多曲面混凝土橋塔鋼模板設(shè)計(jì)方法探究

王 兵

[上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200333]

1 項(xiàng)目背景

朝陽大橋主橋主跨采用六塔七孔單索面矮塔斜拉橋方案。朝陽大橋的橋塔造型是書法“合”字的變形，將古樸的小篆“合”字線條加以柔化，整體造型曲線柔和、生動(dòng)流暢而不乏力量，中空的設(shè)計(jì)使光線與空間很好地融合，體現(xiàn)出崇尚海納百川、包容萬象的理念。其設(shè)計(jì)理念見圖1，但異形結(jié)構(gòu)也大大提高了施工的難度。

圖1 朝陽大橋墩塔設(shè)計(jì)理念

朝陽大橋主橋共設(shè)置6個(gè)塔柱，結(jié)構(gòu)上兩兩對稱，均采用混凝土結(jié)構(gòu)。下塔柱整體上順橋向?yàn)椤癥”字造型，橫橋向?yàn)椤肮ぁ弊衷煨?。下塔柱在橫、縱橋向均有曲面存在，且空間展開尺寸較大，采用分段澆筑方式進(jìn)行實(shí)施。上塔柱為等高橋塔，塔高45m，橫橋向尺寸為3（塔頂）～5m（塔梁結(jié)合處），順橋向造型為倒Y型，塔柱截面為梯形截面，在0#塊以上首先為兩肢結(jié)構(gòu)，在上部合二為一。為突出造型，截面上采用較多的圓弧漸變，各截面拓?fù)潢P(guān)系雖然較為接近，但尺寸相去甚遠(yuǎn)，不能采用傳統(tǒng)的滑?；蛘吲滥Ｊ┕し椒?。鑒于矮塔斜拉橋塔柱高度較常規(guī)斜拉橋小，采用分段鋼模板澆筑的方法進(jìn)行實(shí)施，其三維建模圖見圖2。

圖2 塔柱三維模型圖

2 鋼模板比選

普通組合鋼模板與大塊定型鋼模板優(yōu)缺點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）加工難度比較

普通組合鋼模板尺寸小，可將彎曲程度較高部位分解為多塊鋼模板制成，單塊加工難度較小。大塊定型鋼模板往往采用大塊鋼板進(jìn)行制作，在單塊鋼板上控制點(diǎn)較多，對模具和鋼板成型要求較高，加工難度要高于普通組合鋼模板。

（2）安裝難度比較

模板加工完畢后，運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行安裝。安裝難度主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：

首先，吊裝重量是否對吊裝設(shè)備有較高要求；其次，拼裝后是否容易滿足拼裝精度要求，在模板數(shù)量較多的情況下，容易產(chǎn)生拼裝誤差累計(jì)傳遞的情況，模板拼裝后腔內(nèi)形狀精度較難控制。最后，大塊定型鋼模板拼縫較少，操作簡單，人工需求量較少；普通組合鋼模板在施工時(shí)需要一塊一塊進(jìn)行拼接、測量找平，對人工和技術(shù)要求程度較高。

（3）構(gòu)件成型質(zhì)量比較

這主要體現(xiàn)在形狀偏差和外觀質(zhì)量兩個(gè)方面。普通組合鋼模板內(nèi)腔尺寸控制精度低，且接縫較多，整體剛度低，增加了澆筑構(gòu)件尺寸不可控的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也增加了表面不平整的風(fēng)險(xiǎn)，而大型定型鋼模板相對較好。

（4）對工期影響

相對于普通組合鋼模板，大塊定型鋼模板雖然對起吊設(shè)備要求較高，但吊裝次數(shù)、組裝工序和拆除工序較少，可提高模板施工效率，能夠顯著減少工期。通過對比可以看出，除在加工難度上，大塊定型鋼模板優(yōu)于普通組合鋼模板。

3 大塊定型鋼模板設(shè)計(jì)方法

對于多曲面混凝土橋塔，模板設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要是由橋塔空間高度翹曲引起的，主要體現(xiàn)在模板面型表達(dá)困難、設(shè)計(jì)調(diào)整與優(yōu)化困難、模板構(gòu)件設(shè)計(jì)困難3個(gè)方面。

（1）模板面型表達(dá)困難

下塔柱與上塔柱設(shè)計(jì)構(gòu)型較為復(fù)雜，見圖3。例如，下塔柱縱橋向視圖中的挖空由圓弧線與直線構(gòu)成，但橫橋向視圖中曲面兩邊又被橢圓線與圓弧線分割；上塔柱外緣線為圓弧線，內(nèi)緣線為兩段圓弧線拼接而成，分肢內(nèi)側(cè)又由拋物線構(gòu)型。剖面圖中又可以看出，以上線形僅為總體控制線性，截面上又存在漸變的多段圓弧線倒角，各面難以通過簡單公式進(jìn)行表達(dá)。

