泗溪大桥高墩模板的设计与计算

1泗溪大桥高墩模板的设计与计算[摘要]高墩现浇混凝土施工，混凝土现浇模板质量和安全必须引起足够的重视。应用有限元软件对翻模施工模板的强度和稳定性进行验算，得出高墩模板结构各个部件的力学数据，模板制作工艺达到质量要求，翻模施工操作严格按国家规定的操作规程，对提高桥墩的工程质量和安全起到了重要作用，工程施工质量良好，安全可靠，收到了较好的效果，发挥了显著的经济效益。[关键词]高墩模板；有限元；强度；稳定性；设计计算1工程概况文成县新56省道接南田公路工程泗溪大桥起讫桩号为K1+799～K2+225，桥上部结构为先简支后连续的14×30m装配式预应力砼T梁，基础及下部结构0#、14#桥台均采用重力式U台，扩大基础，3#～11#主桥墩采用矩形空心薄壁墩群桩基础，1#、2#、12#、13#桥墩采用桩柱式桥墩,最高墩为61.3m。本桥平面位于180m小半径曲线段上，桥面总宽度为11.5米。主高墩为6.0m×2.6m矩形空心薄壁墩，采用定型模板翻模分段施工，设置三套定型翻模模板、每节模板高度为1.5米,钢筋及模板的吊装均采用塔式起重机吊运，混凝土采用搅拌运输车水平运输和塔吊吊装漏斗垂直运输，插入式振动器振捣，塑料薄膜或土工布覆盖养护、顶部采用麻袋湿水及洒水养护措施。主桥墩施工施工中，对模板进行专门设计计算，确保了工程质量和施工安全（图1）。图1矩形空心薄壁主墩和翻模模板图2主墩模板结构和施工方法2.1主墩模板结构2主墩模板为定型模板翻模（图2），面板采用6mm厚钢板，加劲骨架采用5×80mm角铁，水平间距为30cm，并与面板满焊。横肋采用10#槽钢制作，间距为90cm。模板每套高度为1.5m，总设置为3套，定型模板竖向缝隙拼装后及上、下套模板拼装完成后，每套模板间为Φ30高强螺栓连接，模板拼缝均采用密封条密封。图2薄壁主墩单节模板结构图2.2模板翻升施工方法墩身翻模有三套定型钢模板组成，每套钢模板高度为1.5m，模板总高度4.5m。墩身混凝土每第一次浇筑应浇满第1～2节段模板，即3.0m的浇筑高度。然后每次至墩顶采用翻模浇筑，高度为2套模板，即3.0m的浇筑高度。翻模时，保留顶层一套的模板，作为翻升上层模板的持力部分，然后采用塔式起重机配合将下一套模板拆除，翻升至顶层一套模板上方相应的平面位置上，并予以校正联接固定。照此循环交替翻升，直至完成整个薄壁空心墩承台墩身的施工。主墩模板的布置与施工操作程序均应按照模板的施工设计及技术措施的规定进行。模板使用前，应进行预拼装，对各部位几何尺寸、平整度作严格检查。正确无误后方可进行立模，每次安装前将模板表面及接缝处清理干净，表面用脱模油涂抹均匀。模板用塔吊提升与安装，操作工人在操作平台上施工。在起吊模板前，要根据编号，按拼装先后顺序把模板运到墩下。吊装模板应由专人指挥，防止模板在起吊过程中晃动过大与墩身或脚手架碰撞，同时严禁墩下和起吊范围内站人，以确保安全。安装模板时，平台上要至少两名模板工，在模板起吊到安装高度时，用特制的钢筋拉勾把模板拉向墩身，工人分站模板两侧，用手扶持钢模与持力模板联接，固定好对拉螺杆。如此反复循环至到安装好一层模板后，再安装上一层模板。模板安装好后，对其轴线位置、水平标高，各部分尺寸、垂直度进行检校，直到符合设计及规范要求。高墩施工最主要的是垂直度及标高的控制，本工程采用全站仪与水准仪逐层控制模板的四3角坐标、垂直度及高程。待混凝土强度达到2.5Mpa以上时即可拆模，顶面上面一套模板不动作为下次翻模的承重模板，将下面2套模板拆除翻到上方。拆模前先将联接螺杆抽出，为方便施工，下面1套模板每一侧联成整体直接用吊机吊至立模部位。拆模有两名木工配合进行，先在需拆除的模板上挂上吊钩，再松动螺栓，在只剩2个螺栓时，由一人扶持模板，一人拆除螺栓，防止模板突然脱落。在模板离开墩身后，也要用拉勾拉住模板慢慢放开，防止模板晃动过大撞击墩身。混凝土采用拌合站集中拌制，分层均匀对称浇筑，分层厚度30cm，并充分振捣密实。