板樁碼頭力矩平衡式胸墻模板設計技術及應用

張定野，陳叢文，丁俊吉

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

近年來板樁碼頭施工項目在國外項目中日漸增多，結構形式也變得更加豐富。板樁碼頭施工工藝的選擇需因地制宜，且直接影響到工程的進度、質量與經濟效果。對于選擇水上施工的板樁碼頭，胸墻的施工工藝尤為重要，以色列阿什杜德港21 碼頭改建項目使用三角鋼架懸吊整體底模進行海側胸墻底模支立[1]、巴基斯坦卡拉奇深水港碼頭項目使用預制面板作為胸墻海側外模板[2]，這兩個項目在進行胸墻模板支立時依托了板樁墻后形成的陸域條件，菲律賓八打雁港項目使用懸吊底模工藝實現了全水上胸墻施工[3]，但對鎖口進行了水下切割，施工較為復雜。本文介紹了印尼奧比島Persada 6B 泊位項目的板樁碼頭胸墻工藝，該項目通過吊筋懸吊，底模整體安裝的施工工藝，并進行了施工作業各個階段的底模力矩平衡核算，該工藝經過項目實踐得以順利實施，可為類似施工項目作為參考。

1 工程概況

印尼奧比島Persada 6B 泊位為板樁碼頭結構，碼頭岸線由單排鎖扣鋼管樁形成，鋼管樁通過CT鎖扣緊密排布，樁長22.8 m，樁頂為現澆胸墻結構，胸墻高4.0 m，位于管樁墻正上方，胸墻底標高+0.5 m，全高4.0 m，總長282 m，共20 段，每段長度16.29 m；胸墻底段需埋設鋼拉桿，拉桿埋設高程1.5 m，碼頭斷面結構見圖1。

圖1 碼頭斷面布置圖Fig.1 Layout plan of wharf section

碼頭胸墻底段截面為底寬2.4 m、高1.8 m 的矩形；頂段為直角梯形，底寬0.9 m，頂寬0.7 m，高2.2 m，胸墻斷面見圖2。胸墻位置距離岸側較遠且位于無掩護海域，為節約成本，提高施工效率，本項目現澆胸墻考慮全部采用全水上施工工藝。胸墻計劃共為2 次澆筑，首次澆筑范圍為矩形區域，澆筑高度1.8 m，第2 次澆筑范圍為上部梯形區域，澆筑高度為2.2 m。

圖2 現澆胸墻斷面圖Fig.2 Cross section of cast-in-place breast wall

本項目鎖扣鋼管樁進入胸墻80 cm，鎖扣位置進入胸墻30 cm，樁與鎖扣將胸墻前后沿的底部分隔開來，胸墻底模前后無法直接連接，給底模的鋪設造成了一定困難。

2 力矩平衡式模板設計

2.1 模板設計思路

1） 因印尼區域潮差較小，趕潮作業時間非常有限，為了減少潮水對鋪底的影響，胸墻底模鋪設考慮吊筋工藝[4]；

2） 底模采用型鋼主、次梁+鋼板的結構形式，在鎖扣鋼管樁形成的板樁墻前后沿分為兩片布置，并通過在陸上將單側底模的主次梁焊接成整體，鋼板與底模次梁臨時固定的方式，使底模在施工中能夠整體吊裝安裝，縮短水上作業的時間；

3） 因底模前后片模板相對獨立，為避免施工過程中底模發生傾覆，考慮在底模主梁之間設置對拉桿使底模力矩達到平衡，使底模在施工中的各個階段均能夠保證整體穩定。對拉桿設置在鎖扣管樁墻的泄水孔位置，施工中不對管樁墻結構造成破壞。

2.2 模板結構形式

底模主梁采用雙拼HN450×200 型鋼，通過吊筋吊掛在鋼管樁頂，次梁為[8 槽鋼，與底模主梁焊接固定，底模板使用10 mm 鋼板，與次梁點焊連接，胸墻前后沿底模主梁通過?30 圓鋼對拉緊固，使2 根雙拼主梁均能夠緊貼在鋼管樁兩側；在底模雙拼H 型鋼中心線位置向上穿?30 圓鋼吊筋，吊筋為每間隔1 根樁布置2 道，懸掛在已澆筑樁芯的鋼管樁樁壁。

