景觀橋梁異形墩柱模板施工安全分析

焦馳宇， 張湘卓， 盧長炯， 趙福元

(1.北京建筑大學， 北京未來城市設計高精尖創新中心， 北京 100044； 2.同濟大學, 土木工程防災國家重點實驗室， 上海 200092； 3.北京建筑大學， 工程結構與新材料北京高等學校工程研究中心， 北京 100044； 4.北京建筑大學, 北京節能 減排關鍵技術協同創新中心， 北京 100044； 5.北京市市政六建設工程有限公司， 北京 100023)

城市景觀橋梁設計中，由于梁式橋上部結構造型較為單調，對行人視覺上的沖擊較小，于是橋墩的造型在橋梁景觀性提升上便有了其獨特的使命。流線形橋身往往與水浪等相關寓意契合形成優美的造型體系，與之呼應就需要采用流線形或其他造型優美的橋墩，以便于達到良好的整體效果。因此，造型優美的異形橋墩受到越來越多橋梁設計師的親睞，如河南省南陽市雪楓大橋、廣西壯族自治區桂林市南洲大橋。

一般而言，雖然經過良好設計，但是因為模板支撐體系連接的復雜性，橋墩施工過程中模板坍塌事故屢見不鮮。如洛湛鐵路茂名段橋墩模板坍塌事故造成1人死亡、3人受傷[1]，天興洲大橋橋墩模板坍塌事故造成1人死亡、4人受傷[2]，貴廣鐵路北江特大橋西引橋橋墩坍塌事故造成1人死亡、7人受傷[3]。這些事故給國家帶來了極大的經濟損失，嚴重威脅到人民的生命安全。由此眾多學者關于建筑模板施工安全問題展開了研究，對于模板坍塌事故的成因，Haduong等[4]分析了1984—2016年的435起模板坍塌事故，發現其重要原因與模板設計和模板施工不規范有關。而在模板設計中，新澆混凝土側壓力作為控制模板支架體系受力的重要參數，各國規范對其計算取值有著不同的規定，劉莉等[5]和李文廣[6]進行了混凝土模板側壓力試驗，驗證了現行模板規范中的側壓力計算公式并得出混凝土坍落度、澆筑速度和振搗方式是影響模板側壓力大小的重要因素。此外，在利用數值模擬預測施工中可能出現的危險情況上，黃志強等[7]對某圓形橋墩模板支架體系應用有限元軟件進行數值模擬并且進行現場實測,驗證了數值模擬方法的可行性。

以上研究多以常規混凝土模板體系為背景，然而，因為造型復雜，支撐和傳力不協調，對于異形墩柱模板體系容易出現以下幾類問題。

(1)模板組成部件種類多、數量大，較高的整體性要求導致其連接關系復雜繁多。

(2)橋墩中部懸空，雖可看作是非規則的雙柱系梁結構，但弧形斜腿跨越結構對模板及支架承載及傳力體系要求高。

(3)多種荷載聯合作用于模板體系，荷載組合工況需謹慎考慮。

基于此，對某景觀橋梁異形墩柱模板進行施工安全分析，以期通過對模板支架體系的整體有限元對比計算研究分析研究，對施工安全評價開展系統性研究，以期通過精細化有限元分析，結合現行規范，更加科學地指導異形橋墩的安全施工。

1 工程概況及異形墩柱模板特點

1.1 工程概況

某景觀橋梁地處四川盆地北部邊緣山區地帶，清江河下游河段，橋梁全長263 m、橋面凈寬26.5 m，共三聯，其中第二聯為連續變截面魚腹式箱梁，下部結構為門架式異形橋墩，如圖1所示。以此橋第二聯中結構尺寸最大的4#墩為例，進行墩柱模板施工安全問題研究。

圖1 本橋模型圖Fig.1 Model diagram of the bridge

此門架式橋墩為異形墩柱，單個門柱長5.7 m、寬3 m、高14 m，墩身下底長26.8 m、上底長19.3 m。采用型鋼模板拼裝形成整體澆筑模板，該模板共有外側圓弧端模28塊、平面側模96塊和內側拱形底模12塊，由22種不同尺寸模板組成，如圖2所示。面板為6 mm鋼板，背肋為間距0.5 m槽鋼，豎筋為間距0.3 m槽鋼，均采用Q235鋼材。模板內側布置豎向間距1 m、橫向間距0.9 m的PSB785精軋螺紋鋼筋拉桿。

