泗溪大橋高墩模板的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1、泗溪大橋高墩模板的設(shè)計(jì)與計(jì)算 摘 要 高墩現(xiàn)澆混凝土施工，混凝土現(xiàn)澆模板質(zhì)量和安全必須引起足夠的重視。應(yīng)用有限元軟件對(duì)翻模施工模板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，得出高墩模板結(jié)構(gòu)各個(gè)部件的力學(xué)數(shù)據(jù)，模板制作工藝達(dá)到質(zhì)量要求，翻模施工操作嚴(yán)格按國(guó)家規(guī)定的操作規(guī)程，對(duì)提高橋墩的工程質(zhì)量和安全起到了重要作用，工程施工質(zhì)量良好，安全可靠，收到了較好的效果，發(fā)揮了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞 高墩模板；有限元；強(qiáng)度；穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)計(jì)算1 工程概況文成縣新56省道接南田公路工程泗溪大橋起訖樁號(hào)為K1+799K2+225，橋上部結(jié)構(gòu)為先簡(jiǎn)支后連續(xù)的1430m裝配式預(yù)應(yīng)力砼T梁，基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)0#、14#橋臺(tái)均采用重力式U

2、臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)，3#11#主橋墩采用矩形空心薄壁墩群樁基礎(chǔ)，1#、2#、12#、13#橋墩采用樁柱式橋墩,最高墩為61.3m。本橋平面位于180m小半徑曲線段上，橋面總寬度為11.5米。主高墩為6.0m2.6 m 矩形空心薄壁墩，采用定型模板翻模分段施工，設(shè)置三套定型翻模模板、每節(jié)模板高度為1.5米,鋼筋及模板的吊裝均采用塔式起重機(jī)吊運(yùn)，混凝土采用攪拌運(yùn)輸車水平運(yùn)輸和塔吊吊裝漏斗垂直運(yùn)輸，插入式振動(dòng)器振搗，塑料薄膜或土工布覆蓋養(yǎng)護(hù)、頂部采用麻袋濕水及灑水養(yǎng)護(hù)措施。主橋墩施工施工中，對(duì)模板進(jìn)行專門設(shè)計(jì)計(jì)算，確保了工程質(zhì)量和施工安全（圖1）。圖1 矩形空心薄壁主墩和翻模模板圖2主墩模板結(jié)構(gòu)和施工方法

3、2.1主墩模板結(jié)構(gòu)主墩模板為定型模板翻模（圖2），面板采用6mm厚鋼板，加勁骨架采用580mm角鐵，水平間距為30cm，并與面板滿焊。橫肋采用10#槽鋼制作，間距為90cm。模板每套高度為1.5m，總設(shè)置為3套，定型模板豎向縫隙拼裝后及上、下套模板拼裝完成后，每套模板間為30高強(qiáng)螺栓連接，模板拼縫均采用密封條密封。圖2 薄壁主墩單節(jié)模板結(jié)構(gòu)圖2.2 模板翻升施工方法墩身翻模有三套定型鋼模板組成，每套鋼模板高度為1.5m，模板總高度4.5m。墩身混凝土每第一次澆筑應(yīng)澆滿第12節(jié)段模板，即3.0m的澆筑高度。然后每次至墩頂采用翻模澆筑，高度為2套模板，即3.0m的澆筑高度。翻模時(shí)，保留頂層一套的模

4、板，作為翻升上層模板的持力部分，然后采用塔式起重機(jī)配合將下一套模板拆除，翻升至頂層一套模板上方相應(yīng)的平面位置上，并予以校正聯(lián)接固定。照此循環(huán)交替翻升，直至完成整個(gè)薄壁空心墩承臺(tái)墩身的施工。主墩模板的布置與施工操作程序均應(yīng)按照模板的施工設(shè)計(jì)及技術(shù)措施的規(guī)定進(jìn)行。模板使用前，應(yīng)進(jìn)行預(yù)拼裝，對(duì)各部位幾何尺寸、平整度作嚴(yán)格檢查。正確無誤后方可進(jìn)行立模，每次安裝前將模板表面及接縫處清理干凈，表面用脫模油涂抹均勻。模板用塔吊提升與安裝，操作工人在操作平臺(tái)上施工。在起吊模板前，要根據(jù)編號(hào)，按拼裝先后順序把模板運(yùn)到墩下。吊裝模板應(yīng)由專人指揮，防止模板在起吊過程中晃動(dòng)過大與墩身或腳手架碰撞，同時(shí)嚴(yán)禁墩下和起吊范

