裝配式混凝土模板在橋梁墩柱的設計與分析

林東偉 張曉明

廣東省水利水電第三工程局有限公司 廣東 東莞 523000

引言

橋梁墩作為基礎與上部橋梁結構連接部位（即承載上部結構物的下部承重物），其墩截面可分為為圓形，也有橢圓形、方形、曲線形、拋物線形等異性墩。橋墩常因模板的接縫處出現瑕疵，造成了漿液溢出的現象，一般來說，造成接縫問題的最大原因是模板的單元劃分、模板單元間連接不密實、模板剛度等問題將直接影響模板在橋梁墩柱施工中的使用，例如模板尺寸不符合施工的要求，因此造成模板之問無法正常銜接。為保證橋墩成型后鋼筋保護層厚度及模板單元接縫緊密避免漏漿現象，本文主要論述裝配預制混凝土模板。

預制混凝土模板結構，主要由面板、支撐結構和連接件三部分組成。面板主要有平面模板、連接模板；支撐結構是采用各種工具式的定型析架、支撐、托具、卡具等組成模板的支架系統；連接件主要有U型卡、鉤頭螺栓、對拉螺栓和扣件等。

1 裝配式混凝土模板組成和劃分

通過某大橋的墩柱施工的裝配式混凝土模板進行分析，將預制裝配式混凝土體系設計劃分為模板單元劃分、模板間連接體系、模板支撐體系和調節模塊4個部分。

1.1 裝配式混凝土模板單元劃分

裝配式混凝凝土模板根據橋梁墩柱設計圖紙的截面尺寸和高度、施工現場條件（如施工現場澆筑高度、施工周邊道路、吊裝最大質量要求等條件）進行劃分。作為保證混凝土外觀質量，不僅要滿足承受混凝凝土澆筑時沖擊力的剛度、強度、變形要求，還要其模板安裝簡便、具有快速拼裝及混凝土外觀質量無缺陷等特點。其預制混凝土模板單元由鋼筋混凝土面板+吊環（作為起吊時吊點，后期通過拉桿與主體鋼筋連接+凹凸承插式連接部位+后背支撐體系，其布置如下圖1所示）。具體單元劃分根據實際設計圖紙進行劃分。

圖1 裝配式混凝土模板（大模板體系）

1.2 裝配式混凝土模板間連接體系

作為模板連接部位，在滿足混凝土澆筑時強度、剛度、變形要求的前提下，還要滿足混凝土澆筑時水泥砂漿不易溢出。預制混凝土模板連接方式有漿錨搭接（將需要連接的帶肋鋼筋插入預制構件的預留孔道里，其后在孔道內注入高強早強且有微膨脹特性的灌漿料）、螺栓連接（通過螺栓將兩個預制模板單元連接在一起）。本文單元間連接采用螺栓連接，并在外部模板螺栓連接處涂抹防腐劑，用水泥砂漿進行外部螺栓處封堵。

1.3 裝配式混凝土模板支撐體系

模板支撐體系中，為預制混凝土模板提供組裝平臺，同時為承受混凝土模板單元在澆筑混凝土時的水平向荷載，其布置需根據預制混凝土單元的拼裝情況，如混凝土模板單元的長度、高度等進行布置。采用鋼管樁+工字鋼形式，其豎向鋼管樁采用直徑630mm，壁厚10mm，通過直徑為219mm，壁厚為6mm的鋼管連接成格構式結構支撐體系，工字鋼通過焊接在鋼管樁上三角塊進行連接，同時通過鋼楔塊、墊片等調整工字鋼水平、豎向位置[1]。

1.4 調節模塊

調節模塊除了承受預制混凝土板的自重外，還要沿著墩柱的垂直水平方向具有可調整功能，保證預制混凝土模板單元沿著水平向無出現錯臺現象。

2 裝配式模板方案設計

以某個工程的橋墩柱為例，采用Revit2016體量模型，建立橋梁墩柱模型，通過體量中的網格（UV劃分）對比分析三種不同預制混凝土模板單元劃分體系。橋梁墩柱采用等截面雙柱墩，為帶圓倒角的矩形墩，橫橋向兩墩中心間距20m，單個墩身橫橋向寬度為4m，順橋向厚為2.2m，端部為半徑0.2m 的圓倒角，高度為9m。墩頂設預應力蓋梁以滿足支座布置的需要，墩頂橫橋向設抗震擋塊[2]。

2.1 單元劃分方案1

方案1根據圖紙橋墩的轉角點及澆筑高度將墩柱劃分為3層的大模板體系，其圓弧轉角單獨設立，分割層數與直面段一致。選取單個墩，利用Revit 2016的體量族建立模型，其分割如圖2-1所示[3]。

圖2-1 方案1單元劃分

2.2 單元劃分方案2

方案2根據起吊汽車最大的起吊重量，將方案1的大模板進行二次尺寸修改，直線段按垂直方向劃分為8個，水平方向劃分3個，弧面段延高度方向劃分為8段。其單元分割如圖2-2所示。

