高速公路矩形高墩滑模施工技術的研究應用

丁冠軍

（中鐵十五局集團第五工程有限公司，天津 300133）

0 引言

隨著國家交通建設業的大力發展，國家對高速公路特別是跨越深溝、寬谷的高墩橋梁工程的線性要求也在不斷增加，這無疑對施工技術提出了一個很大的挑戰，既要保證施工安全和質量，又要保證施工進度和成本。而滑模施工改變原來混凝土施工的固定模板為更加靈活方便的滑移式活動鋼模，占地面積小、機械效率高、投入消耗少、施工速度快，一次性連續施工有效減小施工縫隙及其他較大偏差，保證施工質量、減少成本投入；滑模施工是整體性結構、相對封閉穩定、安全系數又高，對于高墩橋梁施工來說，滑模施工兼具經濟效益和實用價值。本文結合合安高速公路紅巖大橋的高墩橋梁施工實例，簡述矩形高墩滑模施工的技術操作和應用，用以拓展思路，供各位同仁參考借鑒并指正［1］。

1 工程概況

合安高速紅巖大橋跨溝谷及河流而設，起訖樁號 K56+163.5～K56+693，中心樁號 K56+427，全長 529.5 m；橋面縱斷面縱坡 -2.25 %，橫坡為雙向 2 %；墩臺徑向布置。全橋共 4 聯：3×40+3×40+3×40+4×40；上部結構為先簡支后連續，采用預應力混凝土（后張）T 梁；橋梁墩臺結構的 3-6 # 敦結構形式為矩形（實體），其他為柱式結構，橋臺位置采用擴大基礎（U 型結構），墩身基礎為鉆孔樁。紅巖大橋矩形墩構造圖如圖 1 所示。

圖1 矩形墩構造圖（單位：cm）

超過 40 m 的墩柱主要分布在紅巖大橋，具體情況如表 1 所示［2］。

表1 矩形實體墩統計表

2 滑模方法的結構設計

實體墩采用的滑模系統為液壓整體爬升系統，模板結構為整體型鋼結構，整體的動力系統為 YKT36型液壓控制臺。

整體系統結構由控制平臺、液壓、提升、模板及輔助系統組成。

2.1 模板系統構造

墩身模板高 1.5 m，面板采用鋼板制作而成，豎向加勁肋采用間距 30 cm 的 10 # 槽鋼布置，加勁肋背肋采用雙拼 10 # 槽鋼，背肋距模板上邊緣 6 cm，并與桁架支撐系統固定牢靠。

2.2 液壓提升系統構造

液壓提升系統是模板支撐體統的輔助平臺，通過頂部的千斤頂與墩身爬桿固定牢靠，其重量由爬桿支撐，爬桿采用 φ48×3.5 mm 鋼管制作，整個系統平臺采用 18 # 槽鋼焊接為整體。爬桿采用焊接接長，確保焊縫飽滿，并打磨光滑平整，減少千斤頂行程阻力，確保直徑和千斤頂匹配，一般 3～6 m 接長一次。

2.3 施工平臺構造

施工平臺由主平臺和輔助平臺聯合組成，主平臺為混凝土澆筑平臺，要承受施工人員、機具、物料堆放等動荷載，要按 1.4 倍動載系數考慮，為加強構造，采用 L80×8 mm 和 L63×6 mm 等邊角鋼焊接成間距 100 cm 框型桁架結構，并滿鋪 5 cm 厚腳手板作為工作平臺。平臺底部采用 10 # 槽鋼三角支撐固定在模板背肋上，三角撐外緣加寬 50 cm 做為防護平臺。

輔助平臺主要作為混凝土裝修使用，采用鋼管結構懸吊裝置，寬度 70 cm，沿著混凝土的外露面周邊布置，平臺采用 5 cm 厚腳手板滿鋪，承力桿件間隔 2 m，采用 φ20 mm 圓鋼與模板桁架系統固定牢固，周邊采用密目網全部封閉。

2.4 液壓構造

楔塊式液壓千斤頂的型號為 QYD-100，每次行程為 30 mm，通過針型閥門控制進油量，額定承載力為 10 t，計算時按 5 t 考慮安全儲備；整體液壓控制平臺的進出油主管為 φ16 mm，副管為 φ8 mm，形成整體液壓回路系統。

2.5 輔助系統構造

輔助系統的構造主要提供噴灑養生和測量定位，灑水管隨著工作平臺向上移動，采用直徑≥ 5 cm 的軟質膠管，周邊布置滴水孔，通過水泵液壓輸送至結構頂面再沿墩身均勻噴水養生。