底口對拉桿拉緊后，拉力產生的力矩可以抵抗施工過程中荷載偏出主梁重心產生的不平衡力矩，以達到整體結構力矩平衡，避免支撐體系傾覆。底模主次梁分布見圖3，胸墻模板支撐體系見圖4。

圖3 胸墻底模主次梁分布圖Fig.3 Distribution diagram of main and secondary beams for breast wall bottom formwork

圖4 胸墻模板支立斷面圖Fig.4 Cross section view of breast wall formwork support

2.3 力矩平衡理論說明

因為整個底模并不是一個規則物體，計算整體力矩平衡時需要提前確定底模斷面的重心位置、側模板重心位置以及胸墻混凝土斷面的重心位置。底模及側模的重量、重心均為固定值，可以作為常數進行力矩平衡計算；混凝土重心位置固定，但隨著胸墻混凝土澆筑高度逐漸增加，胸墻混凝土的重量隨之增大，因此混凝土產生的力矩大小是混凝土澆筑高度的線性函數。把胸墻底模、側模及正在澆筑的胸墻混凝土看成一個整體，這個整體產生的力矩需要與底模主梁之間的對拉力產生的力矩達到平衡，以此建立等式，可以計算出底模對拉力的極值。

2.4 模板結構及穩定性計算

1） 底模板強度計算

本工程計算模型采用Midas civil 軟件整體建立，吊筋支撐未建立在模型中（將通過支反力核算），主梁為連續多跨梁結構，次梁與主梁之間使用兩點彈性連接模型，來模擬實際施工過程中[8槽鋼與雙拼H 型鋼主梁頂部焊接的效果。施工人員荷載及設備荷載均以均布荷載的形式施加在整個底模平臺上，荷載分項系數取1.2[5]；胸墻混凝土荷載以均布荷載的形式施加在底模平臺混凝土澆筑位置上，荷載分項系數取1.2[5]；因本項目計劃通過吊罐下灰至樁頂，不會對胸墻底模產生沖擊，另胸墻底層澆筑高度為1.8 m，澆筑到上部時混凝土下灰已經不會對底模產生影響，故計算時未考慮沖擊荷載[5]。

經過Midas civil 運行計算后，得出結果為吊筋提供拉力為76.7 kN，主梁最大應力為2.37 MPa，次梁最大應力為93.2 MPa，板單元最大應力為40.3 MPa，底模支撐體系可滿足施工要求[5]，另外主梁應力很小，施工過程中幾乎不發生變形，故亦不必考慮主梁在施工中變形引起整體底模失穩。

2） 吊筋計算

根據反力計算結果，單根吊筋豎向拉力為76.7 kN。吊筋使用?30 圓鋼制作，與豎直方向呈16°夾角，因此其軸向拉力為79.7 kN，吊筋受力情況示意見圖5。

圖5 吊筋受力示意圖Fig.5 Schematic diagram of stress on suspension bars

?30 圓鋼抗拉強度設計值為215 MPa[6]，可提供拉力FD=3.14×15×15×215=151 897.5 N=151.9 kN＞79.7 kN。

吊筋與鋼管樁接觸位置剪力為79.7 kN，?30圓鋼的抗剪強度設計值為125 MPa[6]，可承受最大剪力為FJ=88.3 kN＞79.7 kN，故?30 圓鋼吊筋可滿足施工要求。

3） 底模力矩平衡計算

在底模縱向取一個結構段長度計算模板重心。底模一個結構段長度為1 153 mm，一個結構段平均有4 道[8 槽鋼，一塊鋼板，單個結構段底模樣式見圖6。設重心位置與鋼板外邊線距離為c，根據重心線兩側重量相等的原則，可求得：c=0.568 7≈0.57 m

圖6 計算結構段平面示意圖Fig.6 Schematic diagram of calculation structure section plan

即底模重心位置在鋼板外邊沿向內0.57 m 位置，與樁中心距離1.5-0.57=0.93 m，與胸墻邊線距離0.27 m。

底模雙拼H 型鋼提供底模板的支持力，受力點為雙拼H 型鋼重心位置，距離胸墻前沿線0.5 m。

側模板的重量為219 kg，側模板緊貼胸墻混凝土面，厚度可以忽略不計，故胸墻側模板的重心位置為胸墻前沿線位置。

胸墻混凝土底面積0.99 m2，混凝土重心位置由CAD 建立面域求出，為前沿線向內0.446 m。

設混凝土澆筑高度為h，底口對拉桿提供拉力為F，則混凝土重力為h×0.99×24 kN，根據以上數據建立力矩平衡等式，以胸墻貼近鋼管樁位置底口作為計算點，力矩平衡關系見圖7，經計算化簡后可得：F=4.71+4.07h

