城市橋梁雙曲面鏤空墩柱模板技術研究

孫奎濤,姜 鵬,劉曉飛,許 可,韋 浩

（中國建筑土木建設有限公司,北京 100073）

引言

隨著城市不斷的進步和發展,城市橋梁已經成為歷史的年輪,以及城市的標志性公共建筑,人們不僅關注橋梁結構安全性,同時對橋梁美觀方面提出了更高的要求；雄安新區因其特殊的政治地位,不僅為疏解非首都功能,更擔負著探索新型城鎮化及創新轉型的使命,所以在橋梁構造上采用首次創新的雙曲面Y型墩柱。雄東片區是雄安新區五個外圍組團中雄縣組團的重要組成部分,是新區先行啟動的建設區域,是保障高鐵樞紐周邊居民征遷安置的重點地區,肩負著淀東片區城市功能塑造的重要職能,某路為A 社區對外聯系的主要道路。

1 工程概況及墩柱結構形式

雄東片區某道路工程包括1 條主干路及4 條匝道,全長2 289 m,其中橋梁段1 923.5 m,該橋梁定義為城市景觀橋,墩柱造型奇特,且種類繁多,僅Y 型花瓶墩就有4 種形式。某特大橋采用雙幅設計,橫斷面分25.5 m,34.5 m,40.5 m 三種形式,橋梁中段跨越新蓋房分洪道為標準斷面,全寬40.5 m,單幅橋面20 m,下部結構橋墩采用雙曲面通透Y 型墩柱[1]。

雙曲面通透Y 型墩柱中心為鏤空,墩柱底標準段尺寸采用1.9 m×3.8 m（縱×橫）圓端型,圓弧半徑R=0.95 m；墩帽高9.7 m,墩頂尺寸為19.8 m×3.8 m（長×寬）,墩高12.2～17.1 m。墩頂自線路內測向外側2%橫坡,且墩頂上倒角高度自892 mm 至508 mm過渡；墩身左右側圓弧半徑R=6 m,前后面圓弧半徑R=18 m,且起弧位置不在同一高度；“Y”字形斜腿間角度104 度。由于墩柱結構形式變化較大,尺寸不規則,在增加橋梁結構美觀的前提下,為墩柱模板加工制作增加了很大難度。墩柱效果圖見圖1。

圖1 墩柱效果

2 墩柱模板設計優化

2.1 初版墩柱模板設計

2.1.1 墩柱結構分析

由于Y 型墩兩側R=0.95 m 弧形段位于雙曲面上,模板分塊時需要根據實際需求進行合理分解,并對模板長度進行合理分割,防止分塊過小影響結構線性美觀,同時防止過大增加模板尺寸誤差；Y 型墩中部鏤空部分需考慮墩帽混凝土荷載有效傳遞；Y 型墩分叉角度較大,應考慮模板支撐體系的安全性。

2.1.2 模板設計構思

為保證雙曲面Y 型墩柱的結構尺寸,滿足施工質量、安全且便于施工操作,墩柱模板采用定型鋼模板,由專業鋼模板制造廠進行定制。在制作過程中充分考慮模板的輕便,易于轉運及裝卸；充分考慮模板結構分塊合理,盡量減少拼縫和對拉桿,應利于墩柱鋼筋綁扎,減少混凝土的澆筑次數,保證墩柱結構美觀[2]。

墩柱模板外側設計采用桁架式,可支撐于盤扣腳手架上,Y 型鏤空部分側模和圓弧段采用精軋螺紋鋼對拉,墩帽底板通過絲桿斜撐于側模上。

2.2 第二版墩柱模板設計優化

2.2.1 初版設計缺陷

經過對第一版墩柱模板設計的研究,發現拉桿設置較多,特別是Y 型分叉采用對拉形式,外側又位于圓弧段,不利于拉桿固定。正面拉桿背楞斜向設置,側面有R=18 m 圓弧,拉桿背楞無法壓圓,模板加工誤差增大；正面兩塊模板分塊過大,后期無法裝車,不利于運輸及現場使用。

2.2.2 設計優化

墩柱Y 型鏤空部分,由對拉優化為對撐形式；合理調整模板分塊,利于拼裝和施工,同時調整外側支撐架體,將拉桿背楞設置為橫向,有效降低結構誤差。

2.3 最終版墩柱模板設計優化

2.3.1 第二版設計不足

因雙曲面Y 型墩兩側R=0.95 m 弧形段垂直上部Y 型分叉,圓弧段和雙曲面節段設計成平口不利于模板定位。Y 型鏤空部位模板脫模不方便,且混凝土不容易振搗。

2.3.2 進一步設計優化

進一步優化模板分塊,將外側圓弧模板設置為垂直Y 叉分塊,保證模板加工精度。在墩帽底模及墩帽側模中心設置早拆片,可利于模板脫模；在Y 型分叉底部設置天窗,方便墩柱混凝土澆筑及插入式振搗棒振搗,保證墩柱外觀質量。最終版模板設計圖見圖2。