圖3 塔柱空間曲面分析

（2）設(shè)計(jì)調(diào)整與優(yōu)化困難

在模板設(shè)計(jì)中需要經(jīng)過多次分割調(diào)整，宜優(yōu)化模板設(shè)置。若每次均通過計(jì)算得到分割位置，則計(jì)算工作量非常巨大，也容易產(chǎn)生錯(cuò)誤或者疏漏，影響模板的制作與安裝，甚至造成返工，帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。

（3）模板構(gòu)件設(shè)計(jì)困難

模板上的縱橫鋼帶加勁肋、連接孔板和背枋加勁等，均基于曲面形狀向外部拓展延伸，在模板面型表達(dá)復(fù)雜的情況下，難以進(jìn)行模板構(gòu)件的精確設(shè)計(jì)，影響各構(gòu)件組裝精度。

4 設(shè)計(jì)方法的提出

已有工程實(shí)踐借鑒BIM信息模型思想，采用三維模型的方法，不僅能夠應(yīng)用于模板的設(shè)計(jì)，還可以控制模板的加工、制造與放樣。三維模型技術(shù)現(xiàn)多應(yīng)用于對構(gòu)件精度要求較高的鋼橋的加工制作，將其引進(jìn)模板設(shè)計(jì)，是適應(yīng)異形結(jié)構(gòu)模板加工的最佳方法，也是未來發(fā)展的趨勢。三維模型建立中須遵守的規(guī)則如下：

（1）必須保證其準(zhǔn)確性

對于異形構(gòu)件來說，模型信息作為一切信息的基礎(chǔ)信息，必須保證其準(zhǔn)確與精確性。在這個(gè)過程中，一方面應(yīng)采用功能強(qiáng)大的模型軟件，另一方面應(yīng)嚴(yán)格控制模型的制作與修訂過程。

（2）實(shí)現(xiàn)分割、映射等功能

對于三維模型，能夠?qū)崿F(xiàn)分割、映射等功能，便于信息模型轉(zhuǎn)換為多個(gè)關(guān)鍵的可接受的二維信息模型，便于模板設(shè)計(jì)、制作、安裝與校驗(yàn)。

（3）嵌入安裝過程

在建立模型時(shí)，應(yīng)考慮模板安裝過程，實(shí)現(xiàn)施工過程的可視化，施工過程信息需涵蓋時(shí)間、方式等信息，避免出現(xiàn)由于安裝順序?qū)е碌臉?gòu)件沖突無法擺放等情況。

（4）便于操作

無論采用何種軟件進(jìn)行建模，必須能夠?qū)崿F(xiàn)操作的便利化。

5 塔柱鋼模板設(shè)計(jì)（以下塔柱為例）

5.1下塔柱模板總體設(shè)計(jì)

主橋下塔柱采用分段澆筑的方式進(jìn)行，每次澆筑時(shí)均需保留前一澆筑段模板，以便于待澆筑段模板的立模。待達(dá)到脫模強(qiáng)度后，拆除相應(yīng)模板倒用至另一個(gè)墩身施工。模板的總體設(shè)計(jì)圖見圖4。

圖4 下塔柱模板總體設(shè)計(jì)圖

5.2 下塔柱模板材料選用

模板翹曲度多樣，因此宜選用剛度較小的鋼板。為提高鋼板面外剛度，可采用橫縱鋼帶?？紤]模板尺寸較大，僅采用橫縱鋼帶并不能滿足剛度要求，因此增設(shè)槽型鋼背枋。對于支撐桁架，則采用剛度較大的工字鋼。模板材料構(gòu)成，見圖5。

圖5 模板材料構(gòu)成圖

5.3 模板設(shè)計(jì)（以第三澆筑段為例）

下塔柱墩身模板共分為4個(gè)澆筑段[1]：第一澆筑段（高度為3m）、第二澆筑段（因各塔柱高度不同進(jìn)行變化，共有3種，即8.377m、6.961m、5.461m）、第三澆筑段（高度為6m）、第四澆筑段（高度為7m）。下面以第三澆筑段為例進(jìn)行模板設(shè)計(jì)介紹。

結(jié)合加工、運(yùn)輸和安裝的需求，單塊模板高度設(shè)計(jì)不宜大于3m。模板由橫橋模、順橋模等組成，面板采用8mm鋼板，連接鋼帶采用t12×100扁鋼，加強(qiáng)槽鋼采用[10槽鋼，加強(qiáng)筋板采用t10mm鋼板，背架由[16的槽鋼、t8mm的封端板組焊而成，材料均采用Q235級(jí)鋼材，橫橋向與順橋向均設(shè)置有對穿拉桿，模板拉桿采用φ32精軋螺紋鋼，模板之間連接螺栓采用M20×60高強(qiáng)螺栓及配套螺母，對穿欄桿間距為1.2m，見圖6。