5、圍內(nèi)站人，以確保安全。安裝模板時(shí)，平臺(tái)上要至少兩名模板工，在模板起吊到安裝高度時(shí)，用特制的鋼筋拉勾把模板拉向墩身，工人分站模板兩側(cè)，用手扶持鋼模與持力模板聯(lián)接，固定好對(duì)拉螺桿。如此反復(fù)循環(huán)至到安裝好一層模板后，再安裝上一層模板。模板安裝好后，對(duì)其軸線位置、水平標(biāo)高，各部分尺寸、垂直度進(jìn)行檢校，直到符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。高墩施工最主要的是垂直度及標(biāo)高的控制，本工程采用全站儀與水準(zhǔn)儀逐層控制模板的四角坐標(biāo)、垂直度及高程。待混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5Mpa以上時(shí)即可拆模，頂面上面一套模板不動(dòng)作為下次翻模的承重模板，將下面2套模板拆除翻到上方。拆模前先將聯(lián)接螺桿抽出，為方便施工，下面1套模板每一側(cè)聯(lián)成整體直接

6、用吊機(jī)吊至立模部位。拆模有兩名木工配合進(jìn)行，先在需拆除的模板上掛上吊鉤，再松動(dòng)螺栓，在只剩2個(gè)螺栓時(shí)，由一人扶持模板，一人拆除螺栓，防止模板突然脫落。在模板離開墩身后，也要用拉勾拉住模板慢慢放開，防止模板晃動(dòng)過大撞擊墩身。混凝土采用拌合站集中拌制，分層均勻?qū)ΨQ澆筑，分層厚度30cm，并充分振搗密實(shí)。墩身第一節(jié)段施工時(shí)必須復(fù)核平面位置，若因承臺(tái)施工造成墩身預(yù)埋鋼筋移位而影響立模平面位置，必須調(diào)整至規(guī)范允許范圍內(nèi)。第一節(jié)段主筋綁扎前，必須將模板對(duì)拉桿位置放出，并提前調(diào)整主筋保證主筋不擋住對(duì)拉桿位置，然后才綁扎其它鋼筋。混凝土澆筑過程中，嚴(yán)禁晃動(dòng)鋼筋骨架。3 主墩模板結(jié)構(gòu)計(jì)算模板的計(jì)算依據(jù)為建筑施工

7、手冊(cè)（第四版）和有關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)計(jì)算。3.1 模板參數(shù) 3.1.1 模板面板參數(shù)模板面板為鋼面板，面板厚度6mm，面板彈性模量為210000.00 N/mm2，面板抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=205.00 N/mm2，面板抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.50 N/mm2。3.1.2 背楞參數(shù)計(jì)算長(zhǎng)度6m背楞材料為Q235鋼材，雙拼28c槽鋼；計(jì)算長(zhǎng)度2.6m背楞材料為Q235鋼材，雙拼12#槽鋼。3.1.3.背肋參數(shù)計(jì)算長(zhǎng)度1.5m背肋材料為Q235鋼材，10#槽鋼。3.2 模板荷載 主墩模板承受荷載為主要為側(cè)壓力面荷載，由以下部分組成：(1)新澆混凝土作用于模板的最大側(cè)壓力，按下列公式計(jì)算，并取其中的較小

8、值: (1) 或 (2)式中 混凝土的重力密度，取24.000kN/m3； t新澆混凝土的初凝時(shí)間，可按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值取，輸入0時(shí)系統(tǒng)按200/(T+15)計(jì)算，得5.714h；T混凝土的入模溫度，取20.000； V混凝土的澆筑速度，取3.00m/h； H模板計(jì)算高度，取3.000m； 1外加劑影響修正系數(shù)，取1.000； 2混凝土坍落度影響修正系數(shù)，取1.000。由式（1）、式（2）計(jì)算的新澆筑混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力F分別為 52.256 kN/m、144.000 kN/m，取較小值52.256 kN/m作為本工程計(jì)算荷載，即新澆混凝土側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值q1=52.256 kN/m，呈三角形分布。

