合山特大橋實心方墩懸臂模板設計及施工技術

摘要：文章依托合山特大橋實際工程，系統闡述了懸臂模板的設計方法及施工技術，并建立有限元模型進行整體驗算，證明了懸臂模板設計的合理性。該技術解決了由于各項目技術水平參差不齊，設計出的懸臂模板結構安全存在一定風險的問題，可為同類工程參考借鑒。

關鍵詞：實心方墩；懸臂模板；高墩；有限元模型

中圖分類號：U445.4? ?文獻標識碼：A

女意編號：1673-4874（2024）04-0138-04

0 引言

隨著交通建設進入高質量發展階段，公路建設更加重視與環境的協調，從選線設計上就盡量避免大填大挖，取而代之的是跨越能力更強的高墩橋梁。

高墩施工通常采用翻模技術，其安拆繁瑣，安拆過程有較大安全風險。高質量施工需要更高效的施工組織以及先進的施工設備［1］。

于是誕生了液壓爬模、懸臂模板等新設備。液壓爬模需要更精密的操作系統及硬件結構，相比懸臂模板成本更高，一次投入過大。因此更為經濟安全的懸臂模板得到了大規模的應用。懸臂模板架體具有施工簡單、迅速和一次澆筑高度調節范圍大的特點。相對于傳統的翻模施工工藝，懸臂模板架體自帶后移裝置在進行模板安裝和拆除時施工工藝更為簡單快捷。

但是各項目的技術水平參差不齊，設計出的懸臂模板結構安全存在一定風險，本文通過實際工程案例，根據實際項目的施工要求，對懸臂模板的施工關鍵工況進行分析，并建立有限元模型進行整體驗算，對細部結構進行受力驗算，目前應用橋梁墩柱已超前完成施工，證明了懸臂模板設計的合理性［2］。

1 工程概況

武宣—來賓—合山—忻城公路1-4分部主線樁號K70+670～K86+000，主線樁號全長15.33 km，采用100 km/h設計速度，整體式路基寬26 m，分離式路基寬13 m，路基長6.841 km，橋梁4.574 km、隧道3.915 km，橋隧比約為55%。其中合山特大橋為分部線路的控制性工程，橋梁全長1 489 m，共37跨，設計采用40 mT梁，墩身設計為空心薄壁墩及實心方墩，其中實心方墩最大墩高43.24 m（見圖1），因建設規模大工期緊，36根實心方墩采用懸臂模板施工。

2 懸臂模板設計及施工要求

懸臂模板的設計和施工是需要同步考慮、互相協調的。以“安全可靠，結構簡單，受力明確，經濟合理，施工便捷”為原則進行結構設計，以實現高效服務現場施工，打造品質工程的目的。懸臂模板的設計應綜合考慮墩柱的施工工藝，所使用的機具設備及安全防護措施等成套施工體系。

實心方墩施工為分節段施工，節段模板吊裝擬采用吊車吊裝，因此模板結構設計應考慮輕便，通過有限元分

析軟件，在保證結構安全的前提下，盡量優化減輕構件的重量，通過采用木梁膠合模板及木工字形梁等木質結構，降低結構自重，以方便施工過程中的吊裝、安拆等［3］。

應進行重要構件、埋件的計算，其為模板體系的關鍵受力節點，在設計驗算滿足要求的前提下，現場施工應嚴格按設計要求安裝預埋件，確保整個模板體系的安全穩固。

3 懸臂模板設計

3.1 懸臂模板結構設計

3.1.1 總體結構設計

墩身模板架體由項目聯合專業廠家根據合山特大橋墩身特點設計制造，采用PJ200懸臂模板架體。PJ200懸臂模板架體分為三角架和模板兩個主要部分，架體結構設計見圖2、圖3。三腳架主要作用為防止模板后移裝置和安裝模板時的施工平臺。模板分為墩身模板和挑架兩個部分，在模板安裝完畢后，挑架作為施工平臺進行鋼筋安裝以及混凝土澆筑、振搗工作。

3.1.2 模板設計

墩柱模板采用可拆裝式木梁膠合模板，由面板、豎向木工字形梁、水平向背楞及其連接件、模板對拉螺桿組成，墩身模板結構布置見圖4。木梁膠合模板的面板采用δ18 mm維薩板［4］；豎肋為H20木工字梁，最大間距為30 cm；背楞為雙拼［14#a槽鋼，間距為110 cm。

