石璧沟大桥薄壁空心墩液压爬模结构设计与施工

石璧沟大桥薄壁空心墩液压爬模结构设计与施工

何小光

何小光

中铁二十五局集团第二工程有限公司210046

摘要：在合安高速项目石壁沟大桥施工过程中，结合以往施工经验，根据石璧沟空心墩的构造特点，采用液压爬升模板分节段施工，标准段每次浇筑4.5m，该法既满足了施工要求，又安全可靠，加快了施工进度，本文对液压爬模施工技术在空心高墩施工中的应用进行研究与分析，对液压爬模技术的选型、方案设计与施工进行了研究。

关键词：空心墩；液压爬模；方案设计

一、工程概况及爬模选用

（一）工程概况

石壁沟大桥为跨沟兼排洪而设桥梁全长928m，上部结构采用预应力砼T梁，先简支后连续；下部结构采用柱式墩，15#、16#、17#和18#采用薄壁空心墩，空心高墩截面7x3m，壁厚60cm桥墩最大高度65m。

（二）模板选用概述

墩柱采用XPM-50型液压爬模分节段施工，液压自爬模板体系XPM-50由模板系统、爬架系统和液压提升系统组成。液压提升系统包括预埋件、导轨部分、动力单元、液压油泵、配电柜等。爬架的附墙装置采用直径7cm特钢锥形钢棒，在合完模板后浇筑之前预埋，预埋件安装需要在预埋钢棒和预埋定位孔处涂抹黄油，在预埋件口皮处加设环形筋。液压装置采用穿心千斤顶，千斤顶带有自锁装置。

二、爬模板的设计和使用概况

（一）爬模爬架系统设计

爬架系统由后移装置、防坠装置、主平台、操作平台、吊平台，液压顶升装置，受力吊杆等组成。爬架系统共4个平台，从上往下依次为：模板挑平台、主平台、操作平台、吊平台，平台统一采用标准钢平台，上下层施工平台采用标准钢梯连接，采用钢管护栏及密目网全封闭围挡。模板挑平台用于浇注混凝土和绑扎钢筋，主平台用于拆模、校正模板、安装拉杆，操作平台主要用于液压提升系统操作，吊平台主要作为爬架爬升一个施工段后墩柱表面修补等。爬升模板系统示意图如图所示。

（二）爬模的使用

根据石璧沟空心墩的构造特点，采用液压爬升模板分节段施工，墩柱起步段为3节，分3次浇筑，具体施工流程如下：爬架完成安装需使用钢模板浇注第一节墩柱混凝土，爬架第一步：搭设第一节施工脚手架，空心墩内模板采用组合木模板拼装，与外侧钢模板拉杆加固，预埋液压爬模预埋件，浇筑混凝土。第二步：第一节结构完成脱模后开始安装挂架及平台、安装围圈及平台、围圈端头拉杆、安装短边安全横梁及保险楔。第三步：第二节结构完成脱模后安装架体，第三节安装受力吊杆导轨可正常爬升。

爬架安装完成后进入标准段施工，模板架体通过自带的液压顶升系统与导轨间形成互爬而稳步向上爬升。标准段循环爬升步骤如下：

爬模流程第一步：绑扎钢筋→安装模板→插入锥销并固定→浇筑混凝土。

爬模流程第二步：见拆模安装挂板及架体、安装围圈及平台→安装围圈端头拉杆、安装短边安全横梁及保险楔（此处与第三步同步进行）。

爬模流程第三步：支模、安装预埋锥销、加固模板后浇筑第二模混凝土→安装上架体→砼浇筑后绑扎钢筋。

爬模流程第四步：拔出锥销、后移模板、安装挂板并用锥销锚固→插入受力吊杆并锚固→检查各部位，受力吊杆受力→拆除第一模挂板及锥销、爬升第一模。

爬模流程第五步：爬升到位，安装受力方销，把受力吊杆卸载→支模及安装埋件→加固模板并浇筑浊凝土→砼浇筑后绑扎钢筋→进入循环作业

三、模板的设计

（一）模板设计思路

薄壁空心墩横桥向宽度7m，顺桥向宽度3m，基本壁厚0.6m，墩柱截面除横隔板处内模发生变化，其他节段均为规则段，所以爬架系统在设计时采用四面分离形式。

爬架配备的模板为钢模板，模板高度4.61m，施工高度4.5m；钢模以1.5m*4.61m模板为标准板，根据不同截面另配异模；模板面板厚6mm，模板间与主背肋连接处采用U型连接件配合插销连接，主背筋采用通长背筋，根据拉杆的间距采用14和16的国标槽钢。内模面板采用订做钢模板，现场散拼，模板结构形式和外模相同，以保证模板拼缝的平整。钢模板组成如图所示。

模板的截面大于6米，需要预拱5毫米，以保证模板浇筑出的混凝土的线型好看，模板在安装的时候保证模板的对角线相等，拼缝的位置错台不大于1毫米。

（二）模板部分的受力计算

液压爬模模板系统包括6mm钢面板、次背楞为[10，间距为280mm，主背楞为2[14b槽钢，间距为1050mm，拉杆水平间距最大为1750mm。

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》中规定，其轴向容许应力为140MPa，弯曲容许应力为145MPa，容许剪应力为80MPa，弹性模量为2.06×105MPa；变形按L/400进行控制。根据路桥施工计算手册，将按3跨连续梁计算内力，计算公式为：

最大弯矩Mmax=qL2/10

σmax=Mmax/Wf=qL4/150EI

1.混凝土侧压力计算

混凝土作用于模板的侧压力，根据测定，随混凝土的浇筑高度而增加，当浇筑高度达到某一临界时，侧压力就不再增加，此时的侧压力即为新浇筑混凝土的最大侧压力（侧压力达到最大值的浇筑高度称为混凝土的有效压头）。