9、(2)根據(jù)規(guī)范，當(dāng)采用容量為大于0.8m3 的運(yùn)輸器具時(shí)，傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為q2=6.00kN/m2。(3)振搗混凝土?xí)r會(huì)對(duì)模板產(chǎn)生側(cè)壓力荷載，本工程取q3=4.0 kN/m主墩模板混凝土側(cè)壓力由以上三項(xiàng)組成，呈梯形分布。因主墩模板為兩節(jié)共3.0m拼裝的，因此第二節(jié)其底部與第一節(jié)頂部荷載設(shè)計(jì)值為：第一節(jié)模板頂部：q=1.40.9(q2+q3)=1.40.9(6+4)=12.6 kN/m第二節(jié)其底部模板底部：q=1.20.9q1+1.40.9(q2+q3)=1.20.952.256+1.40.9(6+4)=69.04 kN/m則第二節(jié)模板頂部荷載為：q=(69.04+12.6)/2=4

10、0.82 kN/m式中0.90為按施工手冊(cè)取用的臨時(shí)結(jié)構(gòu)折減系數(shù)。3.3 主墩計(jì)算模型 主墩模板采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模計(jì)算。背肋、背楞采用BEAM188梁?jiǎn)卧M，面板采用SHELL63殼單元進(jìn)行模擬。3.3.1 計(jì)算模型圖3為主墩模板的計(jì)算模型圖，圖4為整體荷載分布平面圖，圖5為整體荷載分布立面圖。圖3 計(jì)算模型模板四個(gè)面均承受梯形壓力荷載，荷載布置圖如下：圖4 整體荷載分布平面圖（彩色箭頭為面壓力，單位N/m）圖5 整體荷載分布立面圖（彩色箭頭為面壓力，單位N/m）3.3.2 計(jì)算結(jié)果經(jīng)計(jì)算，在前述壓力荷載設(shè)計(jì)值作用下，結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布狀況如下圖6。圖6 整體模板應(yīng)力圖

11、（N/m）1）主墩模板面板的計(jì)算（1）面板強(qiáng)度驗(yàn)算在壓力荷載設(shè)計(jì)值作用下，經(jīng)計(jì)算，面板的應(yīng)力云圖如圖7。圖7 面板應(yīng)力云圖(N/m)由計(jì)算結(jié)果可見，面板的最大應(yīng)力計(jì)算值=83.1N/mm；面板的最大應(yīng)力計(jì)算值=78.7N/mm 小于面板的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 =83.100N/mm，滿足要求。（2）面板抗剪驗(yàn)算由計(jì)算結(jié)果可見，面板截面受剪應(yīng)力計(jì)算值:=28.7N/mm；面板截面抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值:fv=150.0N/mm；面板截面的受剪應(yīng)力：=28.7N/mm，小于面板截面抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fv=150.0N/mm，滿足要求。（3）面板撓度驗(yàn)算由計(jì)算結(jié)果可見,面板最大撓度為=13.9mm面板最大容許撓度:

12、=5000/250=20 mm；面板的最大撓度計(jì)算值=13.9mm小于面板最大容許撓度設(shè)計(jì)值=20mm,滿足要求。2）模板背楞計(jì)算(1)6m背楞強(qiáng)度驗(yàn)算由計(jì)算結(jié)果可見，背楞的最大應(yīng)力計(jì)算值=159.0N/mm；背楞的最大應(yīng)力計(jì)算值=159.0N/mm小于背楞的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值=205.000N/mm，滿足要求。因背楞側(cè)向有可靠支撐，總體穩(wěn)定性不需計(jì)算。(2) 6m背楞撓度驗(yàn)算由計(jì)算結(jié)果可見，背楞最大撓度為=13.4mm背楞最大容許撓度:=6000/250=24 mm；背楞的最大撓度計(jì)算值=13.4mm小于背楞最大容許撓度設(shè)計(jì)值=20mm,滿足要求。3）2.6m背楞計(jì)算(1)2.6m背楞強(qiáng)度驗(yàn)算由