墩身第一节段施工时必须复核平面位置，若因承台施工造成墩身预埋钢筋移位而影响立模平面位置，必须调整至规范允许范围内。第一节段主筋绑扎前，必须将模板对拉杆位置放出，并提前调整主筋保证主筋不挡住对拉杆位置，然后才绑扎其它钢筋。混凝土浇筑过程中，严禁晃动钢筋骨架。3主墩模板结构计算模板的计算依据为《建筑施工手册》（第四版）和有关国家和行业标准设计计算。3.1模板参数3.1.1模板面板参数模板面板为钢面板，面板厚度6mm，面板弹性模量为210000.00N/mm2，面板抗弯强度设计值fc=205.00N/mm2，面板抗剪强度设计值为1.50N/mm2。3.1.2背楞参数计算长度6m背楞材料为Q235钢材，双拼28c槽钢；计算长度2.6m背楞材料为Q235钢材，双拼12#槽钢。3.1.3.背肋参数计算长度1.5m背肋材料为Q235钢材，10#槽钢。3.2模板荷载主墩模板承受荷载为主要为侧压力面荷载，由以下部分组成：(1)新浇混凝土作用于模板的最大侧压力，按下列公式计算，并取其中的较小值:VtFc2122.0……………………………………(1)或HFc……………………………………(2)式中c——混凝土的重力密度，取24.000kN/m3；t——新浇混凝土的初凝时间，可按现场实际值取，输入0时系统按200/(T+15)计算，得5.714h；4T——混凝土的入模温度，取20.000℃；V——混凝土的浇筑速度，取3.00m/h；H——模板计算高度，取3.000m；β1——外加剂影响修正系数，取1.000；β2——混凝土坍落度影响修正系数，取1.000。由式（1）、式（2）计算的新浇筑混凝土对模板的最大侧压力F分别为52.256kN/m²、144.000kN/m²，取较小值52.256kN/m²作为本工程计算荷载，即新浇混凝土侧压力标准值q1=52.256kN/m²，呈三角形分布。(2)根据规范，当采用容量为大于0.8m3的运输器具时，倾倒混凝土产生的荷载标准值为q2=6.00kN/m2。(3)振捣混凝土时会对模板产生侧压力荷载，本工程取q3=4.0kN/m²主墩模板混凝土侧压力由以上三项组成，呈梯形分布。因主墩模板为两节共3.0m拼装的，因此第二节其底部与第一节顶部荷载设计值为：第一节模板顶部：qⅠ=1.4×0.9×(q2+q3)=1.4×0.9×(6+4)=12.6kN/m²第二节其底部模板底部：qⅡ=1.2×0.9×q1+1.4×0.9×(q2+q3)=1.2×0.9×52.256+1.4×0.9×(6+4)=69.04kN/m²则第二节模板顶部荷载为：qⅢ=(69.04+12.6)/2=40.82kN/m²式中0.90为按《施工手册》取用的临时结构折减系数。3.3主墩计算模型主墩模板采用大型通用有限元软件ANSYS进行建模计算。背肋、背楞采用BEAM188梁单元模拟，面板采用SHELL63壳单元进行模拟。3.3.1计算模型图3为主墩模板的计算模型图，图4为整体荷载分布平面图，图5为整体荷载分布立面图。5图3计算模型模板四个面均承受梯形压力荷载，荷载布置图如下：图4整体荷载分布平面图（彩色箭头为面压力，单位N/m²）图5整体荷载分布立面图（彩色箭头为面压力，单位N/m²）3.3.2计算结果经计算，在前述压力荷载设计值作用下，结构整体的应力分布状况如下图6。6图6整体模板应力图（N/m²）1）主墩模板面板的计算（1）面板强度验算在压力荷载设计值作用下，经计算，面板的应力云图如图7。图7面板应力云图(N/m²)由计算结果可见，面板的最大应力计算值σ=83.1N/mm²；面板的最大应力计算值σ=78.7N/mm²小于面板的抗弯强度设计值[σ]=83.100N/mm²，满足要求。（2）面板抗剪验算由计算结果可见，面板截面受剪应力计算值:τ=28.7N/mm²；面板截面抗剪强度设计值:[fv]=150.0N/mm²；面板截面的受剪应力：τ=28.7N/mm²，小于面板截面抗剪强度设计值[fv]=150.0N/mm²，满足要求。