矮塔斜拉桥混凝土外倾塔柱模板自稳定措施分析

许杰,陈勇,张永贵

（1重庆市建筑科学研究院监理公司 重庆 400020 2重庆市桥梁工程有限责任公司 重庆 400060 3重庆市城市发展投资有限公司 重庆 400015）

随着时代的进步,当今市政桥梁的外形向着美观轻盈的方向发展。在大跨径斜拉桥梁中,其墩（或塔）柱多设成A形、人形、Y形或倒Y形,这类结构一方面增加了建筑物的美感,另一方面则对施工质量控制方面提出了更高的要求。

某矮塔斜拉大桥主塔柱外观正立面呈Y型,主塔桥面以上部分采用C60混凝土,上塔柱(桥面标高以上部分)约高32.5m；主塔横向分左右两肢,依靠上、下横梁连接,并于桥面以下约35m处向上外倾斜,与竖直方向成22度夹角；塔顶每肢横桥向宽度为3m,纵桥向宽6m,两主桥塔外形保持一致。上塔柱截面形式分为两部分,即上塔柱有索区和上塔柱无索区。上塔柱有索区横桥向壁厚0.7m,顺桥向壁厚0.8m；上塔柱无索区横桥向壁厚0.9m,顺桥向壁厚1.4m。本文主要针对上塔柱无束区段施工控制进行分析、介绍。

众所周知,用以克服外倾塔柱产生的外倾力的施工方法有很多,如钢丝绳对拉施工、预埋件焊接牛腿支架施工,以及最常用的劲性骨架定位模板施工等。前两种施工工艺相对繁琐,如若两肢外倾塔柱间距离过大,则钢丝绳的伸长量不易控制,再者由于塔柱截面尺寸较小,钢筋比较密集,骨架断面不能太大,我们只能利用骨架定位钢筋,而不能完全用它来克服外倾作用力。综合考虑以上限制,我们决定在传统的翻模施工工艺基础上,增多外倾面塔柱模板支点、固结外倾面与垂直面模板、将四面模板形成整体依靠垂直面模板的刚度,以及从已浇节段根部斜拉出来的拉杆,几方面共同保证结构施工质量与安全。

该大桥塔柱采用翻模施工工艺,施工外倾段模板时,采用垂直两面模板包夹两块外倾模板的方式,这样可以利用下塔柱模板施工上塔柱以节约成本。为克服自重产生的外倾力,我们在模板系统刚度一定的情况下增加了支撑点,两端固结,中间有4根斜拉杆。同时用对拉杆克服混凝土侧压力,内模用槽钢焊接形成整体,详见图2、图3。

验算分析的条件如下：分段浇筑高度定为3m,无束区塔柱模板需克服两种工况的共同作用：3m高度形成的侧压力P1；塔柱的外倾力P2。我们分别以面板、小背楞、大背楞为研究对象，对两种工况进行了分析。

计算荷载（工况1）：

一段塔柱（3m）混凝土必须在初凝（6～8h）前浇筑完成,混凝土方量约为47m3。作用于模板的最大侧压力Pmax为：Pmax=0.22XγXt0XK1XK2Xv1/2或Pmax=kXγXh （二者取其小值）；

其中,Pmax为新浇筑混凝土对模板的最大侧压力（kPa）,h为有效压头高度（h）；

v为混凝土的浇筑速度 （m/h）,一次浇筑高度为3m,则v=3m/6h=0.5m/h；

t0为新浇混凝土的初凝时间（h）,可按实测确定；

Υ为混凝土的容重（kN/m3）,取24kN/m3；

K1为外加剂影响修正系数,不掺外加剂时取1.0,掺缓凝作用的外加剂时取1.2；

K2为混凝土坍落度影响修正系数,取1.15；

按《公路桥涵施工技术规范》

Pmax=0.22XΥXt0XK1XK2Xv1/2 代入数据,则

P1=0.22X24kN/m3X6X1.2X1.15X0.51/2=31kPa。

计算荷载（工况2）：

由图4可知,只有阴影部分塔柱才会产生外倾力。

因此G1=sin22XG,保守起见,把G≈V(全)X 2.4t/m3=43X2.4=103.2t

G1=sin22XG=38.65t

P2=G1÷S(模板)=38.5÷（3X6）=2.1t/m2=21 kPa

面板强度计算（工况1）：

本模板工程的面板为单向板。查《路桥施工计算手册》“模板工程部分”相关章节得：模板在均布荷载作用下的弯矩M=式中l为支撑面板的背楞间距。

现取1mm宽的板条作为计算单元,荷载q为：q=31 kPaX0.001m=31N/m=0.031N/mm

面板的截面系数：W=1/6bh2=1/6X1X62=6mm3

则面板的应力为：σ1=Mmax/W=279/6=46.5MPa。挠度验算：

面板强度计算（工况2）：

同理可得σ2=Mmax/W=31.5MPa

塔柱模板的面板在两种工况的作用下：

由于面板的强度和刚度都达到要求,因此以下计算中只将外倾面模板的小背楞和大背楞作为研究分析对象,利用有限元结构分析软件空间模拟实际工况：

工况一（模板在P1作用的模拟）：

荷载q=pl+L=31kPaX0.3m=9.3kN/m=0.93t/m

此时的边界（支点）有4个,大背楞两端是固结在垂直面模板上,中间两个支点是由对拉杆提供。

通过以上分析可知：

背楞的最大应力σ1max=119MPa、变形f1max=1.5mm、支承反力F1max=4.8t。

工况二（模板在P2作用下模拟）：

荷载q=P2XL=21kPaX0.3m=6.3kN/m=0.63t/m

此时与P2作用的支撑条件变为6个。大背楞两端仍固结、中间增设4根斜拉杆,根部焊接在劲性骨架的根部,并且此时的荷载方向是垂直于模板面。

通过以上分析可知：

背楞的最大应力σ2max=38MPa、变形f2max=0.4mm、支承反力F2max=2.7t

综上所述,背楞最大应力σmax=σ1max+σ2max=119+38=157MPa

由于在计算外倾力时考虑了整个3m段混凝土的自重,所以计算模拟相对有很高的安全系数,通过对上塔柱实际成型观测，证明这种施工工艺是可行的,同时,在实施过程中及对最终成型塔柱的复核,验证了本措施的可靠性,满足设计及相关规范要求。

[1]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[2]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].