墩身傾斜度和中心的校核在輔助系統平臺上完成，在四個面通過吊錘線校準墩身垂直度和平面位置，平臺的水平測量，采用水平管觀測，確保平臺水平牢靠。

3 滑模計算

3.1 模板側壓力驗算

3.1.1 驗算用材料規格及相關系數

墩身澆筑采用分層 0.3 m 一層來進行，按正常滑升每次 1.5 h 左右間隔計算。

①對拉鋼筋 R235。規格：φ16 mm，橫向 2 根。

②混凝土 C40 。坍落度：140～180 mm；混凝土比重為：γ=25 kN/m3混凝土澆筑速度：V=5 m/h；混凝土入模溫度：T=15 ℃。

3.1.2 側壓力計算

側壓力計算公式見式（1）：

當V/T≤0.035 時：

h=0.22+24.9V/T

當V/T≥0.035時：

h=1.53+3.8V/T

式中：pm為新澆筑混凝土對側面模板的最大壓力，kPa；K 為外加劑影響修正系數，摻緩凝外加劑時，K=1.2；不加緩凝外加劑時，K=1；γ 為混凝土的容重，25 kN/m3；h 為有效壓力高度，m；T 為混凝土入模時的溫度，℃；V 為混凝土澆筑速度，m/h。