3.2 懸臂模板結構檢算

3.2.1 模板及拉桿驗算

3.2.1.1 設計計算指標設計采用值

（1）鋼材物理性能指標：［14#a雙拼槽鋼采用Q235鋼材，其力學參數：σ=215 MPa，τ=125 MPa，拉桿采用Q345鋼材，其力學參數：σ=310 MPa，τ=180 MPa。

（2）木工字梁物理特性指標：抗拉、抗壓、抗彎強度σ=14.5 MPa；抗剪強度τ=1.5 MPa。

（3）容許撓度（以最窄邊為例）：柱箍變形梁［δ］≤L/500=2 000/500=4 mm。

3.2.1.2 荷載計算

在實際工程中主要承受模板自重、鋼筋混凝土自重荷載、混凝土側壓、振搗混凝土產生的荷載。混凝土自重在有限元軟件中可直接施加，因此無須計算。其他荷載計算如下：

（1）混凝土側壓力荷載：根據建筑結構荷載規范計算得混凝土的最大側壓力為42.23 kN/m2，有效壓頭高度h=42.23/26=1.63 m。

（2）傾倒混凝土產生的荷載：根據《施工現場常用臨時結構設施計算手冊》，用于串筒或導管傾倒時，產生的沖擊荷載為2 kPa。

（3）振搗混凝土產生的荷載：根據《施工現場常用臨時結構設施計算手冊》，對垂直面模板可采用4.0 kPa［5］，所以施工荷載和為6 kPa。

3.2.1.3 荷載工況組合

對模板荷載進行組合，采用極限荷載組合進行驗算，具體組合方式如下：

（1）強度驗算荷載組合工況一：1.2×模板自重+1.2×混凝土側壓+1.4×傾倒混凝土荷載+1.4×振搗混凝土荷載。

（2）模板剛度驗算工況二：1.0×自重+1.0×混凝土側壓力。

3.2.1.4 邁達斯建模驗算

根據懸臂模板結構設計尺寸及材料規格型號，建立邁達斯計算模型，經運算分析，提取計算結果如圖5所示。

（1）［14#a雙拼槽鋼驗算：計算顯示［14#a雙拼槽鋼最大組合應力為71.0 MPa，＜f=215 MPa，［14#a雙拼槽鋼背楞抗彎強度滿足要求；最大剪應力為29.7 MPa，＜f=125 MPa，剪應力強度滿足要求；最大撓度值為1.385 mm，＜4 mm，滿足變形要求。

（2）木工字梁驗算：木工字梁最大組合應力為5 MPa，＜f=14.5 MPa，抗彎強度滿足要求；最大剪應力為1.3 MPa，＜f=1.5 MPa，剪應力強度滿足要求；最大撓度值為1.54 mm＜4 mm，滿足變形要求。

（3）拉桿驗算：拉桿最大組合應力為244.9 MPa，＜f=300 MPa，拉桿抗拉強度滿足要求。

（4）墩身模板整體剛度驗算：墩身模板最大撓度為1.56 mm，＜4 mm，滿足變形要求。

3.2.2 重要構件、埋件的計算

懸臂支架支座反力如表1所示。

3.2.2.1 受力螺栓計算

螺栓的承載力應按式（1）規定計算：

NVNbV2+NtNbt2≤1NV≤Nbc? ? ?（1）

代入式（1）得NVNbV2+NtNbt2=58.481502+76.232002=0.55，<1，滿足要求。

3.2.2.2 承載螺栓與混凝土接觸處的混凝土沖切承載力計算

當承載螺栓與錐形承載接頭連接時：

F≤2.8（d+s-30）（s-30）ft=2.8×（100+350-30）（350-30）×1.1=376 kN，≥74.94 kN，滿足要求。

3.2.2.3 高強螺桿抗拉承載力計算

對拉高強螺桿為D20螺桿，則A=3.14×（20×20÷4）=314 mm2；高強螺桿拉力N=A×f=314×600÷1 000=188.4 kN，＞78.94 kN。

3.2.2.4 承載螺栓與混凝土接觸處的混凝土局部受壓承載力計算

F≤2.0a2fc=2.0×100×100×10=200 kN，≥78.94 kN，滿足要求。

綜上，懸臂模板結構設計及驗算的各項指標滿足要求，可加工用于現場施工。

4 實心方墩懸臂模板施工技術

PJ200懸臂模板架體采用汽車吊配合進行安拆模板。墩柱每節澆筑高度按標準節段高度4.5 m進行施工。施工所用的鋼筋、模板等材料的垂直運輸設備采用汽車吊配合。鋼筋在工廠預制用車運到施工現場綁扎成型，主筋連接采用套筒連接。墩柱混凝土澆筑時采用汽車泵進行泵送［6］。