圖2 4#墩柱模板Fig.2 4# pier column formwork

1.2 異形墩柱模板特點

本橋異形墩柱模板由外側圓弧端模、平面側模、內側拱形底模三部分構成，與常規圓墩模板有較大的差異，混凝土澆筑時所受荷載也有所不同。對于外側圓弧端模、平面側模，應考慮新教混凝土作用于模板的側壓力、振搗混凝土荷載與風荷載的影響；對于內側拱形底模，應考慮模板及其支架自重、新澆混凝土自重和振搗混凝土荷載的影響[8]。

(1)新澆混凝土作用于模板的側壓力。根據《建筑施工模板安全技術規范》(JGJ 162—2008)第4.1.1條規定：當采用內部振搗器時，計算新澆筑的混凝土作用于模板的側壓力標準值，并取其中的較小值。計算公式為

(1)

F=γcH

(2)

式中：F為新澆混凝土對模板的側壓力計算值，kN/m2；γc為混凝土的重力密度，kN/m3;v為混凝土的澆筑速度，m/h;t0為新澆混凝土的初凝時間，h;β1為外加劑影響修正系數;β2為混凝土坍落度影響修正系數;H為混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度，m。

本次計算采用的新澆混凝土作用于模板的側壓力如圖3所示，從墩頂到2.5 m處，側壓力線性增加至64.81 kN/m2，而下均取64.81 kN/m2。

圖3 新澆混凝土作用于模板的側壓力示意圖Fig.3 Diagram of lateral pressure of fresh concrete acting on formwork

(2)振搗混凝土荷載。對垂直面模板取4.0 kN/m2。

(3)風荷載[9]。風荷載按10年重現期采用，并取風振系數為1，根據《建筑結構荷載規范》GB 50009—2012附表E.5，本橋所在地風荷載：0.2 kN/m2。

(4)新澆混凝土自重。拱形底模至墩頂高差h×C40混凝土自重24 kN/m3,如圖4所示。

圖4 新澆混凝土自重示意圖Fig.4 Diagram of self weight of fresh concrete

(5)模板及其支架自重。根據構件自身材料重量取用。

2 MIDAS/Civil模型建立

本橋墩模板支撐體系整體計算采用MIDAS/Civil有限元軟件進行[10-13]，為了更加準確地分析結構受力安全，采用不同形式的有限單元進行模板支撐體系各部件的數值模擬。

2.1 有限元模型情況

面板采用板單元，它具有面內抗壓、抗拉及抗剪剛度和厚度方向的抗彎及抗剪剛度；邊筋、豎筋、背肋采用梁單元，它具有拉、壓、剪、彎、扭等剛度；拉桿采用桁架單元，它只能傳遞軸向的拉力或壓力。建模時各構件按節點共用的方式組合，模型單元總數14 082個，其中312個桁架單元，8 894個梁單元，4 876個板單元，如圖5所示。

圖5 墩身模板計算分析模型Fig.5 Calculation and analysis model of pier body formwork

2.2 邊界條件及荷載組合

2.2.1 邊界條件

按照實際施工能夠保證的效果，充分結合安全性考慮，模板與承臺連接考慮為臨時支承，設為固定支座；模板支架與背肋體系考慮為臨時支承，設為固定支座；因為空間位置關系拱形內側橫向背肋與豎筋無法節點共用方式模擬，考慮到實際中背肋對豎筋的約束作用，采用剛性連接對其進行約束；拱形內側背肋與平面側背肋間螺桿連接采用了梁單元并釋放梁端約束的方式模擬。模型共設184個固定支座，124個剛性連接，釋放了24個梁端約束，如圖6所示。

圖6 邊界條件設置Fig.6 Setting of boundary conditions

2.2.2 計算承載能力的荷載效應組合Ⅰ

為充分考慮實際施工中的可能性，依據文獻[8]中的最不利荷載組合I作為承載能力極限狀態的控制荷載組合形式，具體為：0.9×[1.35×(模板及其支架自重+新澆混凝土自重+新澆混凝土作用于模板的側壓力)+0.7×1.4×(振搗混凝土荷載+風荷載)]。