根据《桥梁施工常用数据手册》，混凝土侧压力可按下列二式计算，并取其较小值：

F=0.22Yctoβ1β2V1/2（1）F=YcH（2）

式中：----新浇筑混凝土对模板的最大侧压力（kPa）；----混凝土的重力密度（kN/m3），取=26kN/m3；t0----新浇混凝土的初凝时间（h），取t0=15h；K1----外加剂影响修正系数，掺外加剂时，取K1=1.2；K2----塌落度影响修正系数，索塔采用泵送混凝土，坍落度较大，取K2=1.15；V----混凝土的浇筑速度（m/h）；取V=1m/h；h----有效压头高度（m）。

T----混凝土入模时的温度（℃），取T=25℃；则：取二者中的较小值，作为模板侧压力的标准值。倾倒混凝土产生的水平载荷标准值取4KN/m2，砼倾倒荷载标准值取4KN/m2。总的侧压力为60.48KN/m2。

2.模板系统各构件验算

（1）模板6mm钢面板受力计算

由于次背楞为单筋布置，间距280mm，面板可简化为单向板计算，取1.0m宽为计算单元。模板截面参数力学性能：截面抵抗矩：W=bh2/6=1000×62/6=6000mm3；截面惯性矩：I=bh3/12=1000×63/12=1.8×104mm4；截面积：A=bh=1000×6=6000mm2；q0=1.0×60.48=60.48KN/m=60.48N/m；三跨等跨连续梁最大弯矩：Mmax=qL2/10=60.48×2802/10=474162N·mm；最大弯拉应力：σmax=Mmax/W=4.74×105/（6.0×103）=79.0MPa＜［σ］=145MPa，满足要求面板挠度：f=qL4/150EI=（60.48×2804）/（150×2.06×105×1.8×104）=0.666mm＜280/400=0.700mm，满足要求。

（2）次背楞[10验算

[10按280mm布置，主背楞间距为1050mm，最下端悬臂长度250mm。[10截面参数力学性能：

截面抵抗矩：W=39.7×103mm3；截面惯性矩：I=198.6×104mm4；截面积：A=12.7×102mm2；q0=0.28×60.48=16.9KN/m=16.9N/mm；跨中最大弯矩：Mmax=qL2/10=16.9×10502/10=1.86×106N·mm；最大弯拉应力：σmax=Mmax/W=1.86×106/（39.7×103）=46.9MPa＜［σ］=145MPa；次背楞挠度：f=qL4/150EI=（16.9×10504）/（150×2.6×105×198.6×104）=0.33mm＜1050/400=2.625mm，满足要求；下端最大悬臂为250mm，其弯矩：Mmax=qL2/2=16.9×2502/2=5.29×105N·mm<Mmax；f=qL4/8EI=（16.9×2504）/（8×2.06×105×198.6×104）=0.03mm＜1050/400=2.625mm

（3）主背楞2[14b槽钢验算

主背楞槽钢在高度上按1050mm布置，按1750mm间距布置Φ25拉杆，主背楞两端通过连接件使其成为整体。2[14b截面参数力学性能：截面抵抗矩：W=1.741×105mm3；截面惯性矩：I=1.219×107mm4；截面积：A=4.262×103mm2；q0=1.45×60.48=87.7KN/m=87.7N/mm；跨中最大弯矩：Mmax=qL2/10=87.7×17502/10=2.69×107N·mm；最大弯拉应力：σmax=Mmax/W=2.69×107/（2.823×105）=95.3MPa＜［σ］=145MPa，满足要求。悬臂端挠度：f=qL4/150EI=（87.7×17504）/（150×2.06×105×1.219×107）=2.2mm＜1750/400=4.375mm，满足要求。

（4）拉杆25（精轧螺纹钢）验算

拉杆横向布置间距1.7m，竖向布置间距1.05m。ø25截面参数力学性能：截面积：A=490.6mm2；拉杆受力N=1.05×1.75×60.48=111.1KN；σ=N/A=111100/490.6=226.5MPa<f=785MPa，满足要求。

（三）爬模部分的受力计算

爬架是以竖向桁架片为承载结构，操作平台为横向连接，爬架的恒载包括操作平台自重、模板自重、外架自重。在选用方案时应除了考虑体系的受力外，还要考虑杆件的受压稳定性，外架自重和操作平台自重荷载均由软件自动加载，模板的自重按150kg/m2计算，薄壁墩在长边截面布置3榀爬架，两边一共布置6榀（如图所示）。

爬架的附墙装置采用直径7cm特钢锥形钢棒，在合完模板后浇筑之前预埋，预埋件安装需要在预埋钢棒和预埋定位孔处涂抹黄油，在预埋件口皮处加设环形筋。

经过计算，每个墩柱爬架上模板重量约13.5t，后移装置、防坠装置、平台等约2.1t，合计约15.6t。人群及小型机具荷载按5kN/m2计算，经验算爬架设计能满足受力要求，附墙架安全系数为3.4，满足规范要求。

四、结论

石璧沟大桥采用液压自爬模板体系，与相对传统的爬架体系，有许多优点：液压爬模可整体爬升，也可单榀爬升，爬升稳定性好；操作方便，安全性髙，可节省大量工时和材料；一般情况下爬模架一次组装后，一直到顶不落地，节省了施工场地，而且大大减少了模板（特别是面板）的破损事件的发生。

参考文献：

[1]《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

[2]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（2015版）

[3]《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）

[4]《建筑施工计算手册》江正荣.编著

[5]《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）

[6]《液压爬升模板工程技术规程》（JGJ195-2010）

[7]《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）

[8]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）