空心薄壁墩翻模施工的力學特性與施工技術分析

■毛晗龍

（南平市公路事業發展中心浦城分中心，浦城 353400）

近年來，隨著我國公路建設的迅猛發展，大跨度高墩橋梁的建造也涌現出諸多新技術， 如滑模法、翻模法、爬模法等[1]。 其中塔吊翻模法施工具有設備投入少、模板自重小、墩身混凝土外觀質量易控制、可及時糾正偏差等優點，但同時也存在施工技術難度較高、安全可靠性有待優化等問題[2～3]。

1 工程概況

福建山區某國道橋橋梁全長512 m， 橋寬12 m，設計荷載：公路-Ⅰ級。橋孔分三聯布設，第一聯為5×30 m 預應力混凝土連續剛構組合T 梁，第二聯為（85+155+85）m 預應力混凝土變截面箱梁連續剛構，第三聯為1×30 m 預應力混凝土簡支T 梁。主橋下部變截面箱梁主墩6#、7# 墩為空心薄壁墩，墩臺截面外尺寸為6.0 m×6.0 m， 內尺寸4.0 m×4.0 m，上實體段3 m，下實體段5 m，內上下倒角0.6 m×0.6 m，墩高均為62.7 m。 6# 橋墩構造如圖1所示。

圖1 橋墩構造圖

對比滑模、爬模，翻模施工采用整體大塊鋼模板，脫模時間有保證，混凝土外觀質量易于控制、施工接縫易于處理，廣泛應用于等截面或變截面的實體或薄壁空心混凝土結構。 綜合考慮本工程對外觀質量要求嚴格、施工工期緊迫的情況，空心薄壁墩采用翻模分節段澆筑依次施工。

2 翻模施工工藝

墩身采用翻模法施工， 每套翻模由內外模板、施工平臺組成。 外模板都為大模板，內模板以組合高鋼模和部分定型鋼模組拼成大面模板，變截面內模采用木模板。 內外模和平模板的基本結構形式相同，都由橫肋、豎肋、筋板和面板組成。 面板為δ=6 mm 鋼模板，橫肋為[8，間距為40 cm，豎肋為δ=10 mm 鋼板，間距為40 cm，背帶為2 片[14，上下間距為1.00 m，上下62.5 cm 由法蘭連接螺栓承力，對拉桿為M22 螺桿，橫向間距為1 m。 模板之間法蘭用M12×30 mm 螺栓連接，間距為20 cm。 翻模共分三節，每節為2.25 m，每次澆注高度為4.5 m，嵌固節設為2.25 m。每節施工平臺寬度為0.9 m，高度為1.2 m，利用角鋼焊接在模板主肋上，與模板形成整體。 翻模模板制作如圖2 所示。

圖2 翻模模板制作示意圖

本工程空心墩模板施工分三部分：第一部分為墩身起點段，墩身截面由實心變為空心，為了便于內口斜面砼的振搗，模板安裝高度定為5 m，砼澆筑高度定為5 m； 第二部分澆筑2 m 長的變截面段；第三部分為等截面空心段，自第三次施工起為標準施工節段，每次砼澆筑高度為4.5 m，嵌固節設為2.25 m。拆模時留最上一節模板不拆，下部兩節模板向上翻，依次循環施工，直至墩頂以下5 m 處。 墩頂以下5 m 至墩頂下3 m 為墩身上變截面部分，最上3 m 段墩身截面由空心變為實心， 因此作為單獨施工節段。 混凝土采用80 型高壓地泵垂直輸送，泵管依附塔吊設置，泵管與塔吊間采用U 型卡固定。 翻模施工工藝流程如圖3 所示。

圖3 翻模施工工藝流程

3 翻模力學性能分析

為分析大跨徑空心薄壁墩翻模施工的力學性能，采用Midas Civil 8.32 有限元軟件建立橋梁三維模型，截面采用CAD 導入。 采用極限狀態設計法，考慮荷載分項系數進行模板整體受力分析，檢算面板、主肋、橫梁、對拉桿的變形、應力是否滿足結構設計規范，以此判斷翻模系統的安全性。

3.1 設計參數

設計參數如下：（1）翻模支撐體系尺寸：模板橫肋間距400 mm；模板豎肋間距400 mm；對拉螺桿間距1333 mm（水平）、1000 mm（豎向）；（2）混凝土參數：混凝土澆筑高度4.5 m；混凝土澆筑速度1 m/h；混凝土澆筑溫度20℃；混凝土坍落度140～160 mm；（3）材料參數：面板：δ=6 mm 鋼模板；模板主肋：[8；模板次肋：δ=10 mm 鋼板；對拉桿：M22 螺桿；背帶：2 片[14。

3.2 面板

模板面板承擔混凝土、施工材料等荷載。 面板采用板單元模擬，面板由豎肋和橫肋分割成40 cm×40 cm 小格子，以一小格進行模擬計算，四邊固結，面荷載取每次澆筑高度頂混凝土側壓力進行計算，如圖4 所示。

