倒棱型墩帽托架技術方法研究與應用

王文柱

（中國水利水電第十一工程局公司，河南鄭州 450000）

1 工程概況

坦桑尼亞新瓦米大橋項目為坦桑尼亞政府投資的路橋項目，包括大橋、兩側連接道路兩大部分以及舊橋修復工作。項目主體工程橋梁長度0.51 km、連接道路3.90 km。

橋梁上部為5跨預應力混凝土連續箱梁結構，下部為鋼筋混凝土擴大基礎及變截面圓形空心墩加倒棱體墩帽結構，肋板式和U形重力橋臺，中墩為單墩，采用擴大基礎，中墩為變截面圓錐體空心墩，壁厚80 cm。

P1、P4墩高19.6 m，P2墩高37.0 m，P3墩高44.1 m，墩柱底部最大外徑6 700 mm，墩頂直徑2 500 mm。墩帽為單柱支撐，從形狀上分上、下兩部分，上部分為矩形，外形尺寸5 m×7 m×1.5 m，下部分為倒棱臺，底面尺寸為2.8 m×2.8 m，上部和矩形體銜接。本項目橋梁跨度120 m，變截面圓柱空心單墩和倒棱體墩帽為國內外罕見的結構形式，施工難度較大。

2 方案比選

圓形墩柱上架設托架的基礎條件惡劣，預埋構件的后期處理較為煩瑣。設想在墩柱頂板埋設井架，以井架為依托，采用四周懸吊的方式，對倒棱體模板體系進行架設。井架的主立柱采用400 mm的方鋼，懸吊拉桿采用Φ16的鋼筋，但墩頂截面較小，橫梁所覆蓋的徑直懸吊范圍較小，采用大部分斜向懸吊時，其抗扭性能較差。

井架主柱采用多層外伸桿懸吊，改善懸吊條件時，多層外伸桿與加固桿件的交叉數量較大，墩帽鋼筋密集，在墩帽內遺留的鋼結構最多可達3 t，方案不經濟。純懸吊系統的抗扭性較差，放棄采用懸吊模板系統的方案。

預埋件受側壓力分布不均勻，為充分利用墩柱的側向位移限制作用，設計時考慮托架方案，采用長鋼柱作為托架上的橫梁。但最長橫桿大于10 m時，安裝這種橫桿仍有較大難度，如中間焊接，將影響整體強度。各橫桿整體埋入土時，會產生中間位置沖突，占用大量的混凝土體積，不利于結構的受力。經過多方面考慮，決定采用預埋件托架、托架間加斜撐加固、配梁分布荷載、桁架支撐以及拉桿對拉約束側移方案。

3 托架設計

對墩頂2.5 m范圍內的8個方向進行布置，將混凝土澆筑在墩柱頂部500 cm處，使之成為墩頂實心段，作為墩柱的底模，增加托架最上一排梁的底座厚度。墩帽為倒棱臺結構，為了保證模板系統的抗壓、抗扭及抗傾覆能力，建議使用內拉外托支撐。

外三層采用型鋼三角托架，上架設鋼管架作為倒棱體的底部支撐單元，外三層通過水平拉桿固定于臺帽下部斜面。通過水平拉桿固定上部直面部分，各個桁架間用鋼管連接，使桁架間形成一個整體結構，防止墩帽扭轉。為了便于安裝、拆卸、周轉，型鋼三角托架支撐預埋于墩柱預埋件上，三角托架采用銷軸連接，4個型鋼支撐采用橫梁連接，構成桶架內支撐機構。

下倒棱部分采用圓鋼斜拉桿，通過桶架支撐對拉，直面部分采用直拉桿對拉；完成兩兩三角支架的安裝校正，利用斜撐對拉簡易加固，全部完成加固后進行整體加固，使圍繞墩柱四周的支座結構滿足承載要求。將整個托架系統鎖定，避免傾斜；模板支架采用鋼管架體系，鋼管架以桁架形式支撐模板后波紋板，管架放在下式鋼托架上，縱橫波紋板采用10 cm×10 cm方木雙管系統。管桁結構各面之間相互連接，構成一個牢固的模板支撐系統。

