空心薄壁橋墩一體化模板設計與監測

吳文平

(騰達建設集團股份有限公司，浙江 臺州 310009)

0 引言

空心薄壁墩由于具有自重小、結構剛度大、用料少等特點，在橋梁工程中被廣泛應用。但其結構形式復雜，在實際應用中存在諸多難題，其中模板施工是最為關鍵的一個控制環節，尤其針對高大空心薄壁橋墩。

1 工程概況

東陽江大橋為(80+120+75)m連續剛構橋，全長274.7m。橋墩采用雙薄壁矩形墩，自下而上存在變截面段，上半部分截面不變，橋墩尺寸為8m×1.5m(橫向×縱向)，底部為8.8m×2.3m，橋墩壁厚20cm，墩身高17.9m。考慮橋墩結構形式及澆筑材料，同時為減小模板側壓力，采用分段澆筑：第1段7m；第2段7.9m；第3段3m。空心薄壁墩立面如圖1所示。

圖1 空心薄壁墩立面(單位：cm)

橋墩施工采用定型鋼模板。由于橋墩澆筑過程中不允許設置對拉螺栓，為抵抗混凝土澆筑過程中的側壓力，控制模板體系變形，采用鋼管作為側向支撐抵抗模板側向變形，鋼管支撐采用精軋螺紋鋼通過分配梁進行對拉。

墩身模板支撐體系為順橋向搭設鋼管墩柱，采用(6+3+6)根φ820×10鋼管柱結構形式。鋼管柱底部與承臺頂面上預埋1 000mm×1 000mm×15mm鋼板進行焊接，錨筋采用φ24鋼筋，鋼管柱頂部設1 000mm×1 000mm×5mm鋼板作為上部工字鋼的承力頂板。

2 模板設計

2.1 混凝土澆筑側壓力計算

橋墩模板支撐體系計算時，考慮結構自重、新澆筑混凝土重量、新澆筑混凝土側壓力、振搗混凝土荷載、傾倒混凝土荷載的作用。依據JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術規范》第4.1.1條規定，新澆筑混凝土產生的側壓力按式(1)，(2)計算，并取其中的最小值：

F=0.22γct0β1β2V1/2

(1)

F=γcH

(2)

式中：F為新澆筑混凝土對模板的最大側壓力(kN/m2)；γc為混凝土的重力密度(kN/m3)；V為混凝土的澆筑速度(m/h)；t0為新澆混凝土的初凝時間(h)，可按試驗確定，當缺乏試驗資料時，可采用t0=200/(T+15)(T為混凝土溫度，℃)；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<30mm時取0.85，坍落度為50～90mm時取1.00，坍落度為110～150mm時取1.15；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(m)。

計算混凝土側壓力時選取參數為：γc=25kN/m3，V=2m/h，t0=6h，β1=1，β2=1.15。

通過計算得出第1段(7m)模板最大側壓力F為53.67kN/m2，有效壓頭高度為2.15m。

參照《建筑施工模板安全技術規范》第4.1.2條規定進行取值。

1)振搗混凝土時產生的荷載標準值：水平面模板采用2kN/m2，垂直面模板采用4kN/m2(作用范圍在新澆筑混凝土側壓力的有效壓頭高度之內)。

2)傾倒混凝土時，對垂直面模板產生的水平荷載標準值按4kN/m2取值。

3)結構強度計算時，荷載組合按承載能力極限狀態考慮：S=0.9×[1.35×結構自重+1.35×新澆筑混凝土側壓力+0.9×(1.4×振搗混凝土荷載+1.4×傾倒混凝土荷載)]。

4)結構剛度計算時，荷載組合按正常使用極限狀態考慮：S=1.0×結構自重+1.0×新澆筑混凝土側壓力。

2.2 模板體系設計

模板面板采用6mm鋼板，豎向肋采用[10，橫肋采用雙拼[16。0號塊托架設置3排支撐，支撐采用10mm厚φ820鋼管，支撐間通過I45b連系。橋墩模板橫肋與支撐間通過[25連系，支撐設置多道橫向分配梁，橋墩兩側分配梁通過φ32精軋螺紋鋼對拉，其中分配梁采用雙拼I45b。