圖6 對穿拉桿布置圖

6 多曲面混凝土橋塔鋼模板理論計(jì)算方法

6.1 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

由于模板空間特性顯著，傳統(tǒng)的計(jì)算分析方法難以滿足復(fù)雜的計(jì)算需求，因此必須建立特殊的計(jì)算思路與方法。

（1）模擬方式

模板體系和局部構(gòu)件的模擬需區(qū)分其受力方式，分別采用不同的方法進(jìn)行簡化。對于空間構(gòu)型最為復(fù)雜的下塔柱，需要采用三維建模方式。針對鋼板、背枋、拉桿，應(yīng)當(dāng)采用不同的單元進(jìn)行模擬：鋼板采用空間殼單元，背枋采用空間梁單元，拉桿采用桿單元。而上塔柱由于空間構(gòu)型較簡單，受力較明確，計(jì)算中區(qū)分受力最不利的構(gòu)件，對不同受力的構(gòu)件進(jìn)行剝離，采用簡化的計(jì)算方法。

（2）加載方式

分析計(jì)算時(shí)，應(yīng)全面考慮模板體系在施工全過程中承擔(dān)的荷載種類和取值標(biāo)準(zhǔn)。然后考慮荷載在施工周期中的加載區(qū)間進(jìn)行不利荷載的組合。組合過程中也應(yīng)兼顧計(jì)算的復(fù)雜程度，把握主要受力工況進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)分析，加載主要考慮結(jié)構(gòu)重力、混凝土流塑壓力、模板上作用的臨時(shí)機(jī)械作用等。

（3）計(jì)算軟件選取

計(jì)算軟件應(yīng)具有強(qiáng)大的空間受力分析能力，涵蓋各類單元模擬的單元類型，分析軟件需具備強(qiáng)大的前處理功能。綜合模板空間計(jì)算的要求，下塔柱計(jì)算選用Solid Works軟件。

（4）驗(yàn)算內(nèi)容

根據(jù)模板設(shè)計(jì)的基本原則，必須保障結(jié)構(gòu)的安全和混凝土的澆筑質(zhì)量，即模板必須受力安全、變形滿足混凝土結(jié)構(gòu)偏差需求，因此主體驗(yàn)算內(nèi)容為構(gòu)件應(yīng)力和變形。

6.2 鋼模板計(jì)算（以第三澆筑段為例）

（1）模型建立

使用Solid Works軟件對第三澆筑段建立三維模型[2]，對細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，去掉一些對受力驗(yàn)算影響不大的特征與零部件，并考慮到簡化后的模型具有對稱性。為減少計(jì)算量、提高計(jì)算精度，實(shí)際操作時(shí)采用1/4模型進(jìn)行分析，模型網(wǎng)格總數(shù)為449661個(gè)。節(jié)段模板承受荷載主要來自混凝土側(cè)壓力，其次來自模板自重。根據(jù)混凝土澆筑時(shí)第三澆筑段模板的工況對驗(yàn)算模型給予約束：模板下端面施加固定約束，由于只建立1/4模型，故模板對稱面上施加對稱約束。所有約束與荷載施加完畢后的模型圖見圖7。

圖7 第三澆筑段模板邊界條件

（2）驗(yàn)算結(jié)果

從圖8中可以看出，第三澆筑段的最大應(yīng)力為518.99MPa，出現(xiàn)在橫橋模板橫向加強(qiáng)筋板位置。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，此應(yīng)力為局部應(yīng)力，大部分應(yīng)力在140MPa以下，在澆筑過程中，最大位移為4mm，出現(xiàn)在模板橫橋模面板正中央部位，變形較小。

圖8 第三澆筑段模板應(yīng)力圖

通過計(jì)算，設(shè)計(jì)的模板結(jié)構(gòu)在使用過程中的許用應(yīng)力均不大于[σ],強(qiáng)度滿足要求，模板變形、支架、拱架撓度變形量等均不大于L/400，面板變形不大于1.5mm，剛度滿足要求，模板設(shè)計(jì)合理，滿足施工需求。

7 結(jié) 語

多曲面混凝土橋塔由于空間曲面較多，為鋼模板的設(shè)計(jì)帶來了較多的困難。本文通過對加工難度、安裝難度、構(gòu)件成型質(zhì)量、工期影響、經(jīng)濟(jì)性等內(nèi)容進(jìn)行比較，確定了大塊定型鋼模板在多曲面混凝土橋塔中的適用性。

通過對異形結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢進(jìn)行探討，借鑒BIM中的信息模型思想，將三維模型引入模板設(shè)計(jì)過程中，并對模型中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討，通過建立三維模型，充分考慮結(jié)構(gòu)安全、成型質(zhì)量和施工便利等因素，進(jìn)行了各節(jié)段的模板設(shè)計(jì)工作。最后建立了多曲面混凝土橋塔鋼模板設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法，對設(shè)計(jì)成果進(jìn)行了檢驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)可靠。本文研究形成了模板比選、設(shè)計(jì)、驗(yàn)算為一體的模板設(shè)計(jì)體系，可為類似工程提供參考、借鑒。