矮塔斜拉橋混凝土外傾塔柱模板自穩定措施分析

許杰,陳勇,張永貴

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

隨著時代的進步,當今市政橋梁的外形向著美觀輕盈的方向發展。在大跨徑斜拉橋梁中,其墩（或塔）柱多設成A形、人形、Y形或倒Y形,這類結構一方面增加了建筑物的美感,另一方面則對施工質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；塔頂每肢橫橋向寬度為3m,縱橋向寬6m,兩主橋塔外形保持一致。上塔柱截面形式分為兩部分,即上塔柱有索區和上塔柱無索區。上塔柱有索區橫橋向壁厚0.7m,順橋向壁厚0.8m；上塔柱無索區橫橋向壁厚0.9m,順橋向壁厚1.4m。本文主要針對上塔柱無束區段施工控制進行分析、介紹。

眾所周知,用以克服外傾塔柱產生的外傾力的施工方法有很多,如鋼絲繩對拉施工、預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,我們決定在傳統的翻模施工工藝基礎上,增多外傾面塔柱模板支點、固結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,以及從已澆節段根部斜拉出來的拉桿,幾方面共同保證結構施工質量與安全。

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約成本。為克服自重產生的外傾力,我們在模板系統剛度一定的情況下增加了支撐點,兩端固結,中間有4根斜拉桿。同時用對拉桿克服混凝土側壓力,內模用槽鋼焊接形成整體,詳見圖2、圖3。

驗算分析的條件如下：分段澆筑高度定為3m,無束區塔柱模板需克服兩種工況的共同作用：3m高度形成的側壓力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，對兩種工況進行了分析。

計算荷載（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,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,取1.15；

按《公路橋涵施工技術規范》

Pmax=0.22XΥXt0XK1XK2Xv1/2 代入數據,則

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

計算荷載（工況2）：

由圖4可知,只有陰影部分塔柱才會產生外傾力。

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

面板強度計算（工況1）：

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

現取1mm寬的板條作為計算單元,荷載q為：q=31 kPaX0.001m=31N/m=0.031N/mm

面板的截面系數：W=1/6bh2=1/6X1X62=6mm3

則面板的應力為：σ1=Mmax/W=279/6=46.5MPa。撓度驗算：

面板強度計算（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：

由于面板的強度和剛度都達到要求,因此以下計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,利用有限元結構分析軟件空間模擬實際工況：

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）有4個,大背楞兩端是固結在垂直面模板上,中間兩個支點是由對拉桿提供。

通過以上分析可知：

背楞的最大應力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作用的支撐條件變為6個。大背楞兩端仍固結、中間增設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：

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

綜上所述,背楞最大應力σmax=σ1max+σ2max=119+38=157MPa

由于在計算外傾力時考慮了整個3m段混凝土的自重,所以計算模擬相對有很高的安全系數,通過對上塔柱實際成型觀測，證明這種施工工藝是可行的,同時,在實施過程中及對最終成型塔柱的復核,驗證了本措施的可靠性,滿足設計及相關規范要求。

[1]JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].

[2]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].