圖4 面板計算模型

澆筑混凝土壓力按《混凝土結構工程施工規范》（GB 50666-2011）的公式P=kγh 進行計算。其中，滲透條件系數k=1.2，混凝土質量密度γ=25 kN/m3，有效壓頭高度h=1.72 m，P=kγh=51.6 kN/m2。將各參數值代入Midas Civil 軟件，建模并進行結構計算分析，得出面板最大應力σmax=59.5 MPa，小于規范要求的許用應力145 MPa，面板最大變形（中心）ωmax=0.475 mm，小于規范要求的控制變形1.5 mm，均滿足規范要求[4-6]。 結構受力與變形結果如圖5、6 所示。 混凝土澆筑過程中應盡量避免在面板應力最大位置堆放建筑材料及人員聚集， 還應固定面板，材料對稱堆放，以防面板因偏載而造成單側翹曲。

圖5 面板應力示意圖

圖6 面板位移示意圖

3.3 豎肋

豎肋采用梁單元模擬， 模擬跨度1 m， 均布荷載P=51.6×0.4=20.64 kN/m。 如圖7 所示。

圖7 主肋計算模型

計算可得混凝土澆筑時豎肋最大應力σmax=67.9 MPa，小于許用應力145 MPa，豎肋最大變形ωmax=0.34 mm，小于控制變形2 mm，均滿足規范要求[4-6]。豎肋結構受力與變形結果如圖8、9 所示。 施工中，應對豎肋的最大應力位置、 最大變形位置采取加密、使用更高等級的鋼材等措施，并實時監測主肋變形量，以保證施工安全。

圖8 主肋應力示意圖

3.4 橫肋

橫肋是翻模系統的主要受力構件，其可靠性參數反映了翻模的安全性。 橫肋采用梁單元模擬，計算模型如圖10 所示。 橫肋跨度1.333 m， 均布荷載P=51.6 kN/m。 橫肋應力隨混凝土澆筑高度增大而增加，即從第1 道橫肋開始逐漸增大，到第3 道橫肋時達到最大值。

圖10 橫肋計算模型

計算分析得出， 混凝土澆筑時橫肋最大應力σmax=47.874 MPa，小于許用應力145 MPa，橫肋最大變形ωmax=0.27 mm，小于控制變形2.7 mm，均滿足規范要求[4～6]。 橫肋結構受力與變形結果如圖11、12所示。

圖11 橫肋應力示意圖

圖12 橫肋位移示意圖

3.5 對拉桿

對拉桿承受翻模施工的所有靜、動荷載，是高墩安全施工的決定性因素。 大橋采用M22 對拉螺桿，拉桿采用只受拉單元模擬，計算模型如圖13 所示。橫梁支座反力即為對拉桿受力。計算分析得出，拉桿最大拉力為34.391 kN，小于M22 螺桿容許拉力45.6 kN。 對拉桿豎向剪力進行驗算：

圖13 對拉桿受力示意圖

可知，拉桿豎向剪力為27.1 MPa，小于規范容許值140 MPa。 因此拉桿承載力穩定，強度滿足規范要求[4-6]。

4 翻模施工技術重難點分析

4.1 工程環境復雜，施工投入大

本工程跨越山區、河流，地質構造復雜；施工期高溫時間長，雨量多；局部墩位施工便道難以鋪設，施工場地少， 平整難度大。 變截面箱梁主墩6#、7#墩高62.7 m，屬于高空作業。 單根墩身的施工周期長，模板和機械設備的投入大。

4.2 施工控制難度大

本工程高橋墩截面相對面積小、墩身高、重心高、墩身柔度大、施工精度要求高，施工軸線準確控制的難度大。 高墩翻模施工縫若處理不到位，易成為墩身受力薄弱環節。 一旦未嚴格按照技術方案進行，將可能出現爆模、模板突然脫落等事故。

4.3 應力監測要求高

通過仿真模擬計算可知，施工中橫肋應力隨混凝土澆筑高度增大而增加，從第1 道橫肋開始逐漸增大，到第3 道橫肋時達到最大值，因此需重點監測第3 道橫肋的應力值。 同時對豎肋的最大應力位置、最大變形位置采取加密、使用更高等級的鋼材等措施，實時監測豎肋變形量，保證施工安全。

4.4 臨時結構坍塌、高處墜落風險高

高墩混凝土澆筑存在臨時結構坍塌的風險，安裝、拆除支架模板過程中易造成高處墜落、物體打擊事故。 因此高墩翻模施工必須由有資質的施工單位進行施工， 施工人員必須有可靠的安全防護措施，大橋墩身施工模板、腳手架及支架均采用纜風繩加固。 高空作業安全設施應進行嚴格的設計檢算后進行安裝。 夜間高空作業時，應有足夠的照明設備。 遇到六級以上大風，應停止高空作業。