圖2 最終版模板設計

3 模板驗算

依據《公路橋涵施工技術規范》(JTGT 3650-2020)《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205-2020)規范規定,對模板承受荷載后的位移、面板應力、拉桿、撐桿進行強度和剛度驗算,確保模板使用安全。

3.1 模板體系設計

雙曲面Y 型墩柱模板面板為6 mm 鋼板,橫邊框為14×100 mm 帶鋼,豎邊框為14×100 mm 帶鋼,豎肋為[10#槽鋼,背楞為雙[16B#槽鋼,間距1 000 mm、抱箍為單[16B#槽鋼；加固方式為中間拉桿對拉,四角斜拉的形式,對拉桿斜拉桿采用Φ25 精軋螺紋鋼,拉桿孔Φ42 mm；Y 型墩懸臂部分采用桁架加固,桁架弦桿采用雙[12#槽鋼,豎桿斜桿采用[10#槽鋼,采用承插盤扣式腳手架方式支撐桁架模板；Y 型墩鏤空部分采用Φ89 絲桿支撐墩帽底模板；墩柱標準節采用2 m、1 m、0.5 m 節段,滿足不同墩柱高度需求[3]。

3.2 模板荷載組合

3.2.1 混凝土側壓力：

新澆混凝土作用于模板上的最大側壓力,按下列二式計算,并取二式中的較小值：

式中：F 為新澆筑混凝土對模板的最大側壓力（KN/m2）；γc為混凝土的重力密度（kN/m3）, 取γc=24 KN/m3；t0為新澆混凝土的初凝時間（h）,取t0=8 h；v 為混凝土的澆注速度（m/h）,取v=2.0 m/h；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）,H=7.9 m；β1為外加劑影響修正系數,β1=1.0；β2為混凝土塌落度影響修正系數,β2=1.15。

3.2.2 傾倒混凝土時沖擊對垂直面模板產生的水平荷載: 2 KN/m2。

3.3 模板受力驗算

墩柱標準段模板受力采用midas 整體建模,其中面板采用板單元,橫豎肋采用梁單元。計算時考慮面板與橫豎肋協同受力[4]。

3.3.1 墩柱面板應力、板肋應力驗算

墩柱標準段模板面板及板肋應力計算模型見圖3、圖4。

圖3 墩柱面板應力計算模型

圖4 墩柱板肋應力計算模型

經計算,墩柱標準段模板面板最大應力值為46.9 MPa＜[σ]=215 MPa；

板肋最大應力值為88.3 MPa＜[σ]=215 MPa；

背楞最大應力值為96.4 MPa＜[σ]=215 MPa；

均滿足規范要求值。

3.3.2 蓋梁撐桿及底模驗算

墩柱蓋梁模板采用midas 整體建模,其中面板采用板單元,橫豎肋撐桿采用梁單元。計算時考慮面板與橫豎肋協同受力,蓋梁模板受力計算模型見圖5。

圖5 蓋梁模板受力計算模型

3.3.3 蓋梁底模板應力、板肋應力驗算

蓋梁底模板及板肋應力計算模型見圖6、圖7。

圖6 蓋梁底模板應力計算模型

圖7 蓋梁板肋應力計算模型

經計算,墩柱蓋梁底模板最大應力值為11.4 MPa＜[σ]=215 MPa；

板肋最大應力值為35.9 MPa＜[σ]=215 MPa；

背楞最大應力值為35.7 MPa＜[σ]=215 MPa；

均滿足規范要求值。

經軟件計算,優化及設計的雙曲面通透Y 型墩柱模板,強度和剛度均符合相關規范要求,支撐體系安全、板塊劃分合理。

4 墩柱模板生產加工

4.1 墩柱模板加工工藝

利用CAD 軟件畫出雙曲面墩柱3D 圖,進行仿真模擬,再進行模板加工圖繪制；使用AUTOPOL 軟件進行鈑金展板放樣,利用12 KW 激光切割機下料,保證面板邊框等構件下料的準確性；四滾卷圓機進行卷圓壓弧,鋸床進行型材切割,最后采用二氧化碳保護焊焊接[5]。

4.2 模板試拼

墩柱平模板和弧板加工完成后,制作拼裝平臺,圓弧板在拼裝平臺上進行點卯加工,并與平模板通過螺栓連接成整體。模板尺寸確保無誤后,將模板拆除,進行焊接成型,焊接完成后進行二次拼裝,保證墩柱模板結構尺寸。模板試拼見圖8。

圖8 模板試拼圖

5 結論

雙曲面通透Y 型墩柱結構復雜多變,為墩柱模板加工及支架支撐增加了很大的難度,為確保墩柱結構尺寸滿足設計要求,且施工安全,通過軟件3D 建模及設計優化,最終達到了預期的效果,為今后類似異形墩柱模板加工積累了經驗。