空心薄壁橋墩一體化模板設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)

吳文平

(騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 臺(tái)州 310009)

0 引言

空心薄壁墩由于具有自重小、結(jié)構(gòu)剛度大、用料少等特點(diǎn)，在橋梁工程中被廣泛應(yīng)用。但其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多難題，其中模板施工是最為關(guān)鍵的一個(gè)控制環(huán)節(jié)，尤其針對(duì)高大空心薄壁橋墩。

1 工程概況

東陽江大橋?yàn)?80+120+75)m連續(xù)剛構(gòu)橋，全長(zhǎng)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?？紤]橋墩結(jié)構(gòu)形式及澆筑材料，同時(shí)為減小模板側(cè)壓力，采用分段澆筑：第1段7m；第2段7.9m；第3段3m?？招谋”诙樟⒚嫒鐖D1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(shè)置對(duì)拉螺栓，為抵抗混凝土澆筑過程中的側(cè)壓力，控制模板體系變形，采用鋼管作為側(cè)向支撐抵抗模板側(cè)向變形，鋼管支撐采用精軋螺紋鋼通過分配梁進(jìn)行對(duì)拉。

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

2 模板設(shè)計(jì)

2.1 混凝土澆筑側(cè)壓力計(jì)算

橋墩模板支撐體系計(jì)算時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)自重、新澆筑混凝土重量、新澆筑混凝土側(cè)壓力、振搗混凝土荷載、傾倒混凝土荷載的作用。依據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》第4.1.1條規(guī)定，新澆筑混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力按式(1)，(2)計(jì)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(duì)模板的最大側(cè)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(shí)間(h)，可按試驗(yàn)確定，當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，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(shù)，不摻外加劑時(shí)取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時(shí)取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當(dāng)坍落度<30mm時(shí)取0.85，坍落度為50～90mm時(shí)取1.00，坍落度為110～150mm時(shí)取1.15；H為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆混凝土頂面的總高度(m)。

計(jì)算混凝土側(cè)壓力時(shí)選取參數(shù)為：γc=25kN/m3，V=2m/h，t0=6h，β1=1，β2=1.15。

通過計(jì)算得出第1段(7m)模板最大側(cè)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(shù)規(guī)范》第4.1.2條規(guī)定進(jìn)行取值。

1)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載標(biāo)準(zhǔn)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(cè)壓力的有效壓頭高度之內(nèi))。

2)傾倒混凝土?xí)r，對(duì)垂直面模板產(chǎn)生的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值按4kN/m2取值。

3)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，荷載組合按承載能力極限狀態(tài)考慮：S=0.9×[1.35×結(jié)構(gòu)自重+1.35×新澆筑混凝土側(cè)壓力+0.9×(1.4×振搗混凝土荷載+1.4×傾倒混凝土荷載)]。

4)結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算時(shí)，荷載組合按正常使用極限狀態(tài)考慮：S=1.0×結(jié)構(gòu)自重+1.0×新澆筑混凝土側(cè)壓力。

2.2 模板體系設(shè)計(jì)

模板面板采用6mm鋼板，豎向肋采用[10，橫肋采用雙拼[16。0號(hào)塊托架設(shè)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(shè)置多道橫向分配梁，橋墩兩側(cè)分配梁通過φ32精軋螺紋鋼對(duì)拉，其中分配梁采用雙拼I45b。

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

圖2 側(cè)向支撐體系

圖3 水平增強(qiáng)桁架

分配梁與鋼管接觸面積小，應(yīng)力較大，易產(chǎn)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(jìn)行鋼板過渡加強(qiáng)，如圖4所示。

圖4 分配梁與鋼管接觸位置加強(qiáng)

2.3 模板驗(yàn)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(jìn)行混凝土澆筑過程仿真模擬，計(jì)算模板體系主要構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)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?jiǎn)卧M，精軋螺紋鋼采用桁架單元模擬。

2)荷載 混凝土側(cè)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(hào)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(jié)果如圖5所示。模板最大變形發(fā)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(jì)算高度)。模板支撐體系最大應(yīng)力為152MPa，小于Q235鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度215MPa。精軋螺紋鋼最大應(yīng)力為75MPa，小于PSB830鋼材屈服強(qiáng)度830MPa。

圖5 模板及支撐體系變形和應(yīng)力云圖

3 澆筑過程監(jiān)測(cè)

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(shí)采取分柱跳倉(cāng)和每柱水平分層施工法，分層澆筑厚度應(yīng)≤100cm，并保持從下游側(cè)向上游側(cè)澆筑的順序和方向逐步推進(jìn)施工。每層混凝土澆筑時(shí)間約30min，控制在6h以內(nèi)，混凝土供應(yīng)量要求≥50m3/h。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

1)混凝土壓力監(jiān)測(cè)

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(jìn)行混凝土壓力測(cè)試。沿混凝土埋設(shè)深度每隔1m放置1個(gè)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(cè)量精度，傳感器監(jiān)測(cè)值應(yīng)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(dòng)化采集傳輸設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)化采集傳輸設(shè)備具有低功耗自組網(wǎng)功能，采用鋰電池供電，提升了數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2)模板側(cè)向變形監(jiān)測(cè)

在每個(gè)模板橫肋上布置3個(gè)變形測(cè)點(diǎn)(見圖7)，采用全站儀對(duì)模板變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖7 模板變形測(cè)點(diǎn)布置

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

不同深度混凝土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。不同深度混凝土壓力理論曲線和實(shí)測(cè)曲線如圖8所示。模板側(cè)向變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。由圖8，表1可知，在澆筑面以下2m左右范圍內(nèi)，混凝土壓力增長(zhǎng)較快，深度超過2m以后混凝土壓力基本保持不變，與理論計(jì)算模型吻合較好。另外，在橫肋拉結(jié)位置模板變形較小，說明橫肋拉結(jié)對(duì)提高模板剛度效果明顯。

表1 混凝土壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 不同深度混凝土壓力理論曲線和實(shí)測(cè)曲線

測(cè)點(diǎn)號(hào)實(shí)測(cè)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(jié)語

1)采用免對(duì)拉螺栓的模板結(jié)構(gòu)形式，可提高橋墩混凝土表觀質(zhì)量，對(duì)拉孔洞的消除有助于提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

2)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，現(xiàn)澆混凝土不同深度壓力實(shí)測(cè)分布規(guī)律與理論曲線吻合較好，實(shí)測(cè)壓力數(shù)值也與計(jì)算結(jié)果相近。

3)混凝土澆筑過程中模板側(cè)向變形符合規(guī)范要求。