由于橋墩澆筑過程中不允許設置對拉螺栓，為抵抗混凝土澆筑過程中的側壓力，控制模板體系變形，采用0號塊鋼管作為側向支撐抵抗模板側向變形(見圖2)，為控制鋼管支撐側向變形采用精軋螺紋鋼及分配梁進行對拉，為提高側向剛度，設計水平增強桁架并放置在豎向鋼管間，如圖3所示。

圖2 側向支撐體系

圖3 水平增強桁架

分配梁與鋼管接觸面積小，應力較大，易產生屈服破壞。為防止鋼管在荷載作用下破壞，需在分配梁與鋼管接觸位置進行鋼板過渡加強，如圖4所示。

圖4 分配梁與鋼管接觸位置加強

2.3 模板驗算

選取第1段混凝土澆筑工況，采用MIDAS Gen 2019有限元軟件建立模型進行混凝土澆筑過程仿真模擬，計算模板體系主要構件應力狀態及變形情況。

1)單元 模板體系面板采用板單元模擬，其余各類型鋼采用梁單元模擬，精軋螺紋鋼采用桁架單元模擬。

2)荷載 混凝土側壓力、振搗及傾倒混凝土荷載以面荷載形式施加于模板面板上。

3)邊界條件 模板下邊緣只約束豎向自由度，模板分配梁與模板豎向肋間采用剛性連接模擬，0號塊鋼管支撐與分配梁間接觸采用只受壓彈性連接模擬。

模板及支撐體系變形結果如圖5所示。模板最大變形發生在豎向高度5m左右位置，為5.5mm，小于變形限值L/500=13mm(L為模板計算高度)。模板支撐體系最大應力為152MPa，小于Q235鋼材設計強度215MPa。精軋螺紋鋼最大應力為75MPa，小于PSB830鋼材屈服強度830MPa。

圖5 模板及支撐體系變形和應力云圖

3 澆筑過程監測

3.1 混凝土澆筑

墩身混凝土采用C40，C55商品混凝土，墩身頂3m采用C55混凝土，其余采用C40混凝土。由于墩身混凝土澆筑面積大，鋼筋及施工措施密度大，墩身混凝土澆筑時采取分柱跳倉和每柱水平分層施工法，分層澆筑厚度應≤100cm，并保持從下游側向上游側澆筑的順序和方向逐步推進施工。每層混凝土澆筑時間約30min，控制在6h以內，混凝土供應量要求≥50m3/h。

3.2 測點布置

1)混凝土壓力監測

為掌握混凝土澆筑過程中不同深度壓力變化，采用JMZX-50型壓力傳感器(量程為1.0MPa)進行混凝土壓力測試。沿混凝土埋設深度每隔1m放置1個壓力傳感器，壓力傳感器綁扎在2根鋼筋上，如圖6所示。為確保壓力傳感器測量精度，傳感器監測值應不小于最大量程的0.3倍，且不大于最大量程的0.6倍。

圖6 壓力傳感器布置

壓力傳感器采用自動化采集傳輸設備進行數據采集，自動化采集傳輸設備具有低功耗自組網功能，采用鋰電池供電，提升了數據采集傳輸的可靠性。

2)模板側向變形監測

在每個模板橫肋上布置3個變形測點(見圖7)，采用全站儀對模板變形進行監測。

圖7 模板變形測點布置

3.3 監測結果

不同深度混凝土壓力監測數據如表1所示。不同深度混凝土壓力理論曲線和實測曲線如圖8所示。模板側向變形監測數據如表2所示。由圖8，表1可知，在澆筑面以下2m左右范圍內，混凝土壓力增長較快，深度超過2m以后混凝土壓力基本保持不變，與理論計算模型吻合較好。另外，在橫肋拉結位置模板變形較小，說明橫肋拉結對提高模板剛度效果明顯。

表1 混凝土壓力監測數據

圖8 不同深度混凝土壓力理論曲線和實測曲線

測點號實測值/mm理論值/mm偏差/mm184.25.0-0.8164.65.3-0.7155.95.60.3135.26.1-0.9175.16.4-1.3145.36.5-1.2117.26.70.587.16.90.257.96.91.028.16.91.2

4 結語

1)采用免對拉螺栓的模板結構形式，可提高橋墩混凝土表觀質量，對拉孔洞的消除有助于提高混凝土結構的耐久性。

2)監測結果表明，現澆混凝土不同深度壓力實測分布規律與理論曲線吻合較好，實測壓力數值也與計算結果相近。

3)混凝土澆筑過程中模板側向變形符合規范要求。