3.1 材料要求

（1）模板面板選用15 m厚雙覆面膠合板。

（2）方木選用10 cm×10 cm方木。

（3）腳手架鋼管采用Φ48×3.5木模鋼管。

（4）Φ16 mm拉桿，采用Φ16 mm絲桿。

（5）托架支撐體系采用型鋼材料，三腳架采用200 mm槽鋼對扣成矩形截面組合型鋼，三腳架分配梁采用254 mm的工字鋼。

3.2 托架體系的結構形式

（1）預埋件。

預埋件采用圓弧鋼板和錨筋連接的底座，在底座上焊接雙耳板，在耳板上設銷孔。

（2）托架。

采用三角形托架形式，4個邊角規格比4個正面的三角托架大，邊角跨度大，采用2個斜撐；正面的三角托架采用一個斜撐，三角托架的上橫梁（懸臂梁）受到的拉力較大，采用耳板直接埋在混凝土里面，基座鋼板起到錨板的作用，為了保證混凝土順利流動，在耳板上開孔以便使混凝土流動。

（3）分配梁。

分配梁采用245 mm的英標工字鋼，在托架上封圈排列布置。

（4）鋼管桁架及模板設計。

鋼管桁架之間以及各面的桁架之間通過橫桿相互連接，在桁架一側設平作平臺。

（5）拉桿設計。

考慮混凝土的側向推力，在模板中設水平和斜向拉桿抵抗混凝土的側向推力，使托架免受混凝土水平推力帶來的遠端偏壓，減少偏壓帶來的托架構件內力增加，特別是托架上橫桿預埋件處的拉力。為了發揮拉桿的受力性能，對應桶架的中心部分的拉桿，考慮通過或桶架的橫梁改變拉桿角度，使拉桿方向盡量可能地與模板垂直，桶架以外的斜棱部分只設平拉桿。

4 有限元分析

4.1 模型建立

采用midas力學分析軟件，采用有限元分析的方式，輸入材料性能參數、邊界條件和荷載，建立力學模型。自動生成各個節點的應力和變形數據，墩帽托架模板體系及拉桿模型如圖1所示。

圖1 墩帽托架模板體系及拉桿模型

4.2 結果分析

按照英國BS規范要求，評估托架的力學可行性。分次澆筑和一次澆筑兩種施工的托架，均滿足Q235鋼的屈服強度1/2（117.50 MPa）的力學性能要求

分次澆筑后各結構性能指標統計如表1所示，一次澆筑各結構性能指標統計如表2所示。

表1 分次澆筑后各結構性能指標統計

表2 一次澆筑各結構性能指標統計

一次澆筑安全系數較高，符合英國規范的要求，二次澆筑略欠一些，符合中國規范。

5 實際應用效果驗證

在墩帽模板周圍設置沉降觀測點，托架系統在澆筑過程中的沉降值最大為1 mm，澆筑過程未出現異常響動，構件未出現偏移、變形、傾斜等現象；焊接處未出現裂紋、斷開現象。該模板體系性能穩定，強度、剛度、穩定性滿足施工要求，4個墩承臺采用托架施工，施工過程平穩無異常。

6 結語

本托架支撐系統設計充分利用拉桿效應，僅靠托架托舉會受鋼管架傾覆力矩的影響，造成外側點位荷載過大，使底部桿件中的應力超標；僅用吊拉托箍、不用外托箍時，澆筑混凝土易使支撐體系發生扭轉。建立外托內拉托舉體系，保證豎向荷載和側壓作用下的承載能力以及支撐體系的抗扭性能。托架支撐系統施工時，倒棱體面鋼管支撐架比較稠密，此處的0#塊支撐預埋件需要在簡易支撐后埋設并割除耳板部分，拆模后再焊接，否則在鋼管架搭設后無法安裝。耳板在焊接時應在銷軸狀態下進行定位焊接，否則難以對焊板孔，采用吊線方法保證耳板上下對照，以免影響三角托架安裝。