13、計(jì)算結(jié)果可見，背楞的最大應(yīng)力計(jì)算值=113.0N/mm；背楞的最大應(yīng)力計(jì)算值=113.0N/mm，小于背楞的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值=205.000N/mm，滿足要求。因背楞側(cè)向有可靠支撐，總體穩(wěn)定性不需計(jì)算。(2) 2.6m背楞撓度驗(yàn)算由計(jì)算結(jié)果可見，背楞最大撓度為=2.22mm背楞最大容許撓度:=1500/250=6 mm；背楞的最大撓度計(jì)算值=2.22mm 小于背楞最大容許撓度設(shè)計(jì)值=6mm,滿足要求。4）1.5m背肋計(jì)算(1) 1.5m背肋強(qiáng)度驗(yàn)算由計(jì)算結(jié)果可見，面板的最大應(yīng)力計(jì)算值=149.0N/mm；背肋的最大應(yīng)力計(jì)算值=149.0N/mm 小于面板的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 =205.000N/mm

14、，滿足要求。因背肋側(cè)向有可靠支撐，總體穩(wěn)定性不需計(jì)算。(2) 1.5m背肋撓度驗(yàn)算由計(jì)算結(jié)果可見，面板最大撓度為=13.5mm背肋最大容許撓度:=6000/250=24 mm；背肋的最大撓度計(jì)算值=13.5mm 小于面板最大容許撓度設(shè)計(jì)值=20mm,滿足要求。5）聯(lián)接件計(jì)算每個(gè)角點(diǎn)的聯(lián)接件采用2個(gè)M30普通螺栓，單個(gè)螺栓抗拉承載力設(shè)計(jì)值為112.46KN。聯(lián)接件將兩個(gè)方向的背楞連接起來，承受背楞兩端的反力。背楞承受最大線荷載為39.88KN/m,背楞長(zhǎng)6m。螺栓與背楞呈45相交，則每個(gè)連接螺栓所承受軸拉力為：T=(39.886/2)1.414=169.2 KN可見螺栓所承受拉力169.2KN小

15、于其抗拉承載力設(shè)計(jì)值2112.46=224.9KN，滿足計(jì)算要求。6）上下模板連接螺栓計(jì)算上下模板通過通過M16普通螺栓連接，螺栓承受剪力作用。螺栓間距300mm，拼接鋼板厚度為5mm，寬150mm。C級(jí)M16普通螺栓抗剪承載力設(shè)計(jì)值為140 N/mm，有效面積為156.7 mm；5mm厚Q235鋼板的孔壁承壓強(qiáng)度為305N/mm在該連接處混凝土的側(cè)壓力為40.82 kN/m，連接處的承壓高度為兩節(jié)模板相鄰背箍距離的一半，即（250+250）/2=250mm，因此連接處的線荷載為：40.820.25=10.205 kN/m，故每個(gè)螺栓承受的剪力為：10.2050.3=3.062 kN（1）螺栓

16、抗剪承載力驗(yàn)算=3062/156.7=19.54140 N/mm，故螺栓抗剪承載力滿足要求。（2）承壓承載力驗(yàn)算f=3062/(165)=38.28305 N/mm，故連接處孔壁承壓承載力滿足要求。4結(jié)語 （1）高墩現(xiàn)澆混凝土施工，安全是第一位的。根據(jù)Hadipriono.Wang對(duì)美國(guó)85起工程事故的分析表明，有49%的工程事故發(fā)生于混凝土澆筑期，因施工設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的工程事故占到工程總事故的50%以上，其中模板部件的故障引起工程事故4起，占4.7%?？梢娀炷连F(xiàn)澆模板質(zhì)量和安全不可忽視，必須引起足夠的重視。（2）本工程應(yīng)用有限元軟件，得出高墩模板結(jié)構(gòu)各個(gè)部件的力學(xué)數(shù)據(jù)，模板制作工藝達(dá)到質(zhì)量要求，翻模施工操作嚴(yán)格按國(guó)家規(guī)定的操作規(guī)程，是工程施工安全的重要保障。（3）通過翻模施工模板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算，對(duì)提高橋墩的工程質(zhì)量和安全起到了重要作用，工程施工以來，工程質(zhì)量良好，安全可靠，收到了較好的效果，發(fā)揮了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)1 交通部標(biāo)準(zhǔn).