（3）面板挠度验算7由计算结果可见,面板最大挠度为ω=13.9mm面板最大容许挠度:[ω]=5000/250=20mm；面板的最大挠度计算值ω=13.9mm小于面板最大容许挠度设计值[ω]=20mm,满足要求。2）模板背楞计算(1)6m背楞强度验算由计算结果可见，背楞的最大应力计算值σ=159.0N/mm²；背楞的最大应力计算值σ=159.0N/mm²小于背楞的抗弯强度设计值[σ]=205.000N/mm²，满足要求。因背楞侧向有可靠支撑，总体稳定性不需计算。(2)6m背楞挠度验算由计算结果可见，背楞最大挠度为ω=13.4mm背楞最大容许挠度:[ω]=6000/250=24mm；背楞的最大挠度计算值ω=13.4mm小于背楞最大容许挠度设计值[ω]=20mm,满足要求。3）2.6m背楞计算(1)2.6m背楞强度验算由计算结果可见，背楞的最大应力计算值σ=113.0N/mm²；背楞的最大应力计算值σ=113.0N/mm²，小于背楞的抗弯强度设计值[σ]=205.000N/mm²，满足要求。因背楞侧向有可靠支撑，总体稳定性不需计算。(2)2.6m背楞挠度验算由计算结果可见，背楞最大挠度为ω=2.22mm背楞最大容许挠度:[ω]=1500/250=6mm；背楞的最大挠度计算值ω=2.22mm小于背楞最大容许挠度设计值[ω]=6mm,满足要求。4）1.5m背肋计算(1)1.5m背肋强度验算由计算结果可见，面板的最大应力计算值σ=149.0N/mm²；背肋的最大应力计算值σ=149.0N/mm²小于面板的抗弯强度设计值[σ]=205.000N/mm²，满足要求。因背肋侧向有可靠支撑，总体稳定性不需计算。(2)1.5m背肋挠度验算由计算结果可见，面板最大挠度为ω=13.5mm背肋最大容许挠度:[ω]=6000/250=24mm；背肋的最大挠度计算值ω=13.5mm小于面板最大容许挠度设计值[ω]=20mm,满足要求。85）联接件计算每个角点的联接件采用2个M30普通螺栓，单个螺栓抗拉承载力设计值为112.46KN。联接件将两个方向的背楞连接起来，承受背楞两端的反力。背楞承受最大线荷载为39.88KN/m,背楞长6m。螺栓与背楞呈45°相交，则每个连接螺栓所承受轴拉力为：T=(39.88×6/2)×1.414=169.2KN可见螺栓所承受拉力169.2KN小于其抗拉承载力设计值2×112.46=224.9KN，满足计算要求。6）上下模板连接螺栓计算上下模板通过通过M16普通螺栓连接，螺栓承受剪力作用。螺栓间距300mm，拼接钢板厚度为5mm，宽150mm。C级M16普通螺栓抗剪承载力设计值为140N/mm²，有效面积为156.7mm²；5mm厚Q235钢板的孔壁承压强度为305N/mm²在该连接处混凝土的侧压力为40.82kN/m²，连接处的承压高度为两节模板相邻背箍距离的一半，即（250+250）/2=250mm，因此连接处的线荷载为：40.82×0.25=10.205kN/m，故每个螺栓承受的剪力为：10.205×0.3=3.062kN（1）螺栓抗剪承载力验算τ=3062/156.7=19.54＜140N/mm²，故螺栓抗剪承载力满足要求。（2）承压承载力验算f=3062/(16×5)=38.28＜305N/mm²，故连接处孔壁承压承载力满足要求。4结语（1）高墩现浇混凝土施工，安全是第一位的。根据Hadipriono.Wang对美国85起工程事故的分析表明，有49%的工程事故发生于混凝土浇筑期，因施工设计错误而导致的工程事故占到工程总事故的50%以上，其中模板部件的故障引起工程事故4起，占4.7%。可见混凝土现浇模板质量和安全不可忽视，必须引起足够的重视。（2）本工程应用有限元软件，得出高墩模板结构各个部件的力学数据，模板制作工艺达到质量要求，翻模施工操作严格按国家规定的操作规程，是工程施工安全的重要保障。（3）通过翻模施工模板的强度和稳定性验算，对提高桥墩的工程质量和