矮塔斜拉橋混凝土外傾塔柱模板自穩(wěn)定措施分析

許杰,陳勇,張永貴

（1重慶市建筑科學(xué)研究院監(jiān)理公司 重慶 400020 2重慶市橋梁工程有限責(zé)任公司 重慶 400060 3重慶市城市發(fā)展投資有限公司 重慶 400015）

隨著時代的進(jìn)步,當(dāng)今市政橋梁的外形向著美觀輕盈的方向發(fā)展。在大跨徑斜拉橋梁中,其墩（或塔）柱多設(shè)成A形、人形、Y形或倒Y形,這類結(jié)構(gòu)一方面增加了建筑物的美感,另一方面則對施工質(zhì)量控制方面提出了更高的要求。

某矮塔斜拉大橋主塔柱外觀正立面呈Y型,主塔橋面以上部分采用C60混凝土,上塔柱(橋面標(biāo)高以上部分)約高32.5m；主塔橫向分左右兩肢,依靠上、下橫梁連接,并于橋面以下約35m處向上外傾斜,與豎直方向成22度夾角；塔頂每肢橫橋向?qū)挾葹?m,縱橋向?qū)?m,兩主橋塔外形保持一致。上塔柱截面形式分為兩部分,即上塔柱有索區(qū)和上塔柱無索區(qū)。上塔柱有索區(qū)橫橋向壁厚0.7m,順橋向壁厚0.8m；上塔柱無索區(qū)橫橋向壁厚0.9m,順橋向壁厚1.4m。本文主要針對上塔柱無束區(qū)段施工控制進(jìn)行分析、介紹。

眾所周知,用以克服外傾塔柱產(chǎn)生的外傾力的施工方法有很多,如鋼絲繩對拉施工、預(yù)埋件焊接牛腿支架施工,以及最常用的勁性骨架定位模板施工等。前兩種施工工藝相對繁瑣,如若兩肢外傾塔柱間距離過大,則鋼絲繩的伸長量不易控制,再者由于塔柱截面尺寸較小,鋼筋比較密集,骨架斷面不能太大,我們只能利用骨架定位鋼筋,而不能完全用它來克服外傾作用力。綜合考慮以上限制,我們決定在傳統(tǒng)的翻模施工工藝基礎(chǔ)上,增多外傾面塔柱模板支點(diǎn)、固結(jié)外傾面與垂直面模板、將四面模板形成整體依靠垂直面模板的剛度,以及從已澆節(jié)段根部斜拉出來的拉桿,幾方面共同保證結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量與安全。

該大橋塔柱采用翻模施工工藝,施工外傾段模板時,采用垂直兩面模板包夾兩塊外傾模板的方式,這樣可以利用下塔柱模板施工上塔柱以節(jié)約成本。為克服自重產(chǎn)生的外傾力,我們在模板系統(tǒng)剛度一定的情況下增加了支撐點(diǎn),兩端固結(jié),中間有4根斜拉桿。同時用對拉桿克服混凝土側(cè)壓力,內(nèi)模用槽鋼焊接形成整體,詳見圖2、圖3。

驗(yàn)算分析的條件如下：分段澆筑高度定為3m,無束區(qū)塔柱模板需克服兩種工況的共同作用：3m高度形成的側(cè)壓力P1；塔柱的外傾力P2。我們分別以面板、小背楞、大背楞為研究對象，對兩種工況進(jìn)行了分析。

計(jì)算荷載（工況1）：

一段塔柱（3m）混凝土必須在初凝（6～8h）前澆筑完成,混凝土方量約為47m3。作用于模板的最大側(cè)壓力Pmax為：Pmax=0.22XγXt0XK1XK2Xv1/2或Pmax=kXγXh （二者取其小值）；

其中,Pmax為新澆筑混凝土對模板的最大側(cè)壓力（kPa）,h為有效壓頭高度（h）；

v為混凝土的澆筑速度 （m/h）,一次澆筑高度為3m,則v=3m/6h=0.5m/h；

t0為新澆混凝土的初凝時間（h）,可按實(shí)測確定；

Υ為混凝土的容重（kN/m3）,取24kN/m3；

K1為外加劑影響修正系數(shù),不摻外加劑時取1.0,摻緩凝作用的外加劑時取1.2；

K2為混凝土坍落度影響修正系數(shù),取1.15；

按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》

Pmax=0.22XΥXt0XK1XK2Xv1/2 代入數(shù)據(jù),則

P1=0.22X24kN/m3X6X1.2X1.15X0.51/2=31kPa。

計(jì)算荷載（工況2）：

由圖4可知,只有陰影部分塔柱才會產(chǎn)生外傾力。

因此G1=sin22XG,保守起見,把G≈V(全)X 2.4t/m3=43X2.4=103.2t

G1=sin22XG=38.65t

P2=G1÷S(模板)=38.5÷（3X6）=2.1t/m2=21 kPa

面板強(qiáng)度計(jì)算（工況1）：

本模板工程的面板為單向板。查《路橋施工計(jì)算手冊》“模板工程部分”相關(guān)章節(jié)得：模板在均布荷載作用下的彎矩M=式中l(wèi)為支撐面板的背楞間距。

現(xiàn)取1mm寬的板條作為計(jì)算單元,荷載q為：q=31 kPaX0.001m=31N/m=0.031N/mm

面板的截面系數(shù)：W=1/6bh2=1/6X1X62=6mm3

則面板的應(yīng)力為：σ1=Mmax/W=279/6=46.5MPa。撓度驗(yàn)算：

面板強(qiáng)度計(jì)算（工況2）：

同理可得σ2=Mmax/W=31.5MPa

塔柱模板的面板在兩種工況的作用下：

由于面板的強(qiáng)度和剛度都達(dá)到要求,因此以下計(jì)算中只將外傾面模板的小背楞和大背楞作為研究分析對象,利用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件空間模擬實(shí)際工況：

工況一（模板在P1作用的模擬）：

荷載q=pl+L=31kPaX0.3m=9.3kN/m=0.93t/m

此時的邊界（支點(diǎn)）有4個,大背楞兩端是固結(jié)在垂直面模板上,中間兩個支點(diǎn)是由對拉桿提供。

通過以上分析可知：

背楞的最大應(yīng)力σ1max=119MPa、變形f1max=1.5mm、支承反力F1max=4.8t。

工況二（模板在P2作用下模擬）：

荷載q=P2XL=21kPaX0.3m=6.3kN/m=0.63t/m

此時與P2作用的支撐條件變?yōu)?個。大背楞兩端仍固結(jié)、中間增設(shè)4根斜拉桿,根部焊接在勁性骨架的根部,并且此時的荷載方向是垂直于模板面。

通過以上分析可知：

背楞的最大應(yīng)力σ2max=38MPa、變形f2max=0.4mm、支承反力F2max=2.7t

綜上所述,背楞最大應(yīng)力σmax=σ1max+σ2max=119+38=157MPa

由于在計(jì)算外傾力時考慮了整個3m段混凝土的自重,所以計(jì)算模擬相對有很高的安全系數(shù),通過對上塔柱實(shí)際成型觀測，證明這種施工工藝是可行的,同時,在實(shí)施過程中及對最終成型塔柱的復(fù)核,驗(yàn)證了本措施的可靠性,滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。

[1]JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].