圖7 力矩平衡示意圖（mm）Fig.7 Schematic diagram of torque balance（mm）

由此得知，對拉桿的拉力與混凝土澆筑高度為線性關系，混凝土澆筑高度為1.8 m 時，F有最大值為12.04 kN，因對拉桿間距為間隔2 根樁設置1 根，故對拉桿拉力最大值為2F=24.08 kN。

模板底口對拉采用?30 圓鋼，間距2.306 m一道，以拉應力215 MPa 計算，?30 圓鋼可提供最大拉力為151.9 kN＞24.08 kN，對拉后底模的平衡性滿足要求。

4） 底模力矩平衡校核

以上計算結果驗證了該模板設計思路在理論上可行，但在實際施工過程中，因樁位偏差及模板安裝影響，很難保證理想化，需要對因施工引起的重心偏差情況進行校核。本項目假定主梁與混凝土重心向外偏移0.3 m，此時，通過力矩平衡直接算出對拉桿的拉力值為：

F1=51.24 kN＜151.9 kN

由此可得，當混凝土重心偏差在0.3 m 以內時，底模穩定性均能夠滿足施工要求，實際施工中，因樁與樁之間通過鎖扣連接，沉樁偏差較小，一般不會超過0.1 m，底模的平衡性可以得到保證。

5） 拉桿伸長引起的底模變形校核

根據公式：ΔL=PL/EA計算拉桿受拉后的伸長量，拉桿拉力取51.24 kN，E取Q235 鋼材的彈性模量210 GPa，計算得出拉桿伸長量ΔL為0.6 mm，通過相似關系可計算出此時模板外沿位移為1.13 mm，遠小于規范要求的10 mm[8]。拉桿伸長對底模變形影響較小，施工中可以忽略。

3 應用效果

鎖扣鋼管樁在水上沉樁時不可避免的將會產生一定樁位偏差，對此，在胸墻底模加工前先進行樁位測量，然后根據實測的樁位偏差調整次梁位置，避免次梁與樁發生位置沖突致使主梁不能與樁壁貼緊。

底模主次梁在陸上拼接，鋼板縱向按樁間距裁切成塊，待底模骨架安裝完成后水上安裝，鋼板與樁壁緊貼后通過螺栓緊固在底模次梁上，以免潮水將鋼板掀起或拆模時站在混凝土面難以抽出。

底模鋪設完成后鋼筋綁扎與側模支立為常規工藝，正常實施即可。本項目胸墻鋼筋采用了陸上綁扎整體吊裝的安裝工藝[7]，進一步減少了趕潮作業時間，加快了施工效率。

奧比島當地為不規則半日潮，每天有2 個低潮，每次低潮時長約2～3 h，實際施工過程中，底模鋪設可在1 d 內完成，共占用2 個潮水，鋼筋安裝、鋼拉桿安裝、護舷預埋件焊接及側模組拼占用2 個潮水，混凝土澆筑占用1 個潮水，平均1 d 即可完成一段胸墻的施工。

底模拆除時，吊筋可趕低潮割除，底口對拉螺母通過人工使用扳手擰下，底模卸力后，可使用履帶吊輕松從側向拽出。

綜合以上施工情況，該底模板具有支拆簡單，趕潮作業少，施工效率高等多項優點，同時避免了施工期墻后填土產生的板樁墻前移風險，也節省了陸域施工胸墻預先填筑圍堰造成的工期大量增加。

4 結語

本項目的力矩平衡式板樁碼頭胸墻底模計算模型為瞬變體系，但在實際使用過程中，通過型鋼主梁與管樁的緊貼產生的摩擦和限位可以避免底模支立過程中的傾覆，吊筋及對拉的力學平衡也能夠保證混凝土澆筑過程中的體系穩定。通過模板設計思路，減少了底模剛性固定的工序及材料增加，該支撐體系具有用鋼量小、施工簡便、安裝效率高等特點，并在實際施工過程中得到了有效驗證，可為類似的板樁碼頭項目以及其它的類似結構施工提供參考，具有借鑒意義。