圖2-2 方案2單元劃分

2.3 單元劃分方案3

方案3根據單元重量及安裝簡便方面考慮，將橋墩直線段沿高度方向劃分10個單元，沿水平方向劃分6個單元，圓弧段沿高度方向劃分10個單元，其單元劃分如下圖2-3所示[4]。

圖2-3 方案3單元劃分

3 有限元模型建立

根據圖以上三方案劃分的單元體系，利用Midas Civi建立空間板單元與梁單元的有元模型，板單元與梁單元連接采用彈性連接建立的約束關系。相關計算參考GB 5009-2012《建筑結構荷載規范》。其中混凝土澆筑初凝時間取10h，混凝土澆筑速度為1.5m/h，外加劑影響修正系數取1.2，混凝土坍落度影響修正系數1.15，通過計算選取小值作為側壓荷載，其有效高度為3.72m（即混凝土從頂面至3.72m是三角布置荷載，3.72m以下為均布荷載）[5]。則施加在板單元有：

豎向荷載（包括模板、施工荷載）；

水平荷載：澆筑混凝土時側壓荷載和振搗混凝土荷載，相關計算參考，計算得荷載如表1所示。

表1 模型荷載

4 模板受力特征分析

4.1 預制混凝土模板應力分析

通過建立的Revit模型導入至Midas civil中，通過節點/單元中的自動網格劃分，對導入的實體進行網格劃分，劃分網格后對其邊界、荷載進行添加。考慮其模板受力的對稱性，選取一側模板進行分析，模板間的連接通過彈性連接模擬其單元模板連接[6]。

方案1的最大應力值為137.11N/mm2，方案2的應力值為138.33N/mm2，方案3的最大應力值26.8N/mm2，其中方案3的應力最小，說明方案3的受力優于方案1、方案2，產生方案應力值過大的原因是單元劃分的尺寸過大，其邊界約束條件一致情況下，出現應力過大。

4.2 預制混凝土模板變形分析

模板受到澆筑時混凝土側壓力影響較大，方案1的最大變形值為11.2mm，方案2的最大變形值為11.78mm，方案3的最大變形值為0.7mm，經對比可知方案3變形量最小。綜合以上結論，可知方案3的受力特征較優[7]。

5 單元劃分、裝配對比

5.1 單元劃分的重量與拼裝性對比

從拼裝預制模板的重量、其預制模板受到應力及變形大小展開分析。

5.1.1 方案1。預制混凝土模板為大模板形式，其重量大，對起吊設備要求高，本單元未考慮現場施工設備起重要求，其預制模板的應力及變形較大，對支撐體系要求高，但墩柱成型混凝土質量較好。

5.1.2 方案2。預制混凝土模板根據起吊重量及吊點設置劃分單元，其單元應力及變形相對于方案1較小，墩柱成混凝土型質量較好[8]。

5.1.3 方案3。相對于方案2來說，預制模板單元劃分較多，其應力及應變較小，但其拼裝復雜，在預制模板拼裝完成后產生很多施工縫，墩柱混凝土成型質量較差。

5.2 施工簡易性

5.2.1 方案1。劃分的大模板單元可以快速拼裝組合，但質量重對起重設備的要求高，同時預制模板間的縫可以通過調節塊控制其對齊[9]。

5.2.2 方案2。單元劃分數量相對于方案1較多，組裝比較繁瑣，需要對各單元進行編號，但重量比較輕，一般吊裝設備可以滿足要求，單元數量較多，其單元間的縫寬度控制會因預制過程中尺寸誤差造成不對齊現象。

5.2.3 方案3。單元劃分數量最多，雖然重量相對于前兩個方案最輕，但因單元劃分數量最多，其模板單元安裝較前兩個方案相對復雜，同時單元與單元間連接較多，施工時間相對前兩個較長[10]。

綜合受力特征和施工簡易性對比，歸納三種方案比較分析結果，如表2所示。

表2 三種方案比較分析結果

6 結束語

通過以上橋墩的案例設計與分析，對三種不同裝配式混凝土預制塊進行對比，得出以下主要結論。

調節模塊在裝配式單元使用時可以調整單元間上下水平高程及左右單元施工縫距離，其調節塊會影響到單元間連接及使單元沿施工縫應力產生集中現象，應注重調節塊間單元連接處應力驗算。

通過Revit 2016體量的UV網格進行單元劃分時，應考慮自己施工設備及場地設備布置、施工場地周邊建筑對起吊高度、起吊安全距離控制等因素影響。

通過建好的Reivt 2016模型導入到Midas civil里時，應考慮連接節點及實體單元受力特征等對實體單元進行網格劃分，使計算的結果與實際基本一致。

利用鋼管樁與工字鋼的楔塊、預制模板與鋼筋調節塊同時對預制模板的垂直度進行調整。

通過本文案例的設計與分析，為后期同類預制混凝土模板工程提供參考及設計分析流程。