2.2.3 驗算撓度的荷載效應組合Ⅱ

為充分考慮實際施工中的變形的可能性，依據文獻[8]中的最不利荷載組合II作為正常使用極限狀態的控制荷載組合形式，具體為：模板及其支架自重+新澆筑混凝土自重+新澆筑混凝土作用于模板的側壓力。

3 分析

3.1 內力情況

3.1.1 面板應力計算

面板在荷載效應組合Ⅰ下應力狀況如圖7所示。

圖7 面板應力云圖Fig.7 Stress nephogram of panel

σmax=126.2 MPa<190 MPa，τmax=62.4 MPa<110 MPa，面板正應力與剪應力均小于文獻[14]中規定的Q235鋼材抗拉、壓、彎與抗剪強度設計值。由圖7可以看出，外側圓弧端模與平面側模處面板應力由墩頂向下呈梯形，符合新澆混凝土側壓力布置形狀。

3.1.2 邊筋、豎筋、背肋應力計算

邊筋、豎筋、背肋在荷載效應組合Ⅰ下應力狀況如圖8所示。

圖8 邊筋、豎筋、背肋應力云圖Fig.8 Stress nephogram of side bar, vertical bar and back rib

正應力與彎曲應力最大組合值為183.9 MPa發生在內側拱形底模位置處，符合相關力學規律，且小于Q235鋼材抗拉、壓、彎強度設計值190 MPa。

剪應力最大值為101.2 MPa發生在內側拱形底模位置處，符合相關力學規律，且小于Q235鋼材抗剪強度設計值110 MPa。

在計算過程中發現：受新澆混凝土重力荷載影響，模板支架體系的邊筋、豎筋、背肋的正應力、彎曲應力與剪應力最大值均產生在內側拱形底模處，材料強度利用率良好。而外側圓弧端模與平面側模僅受新澆混凝土側壓力影響，材料強度利用率不足35%，可適當減小此處構件截面尺寸，以提高經濟性。

3.1.3 拉桿應力計算

拉桿在荷載效應組合Ⅰ下應力狀況如圖9所示。

圖9 拉桿應力云圖Fig.9 Stress nephogram of pull rod

由圖9可以看出，拉桿所受應力最大值為416.8 MPa，遠小于文獻[14]中規定的PSB785精軋螺紋鋼筋抗拉、壓強度設計值650 MPA。由于本結構拉桿強度盈余過大，可適當減少精軋螺紋鋼筋級別或者截面大小，以提高經濟性。

3.2 變形情況

墩身模板在荷載效應組合Ⅱ下變形形狀如圖10所示。

圖10 墩身模板變形圖Fig.10 Deformation of pier body formwork

根據文獻[8]中的要求，組合鋼模板結構支撐系統累計變形量不應超過4.0 mm，由圖10可見最大變形為3.23 mm，小于變形量容許值。觀察變形云圖，外側圓弧端模與平面側模相接處距墩頂1/3至2/3位置的變形較明顯，若要提高模板工程精度，可著重加強此處對面板的約束。

3.3 整體穩定性分析

根據文獻[15]中的要求，本文中所研究模板縱橫肋等間距布置，其彈性屈曲系數應大于4，如圖11所示彈性屈曲系數為219.9，遠大于其規定的最小值，墩身模板整體穩定性滿足設計及使用要求。

圖11 一階屈曲模態Fig.11 First order buckling mode

4 結論

利用MIDAS/Civil軟件對混凝土橋墩施工進行數值模擬，對模板內力情況、變形情況和整體穩定性進行分析，研究表明該景觀橋梁異形墩柱模板滿足施工安全要求，存在一定的設計優化空間，得到如下結論。

(1)應認識結構構件的受力特點，依照行業規范及相關文獻研究成果合理選擇有限單元單元類型、邊界條件，建議：鋼模板采用板單元模擬，邊筋、豎筋、背肋采用梁單元模擬，拉桿采用桁架單元模擬。

(2)模板受力分析中應充分考慮施工過程中受到荷載作用的種類、并關注及分布、形式、組合等，特別注意：新澆筑混凝土的側壓力和重力、風荷載等。

(3)對本工程案例提出減小外側圓弧端模與平面側模處邊筋、豎筋、背肋材料用量，減小拉桿材料用量或材料等級的經濟性建議；加強局部面板約束提高模板工程精度的質量性建議。

本文提供的上述建議可為同類橋梁提供施工安全性分析建議。