1）對模板側壓力計算。

V/T=5/15=0.333＞0.035

h=1.53+3.8V/T=1.53+3.8×0.333=2.797 m

但由于每次混凝土澆筑的高度為 30 cm，因此以高度 30 cm 來計算側壓力。

pm=K·γ·h =1×25 kN/m3×0.3 m=7.5×10-3MPa

2）混凝土對側模板壓強計算。

整個一側模板側壓力（側模板壓強全按最大值計）見式（2）：

式中：F 為新澆筑混凝土對側面模板的最大壓力，N；P 為新澆筑混凝土對側面模板的最大壓力，Pa；A 為模板受力面積，m2。

A=6.5 m×0.3 m=1.95 m2

F=7.5×1.95=14.625 kN

側模板對拉鋼筋作用力計算：

側模板側壓力由兩根鋼筋（一層）共同承載力平衡，平均受力，則每根鋼筋受力見式（3）：

N=14.625 kN/2=7.312 5 kN

式中：N 為軸力，kN；F 為外力，kN。

φ16 mm 鋼筋橫截面積：

A=1.62×0.785=2.009 6 cm2

鋼筋拉應力見式（4）：

N =7.312 5 kN

A =2.009 6 cm2

σ=7.312 5 kN/2.009 6cm2=3.638 8 kN/cm2

=36.39 MPa≤140 MPa

式中：σ 為截面正應力，MPa；N 為軸向力，kN；A 為截面面積，cm2。

采用φ16 mm 鋼筋做為墩身滑模施工模板對拉鋼筋是安全的。

3.2 施工操作平臺驗算

3.2.1 主操作平臺驗算

1）荷載分析。施工人員荷載：P1=1.5 kN/m2；施工機具及物料荷載：P2=2.5 kN/m2。

2）荷載驗算。木板及鋼橫梁驗算計算簡圖如圖 2 所示。

圖2 木板及鋼橫梁驗算計算簡圖

由受力平衡可以得知，木板截面特性參數如下。

W=bh2/6=100×32/6=150 cm3

σ=9.5 MPa，E=8.5×103

I=bh4/12=675 cm3，λ=260 kg/m3

式中：W 為截面抵抗矩，cm3；b 為木板寬度，cm；h 為木板厚度，cm；σ 為彎曲正壓力，MPa；E 為彈性模量，GPa；I 為截面慣性矩，cm4。

鋼截面特性參數：

I=26 cm4，W=10.4 cm3

σ=140 MPa，A=6.9 cm2

λ=5.4 kg/m，E=2.1×105

①木板驗算。

F1=F2=（q1+q2）l/2=（2.5+1.5）×0.7/2=1.4 kN

Mmax=ql2/8=（2.5+1.5）×0.72/8=0.245 kN·m

σ=Mmax/w=0.245×1 000×1 000/（150×103）=1.64 MPa＜［σ］=9.5 MPa

式中：Mmax為最大彎矩，kN·m；σ 為曲面正壓力，MPa；q 為線性均布荷載，kN/m；l 為距離，m。

因此強度滿足要求。

fmax=5ql4/384EI=5×4×704/384×8.5×103×675

=0.218 mm＜700/400=1.75 mm

因此撓度滿足要求。

②剛橫梁驗算。

計算簡圖如圖 3 所示。

圖3 剛橫梁計算簡圖

q3=F1/l=1.4 kN/m；

q4=mg/l=260×0.03×0.7×1×10/1 000/1=0.03 kN/m。

Mmax=ql2/8=（1.4+0.03）×12/8=0.179 kN·m

σ=Mmax/W=0.179×1 000×1 000/（10.4×103）=17.2 MPa＜［σ］=140 MPa

因此強度滿足要求。

fmax=5ql4/384 EI

=5×1.43×1 004/384×2.1×105×26=0.341 mm＜1 000/400=2.5 mm

因此撓度滿足要求。

3.2.2 輔助操作平臺驗算

1）荷載分析。輔助平臺作為裝修平臺，因此只受作業人員荷載，施工人員荷載：P1=0.8 kN/m2。

2）荷載驗算。

①木板強度驗算。計算簡圖如圖 4 所示。

圖4 木板強度計算簡圖

FA=FB=ql/2=0.8×1/2=0.4 kN

Mmax=ql2/8=（0.8）×12/8=0.1 kN·m

σ=Mmax/w=0.1×1 0 0 0×1 0 0 0/（150×103）=0.667 MPa＜［σ］=9.5 MPa

因此強度滿足要求。

fmax=5ql4/384 EI=5×0.8×1 004/384×8.5×103×67 5=0.182 mm＜1 000/400=2.5 mm

撓度滿足要求。

②鋼橫梁強度驗算（見圖 5）。

圖5 鋼橫梁強度計算簡圖

Mmax=ql2/8=（0.4）×12/8=0.05 kN·m

σ=Mmax/W=0.05×1 000×1 000/（1.57×103）=21.847 MPa＜［σ］=140 MPa

強度滿足要求。

fmax=5ql4/384 EI=5×0.4×1 004/384×2.1×105×785=0.001 mm＜1 000/400=2.5 mm

撓度滿足要求。

3.3 滑模驗算

3.3.1 荷載分析

①滑模結構自重。鋼木結構自重按 18 t，176 kN 考慮，即：

G1=18 t*9.8 kN/t=176 kN

②施工人員及機具荷載。施工人員按 8 人考慮，滑模設備按 800 kg，電焊機、振搗設備按400 kg，G2=（0.6 t+0.4 t+2 t）×9.8 kN/t=31.4 kN。

③模板提升摩阻力。每 m2按 0.2 t 計算摩阻力，動載安全系數取 1.3，附加安全系數取 1.5，整體提升系統的摩阻力為：

G3=S×0.2×1.3×1.5×9.8=（8×3.6+6.8×2.4）×200×1.5×1.3×9.8= 172.5 kN

④豎向荷載總重。

G=G1+G2+G3=380 kN

3.3.2 模板的側壓力計算

插入振搗器模板側壓力計算：

式中：γ 為混凝土的容重，取 25 kN/m3；h 為每層澆筑混凝土厚度，取 0.3 m。

則：P1=25×（0.3+0.05）=8.75 kN/m2，同時考慮澆筑混凝土時，動荷載對模板的側壓力：P2=2 kN/m2。

故：P=P1+P2=8.75+2=10.75 kN/m2。

3.3.3 支撐桿計算

允許承載能力按壓桿穩定性計算：

式中：E 為支撐桿的彈性 模量：E=2 1 0 G P a；I 為 Φ48 mm 支撐桿的截面慣性矩：I=11.35 cm3；k 為安全系數，取 k=2；ml 為計算長度：按 0.6×1.8=1.08 m 計。則：p=3.142×2.1×106×11.35/［2×（0.6×1.8×100）2］ =1 001 kN。

表2 滑模施工和翻模施工方案成本費用對比

因此支撐桿的數量（千斤頂的數量）

式中：w 為撐桿承載，w=G1+G2+G3=380 kN；p 為支撐桿允許承載能力，取 50 kN；c 為載荷不均衡系數，取 0.8；n=9.5 臺。因此采用 14 根支撐桿，可滿足要求。

模板共取千斤頂 14 臺，支撐桿 12 根。

3.3.4 提升架選擇

因此選用 14 臺 F 型布置支撐架滿足要求。

4 滑模施工經濟性分析

4.1 經濟成本分析

1）工期節約。墩身 50 m 左右施工時間一般 7～10 d，蓋梁施工需要 4～6 d，總計用時間 12～16 d，施工速度較快。而采用翻模施工則需要至少 35 d 左右。

2）勞務成本低。每方混凝土可節約人工費 60 元。

3）模板費用少。投入一套滑模材料費共 3.4 萬元，按周轉 5 次使用折合模板費用 6 800 元。

常規翻模 1 套重約 19.8 t，按 6 200 元/t 模板費 12.276 萬元，由于翻模施工周期長按 3 次考慮，周轉攤銷費用為 40 920 元，降低了模板費用。

4）設備費用少。用卷揚機取代塔吊減少了設備費用，塔吊使用費用 2.1 萬元/月，塔吊基礎約 12 000 元，按兩個月完成 3 個墩，攤銷每墩費用為 19 000 元，若用長臂吊車費用則更高；1 套模板需投入卷揚機 1 臺 3.6 萬元，按周轉 5 次計算，每個墩攤銷 7 200 元（設備可回收）。

5）安全性高。采用滑模施工，施工人員均在相對封閉的平臺內施工，從而使安全風險大大降低。

4.2 經濟成本比較

以紅巖大橋 4# 矩形墩為例（高度 54.59 m，墩身混凝土 922.6 m3，蓋梁混凝土 64.3 m3，鋼筋共計 159.95 t），滑模和翻模施工費用比較如表 2 所示。

5 結語

通過合安高速高墩施工中滑模技術的應用及效果分析，在安全、進度、質量、效益各方面均達到了預期。尤其在進度上解決了合安高速公路橋梁下部雨季施工中工期壓力大的難題，為后續架梁工作贏得了寶貴的時間，取得的施工進度成績得到了業主、監理的高度評價，項目也獲得了較好的社會效益和經濟效益。該工藝在合安高速的成功應用為公司以后類似工程提供了寶貴經驗。