4.1 首節模板安裝

首節模板的安裝十分關鍵，模板底端應用砂漿配合找平，防止根部出現漏漿爛根等現象。為控制模板的變形，模板需根據設計安裝對拉螺桿，對拉螺桿安裝見圖6。需要準確安裝預埋件，施工過程中防止預埋件移位。

4.2 第二及以后節段施工

完成首節墩柱施工并且混凝土達到拆模強度（混凝土抗壓強度達到2.5 MPa）、卸下M30定位螺栓，將模板調離位置，將埋件支座、受力螺栓安裝在爬錐上如圖7所示。

埋件支座安裝完畢且混凝土抗壓強度達到20 MPa后，使用汽車吊將三腳架架體吊裝在埋件上并插上安全銷如圖8所示。

4.3 鋼筋安裝

下節墩柱混凝土澆筑并完成施工縫鑿毛清理后方可安裝上節鋼筋。首節墩身安裝鋼筋的高度為4.6 m，其他節段的鋼筋長度為4.5 m。用吊車安裝鋼筋骨架時，應嚴格遵守起重操作規程，吊點注意防止骨架變形，必要時借助型鋼起吊。為便于骨架定位，鋼筋高度只有4.6 m，可用麻繩綁扎在骨架端部控制偏擺，也可進行臨時固定，防止鋼筋的擺動，保證骨架的穩定。定位完成后，墩頂支座、防震塊等預埋鋼板、鋼筋、支座錨栓孔的預埋和預留均需測量定位，確保準確牢靠。

4.4 安全步梯布置

安全步梯設在左右幅墩身之間，安全步梯頂部與懸臂模板架體的施工平臺采用工字鋼連通并在工字鋼上鋪設鋼板及安全圍欄。在墩身施工時預埋直螺紋鋼管并將鋼管兩端封堵防止混凝土進入鋼管內，在墩身澆筑完畢拆模后刮除封補并安裝拉桿。將步梯附墻桿套入墩身預埋拉桿并在附強桿之間設置“X”形連接進行加固，安全步梯附墻桿層距為6 m。

采用混凝土澆筑安全步梯基礎并將安全步梯底座固定在基礎的頂面上，用膨脹釘固定，將底座的螺母調節至最低點，并保證4個螺母在同一水平線上。調節底座安裝完畢后，安裝立桿和橫桿并進行連接，在立桿和橫桿搭設完畢后，安裝橫撐和樓梯。

5 結語

本文系統闡述了懸臂模板的設計方法及施工技術，設計模板的過程充分考慮了現場施工不同階段的要求，結構整體輕便簡單，易于安裝拆卸；同時在施工過程中也發現了一些設計上的缺陷，總結經驗橋墩施工模板加固主要控制要點如下，可為同類模板結構設計提供關鍵控制的思路：

（1）控制爆模的關鍵：法蘭螺栓數量、螺栓的強度、法蘭板焊縫破壞、法蘭連接方式可靠性。

（2）防止爆模最有效的方式是在模板外設環形加強箍。

（3）圓端形、矩形截面直面較寬時，需要設中間拉桿，控制剛度。

（4）圓端形墩柱圓弧端受力較大，法蘭連接是受力關鍵。

（5）控制混凝土澆筑速度，可以減小側壓力。橋墩混凝土采用泵送澆筑時，速度一般較快，因此容易出現因不控制速度而發生的爆模事故。

參考文獻

［1］羅 偉.橋梁空心薄壁高墩柱爬模施工技術研究［J］.交通世界，2023（26）：146-148.

［2］李浩然.公路橋梁高墩翻模施工技術及質量控制［J］.交通世界，2022（27）：26-28.

［3］張財喜.懸臂爬模技術在特大橋梁高墩施工中的應用研究［J］.交通建設與管理，2023（5）：120-122.

［4］孫 江.懸臂模板在橋梁薄壁墩工程中的應用［J］.交通世界，2023（9）：136-138.

［5］孫 秋.懸臂模板體系在橋梁高墩施工中的應用［J］.交通世界，2022（14）：166-169.

［6］陳海軍.工字木梁懸臂模板在薄壁空心高墩施工中的應用［J］.四川水泥，2021（2）：134-135，246.

作者簡介：覃漢輝（1986—），工程師，主要從事道路橋梁施工技術工作。