5 翻模施工質量與安全控制要點

5.1 立模

6#、7#橋墩身下部5 m 為實心墩， 施工時采用底節單獨設置50 cm 調節模板，而后支立兩節2.25 m模板，實心段采用一次澆筑完成。 實心段施工屬大體積混凝土施工，需設置循環冷卻系統降低水化熱影響。 實心段澆筑完成后，安裝第三節模板于墩頂，同時將底節模板拆除提升至第三節模板上，支立變截面內模，進行空心倒角處墩身施工，此時施工高度為4.5 m。 在空心段底部預留2 個直徑為10 cm的小孔，用于排除空心墩內積水。 后期施工中，安裝通用內模，翻升外側底部兩節2.25 m 鋼模進行墩身翻模循環段施工。 墩頂處實心段內模底板采用木模板，施工后無法拆除，留在墩身內部。

5.2 綁扎鋼筋和模板安裝

鋼筋加工外架安裝好后開始綁扎鋼筋， 順序為：主筋→箍筋→拉鉤筋→墊塊。 在鋼筋綁扎時，將墩身水平勾筋綁扎牢固，間隔1 m 點焊在墩身豎向鋼筋上，使墩身鋼筋形成整體骨架。 綁扎豎向鋼筋及底節橫向鋼筋后，安裝第一節模板，嚴格控制首節模板安裝的平面位置和垂直度，并有防傾覆的臨時措施。 每安裝一節模板，用全站儀對該節模板進行縱、橫軸線、幾何尺寸的測量復核，復核無誤或在橋規允許誤差范圍內后，再進行下節模板的安裝，以確保每節模板位置的安裝正確。 當主筋、箍筋的安裝與墩身模板拉桿孔有沖突時，應調整拉桿孔，避開鋼筋位置，不得切斷鋼筋來調整墩身模板的固定。

5.3 混凝土澆筑

墩身混凝土澆筑前，檢查施工縫鑿毛、清理情況以及墩身模板加固情況（如對拉桿數量、位置）、墩身預埋件位置等。

混凝土拌制時嚴格控制水灰比、 混凝土坍落度、混凝土攪拌時間。 混凝土澆筑前，對稱下料、分層振搗，分層高度一般在30 cm 左右，分層振搗。 振搗采用插入式振搗棒， 每個振動點振搗時間為20～30 s，做到快插慢拔。混凝土振搗應密實，無漏振、過振現象，嚴格控制棒頭插入混凝土的間距、深度與作用時間，防止混凝土表面出現蜂窩、麻面、空洞等缺陷。 混凝土澆筑完畢后，在頂部混凝土初凝前，對表層混凝土拉毛。

5.4 模板翻升

在澆注完底節混凝土強度達到2.5 MPa 后，綁扎上節鋼筋。綁扎完4.5 m 高豎筋和2.25 m 橫向筋及架立鋼筋后，混凝土強度達到10 MPa 后拆除第一節模板拉筋，將第一節模板用塔吊吊運至第三節模板上，以第二節模板為基座立模，立模完畢后繼續綁扎剩余2.25 m 橫向筋和架立鋼筋，再將第二節模板用塔吊吊運至第一節模板上，完成模板翻升作業。

5.5 混凝土養護

6#、7#橋墩在夏季施工， 實心段大體積混凝土澆筑完成后，立即啟用循環冷卻系統，進出口水溫溫差控制在15℃以內，當溫差過大時應調整循環系統進口處的水溫， 保證循環冷卻系統的降溫效果。拆模前直接對鋼模板采用澆水養護，拆模后用塑料薄膜對墩身內外進行包裹，繼續澆水養護。 養護標準為保證實體表面濕潤， 混凝土內外溫差不大于15℃，綜合養護時間不少于7 d。

5.6 模板拆除

模板安裝順序為先外模后內模，模板拆除順序為先內模后外模。 拆除順序：底節段→中節段→頂節段。 模板接縫處需做特殊處理，用打磨機將施工縫處打平，用白水泥加普通水泥摻107 膠按一定比例拌制水泥漿，對有缺陷的部位進行處理，在處理面接近風干的時候再用干水泥進行涂抹，用棉布抹勻。 模板吊裝、拆除過程需專人指揮，吊裝過程要有纜風繩牽引，減少模板晃動。

5.7 塔吊附著

按塔吊設計要求，塔吊與附著物第一次附著不大于31 m，第二次附著不大于21 m，第三次附著不大于21 m，第四次附著不大于18 m，根據墩身高度調整實際附著尺寸第一節為25 m，第二次附著尺寸為12 m，第三次附著尺寸為12 m，第四次附著為12 m。 預埋位置如圖14 所示。

圖14 對拉桿受力示意圖

6 結論

從內外模板系統、施工平臺模板系統、固定系統對翻模系統進行設計， 運用Midas Civil 模擬仿真證明翻模系統構造組成合理。模擬仿真計算得出：翻模系統的主要構件面板、豎肋、橫肋的應力、變形和對拉桿的應力、豎向剪力模擬值均滿足規范要求，即在混凝土澆筑速度1 m/h 時，翻模系統安全。 從而研究翻模施工技術重難點，制定翻模施工質量與安全控制措施，為其他同類型橋梁高墩施工提供借鑒。