工工作平臺。模板安裝采用塔吊吊裝,并輔以人工安裝。模板構造如圖1所示。內模工作平臺如圖2所示。

圖1 塔柱模板構造示意圖

圖2 內模工作平臺示意圖

在整個模板體系中,主塔對拉桿屬于本項目創新,整根拉桿由內拉桿和外拉桿組成,內拉桿為直徑24的精軋螺紋鋼,與外拉桿連接處有外絲;外拉桿由梭形圓套結構、墊片、螺母組成,梭形圓套結構與內拉桿連接處含內絲;在模板安裝定位后,內外拉桿通過梭形圓套結構連接在一起,與螺母一起構成一套完整的對拉桿。施工平臺由支架和竹跳板組成,支架懸挑安裝在主塔外模板上,支架安裝好后鋪設竹跳板或木板,并用鐵絲固定,工作平臺載荷由支架承擔,支架間距1.5 m。

3 模板系統的驗算

模板設計完成后,需按照實際施工情況進行力學驗算。

外模工作平臺:人群機具載荷為8 kN/m2。

內模工作平臺:人群機具載荷為4 kN/m2。

3.1 外模支架計算

工作平臺由支架和竹跳板組成,支架安裝好后鋪設竹跳板或木板,并用鐵絲固定,工作平臺載荷由支架承擔,支架間距1.5 m。

支架材料為Q235,抗拉設計值[σ]=215 MPa;抗剪設計值[τ]=120 MPa。

螺栓強度等級4.8級,抗拉設計值[σ]=170 MPa;抗剪設計值[τ]=140 MPa。

支架主體采用∠100×100×10的角鋼焊接,通過M20的螺栓連接在模板上。

∠100×100×10角鋼面積A=1 926 mm2;

抗彎截面系數W=25 cm3。

M20的螺栓有效面積A=245 mm2;

每個支架所受載荷F=1.5×1.7×8=20.4 kN;

支架橫桿所受線性載荷q=F/1.7=12 kN/m。

由計算結果可知:最大軸力F=30 681 N(壓力);

最大壓應力σ=F/A=3 068/1 926=1.6 MPa<[σ]=215 MPa,滿足要求。

最大彎矩M=2 324 N·m;

最大彎應力σ=M/W=2 324/25=93 MPa<[σ]=215 MPa,滿足要求。

最大支點反力F=31 632 N;

每個支點的載荷由兩個螺栓承擔,螺栓所受載荷為剪力;

最大剪應力τ=F/A=31 632/(245×2)=64.6 MPa<[τ]=140 MPa,滿足要求。

3.2 內模工作平臺計算

內模工作平臺搭設方式為在兩側內模的背杠上密布10#槽鋼,槽鋼上鋪竹跳板或木板;10#槽鋼材質為Q235,抗拉設計值[σ]=215 MPa;抗剪設計值[τ]=120 MPa。10#槽鋼面積A=1 274 mm2;抗彎截面系數W=39.7 cm3。

每根槽鋼所受載荷F=2.11×0.3×4=2.532 kN;

每根槽鋼所受線性載荷q=F/2.11=1.2 kN/m。

由計算結果可知:

最大彎矩M=668 N·m;最大彎應力σ=M/W=668/39.7=16.8 MPa<[σ]=215 MPa,滿足要求;最大位移f=0.8 mm

3.3 外模模板計算

3.3.1 澆筑過程中混凝土側壓力計算

分別按下列兩式計算，取兩式中較小值：

F=0.22γctoβ1β2V1/2

(1)

F=γcH

(2)

式中:F為新澆筑混凝土對模板的側壓力,kN/m2;γc為混凝土的重力密度,γc=24 kN/m3;to為新澆混凝土的初凝時間(h)當缺乏試驗資料時,可采用to=200/(T+15)計算(T為混凝土的溫度取25℃),to=5h;V為混凝土的澆筑速度m/h,V=1m/h;H為混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度;β1為外加劑影響修正系數,不摻外加劑時取1.0,摻具有緩凝作用的外加劑時取1.2;β2為混凝土坍落度影響修正系數,當坍落度小于30 mm時取0.85,50～90 mm時取1.0，110～150 mm時取1.15。此處按β1=1.2,β2=1.0，求得F=33 kN/m2;傾倒混凝土時產生的側向沖擊荷載取2 kN/m2;傾倒混凝土時產生的豎向沖擊荷載取4 kN/m2。

結構重要性系數取0.9;計算側模時側壓力為F=0.9×(1.2×33+1.4×2)=38.2 kN/m2。

3.3.2 模板變形量計算

(1)橫向變形量計算：

面板厚度6 mm,橫肋為200×12的扁鋼,間距0.5 m,模板橫向變形按簡支梁進行計算,橫向拉桿間距2.1m。

計算寬度b=0.5 m,長度l=2.1 m,距中性軸最大距離y=15.7 cm,總慣性矩I=2 215 cm4,沿縱向的線性載荷q=Fb=19.1 kN/m,彈性模量E=206 GPa。

最大彎矩M=10 528.88 N·m;

σ=My/I=10 528.88×15.7/2 215=74.6 MPa<[σ]=215 MPa,滿足要求。

(2) 豎向變形量計算:

面板厚度6 mm,豎肋為200×12的扁鋼,間距0.3 m,模板豎向變形按簡支梁進行計算,豎向拉桿最大間距1.2 m。

計算寬度b=0.3 m,高度l=1.2 m,距中性軸最大距離y=14.4 cm,總慣性矩I=1 891 cm4,沿豎向的線性載荷q=Fb=11.46 kN/m,彈性模量E=206 GPa。

最大彎矩M=2062.8 N·m;

σ=My/I=2 062.8×14.4/1 891=15.7 MPa<[σ]=215 MPa,滿足要求。

3.3.3 拉桿強度計算

拉桿直徑φ30 mm,材質Q235,抗拉設計值[σ]=205 MPa[5]。M30螺紋小徑d=26.211 mm,拉桿橫向間距a=2.1 m,豎向間距b=1.2 m。

4 模板的使用效果

洛寧縣文昌橋塔柱已于2018年末施工完畢,整體施工安全順利,塔柱外觀、線形良好,施工過程中亦未出現異常情況,充分說明該模板系統具有足夠的實用性、可靠性。

5 結束語

本文闡述了洛寧縣文昌橋塔柱模板的設計理念與參數,并以算例的形式對模板的承載能力和剛度進行了驗算,說明了組合鋼模板對異形結構的適用性。雖然施工良好,但進行經驗總結,仍發現一些缺點:

(1) 模板總重297.7 t,總體重量大,移動安裝需起重機械吊運,成本高。

(2) 接縫較多,個別位置易受油污。

(3) 異形結構模板,無法重復使用。