梯田式回填混凝土的模板支撑设计与应用分析

钱海波，张 虎，罗 靖，王梁琪（中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

1 坑底回填混凝土概况

根据坑底基础混凝土回填工程设计要求，坑底基础持力层需达到中风化层，且岩石面碎石需清理至洁净的裸露岩面[1]。坑底基础混凝土回填工程可根据左右两侧自然分区，同时施工，根据台阶高度和地形由低向高铺展浇筑。坑底基础采取大体积混凝土进行找平后，施工两层箱型基础。回填混凝土标号为 C 25，总方量约为 13000m3。

根据现场施工条件，土建与崖壁支护单位穿插施工，坑底基础回填左侧和右侧同时施工。坑底基础大体积，回填混凝土呈台阶式，最高台阶高度为 6.83m，最低台阶高度约 0.10m。混凝土浇筑采用沿环向斜坡斜面分层浇筑的方法浇筑，由低向高浇筑。整体连续浇筑时宜为 300～500 mm，每层混凝土厚度应不超过振捣棒有效长度（35～38.5 mm）的 1.25 倍[1]，层与层之间的混凝土接合时间控制在混凝土初凝前完成，同时采用2次振捣工艺。

每次浇筑时，若临近台阶高差不大，可直接将临近台阶一起浇筑。2m 以下台阶一次浇筑成型，2～4m 台阶分2 次浇筑，4.00～6.83m 台阶分3次浇筑。整个回填混凝土工程分12次浇筑完成，通过 BIM 模拟回填完成后最终效果图如图1所示。

图1 梯田式回填混凝土 BIM 模拟效果图

2 模板支撑设计

2.1 模板支撑简化模型

现浇结构的模板及其支架拆除时的混凝土强度应符合设计要求。模板工程是混凝土结构外观质量好坏的重要保证，也是在地下结构施工中投入较大的一部分[2]。模板支撑系统的选择正确与否直接影响施工进度及工程质量。模板方案的选择和考虑的出发点是工程的质量及进度，在此基础上进行综合性经济成本分析，以达到既满足工程需要，又减少周转材料投入、降低工程成本的目的。

针对工程的复杂地质环境和特殊结构的混凝土浇筑模板工程，设计了一种可拆卸可循环的模板支撑钢架体系。整个钢架体系高2a+10 b，宽 L（L=L 1+L 2+L 3+L 4），主要由 22 根12号工字钢和14根14号工字钢拼接而成，最大特点是可根据实际施工要求进行多高度、多宽度和多阶段循环使用。还包括一个组合木方，其特征在于：组合木方总高为2a+10 b，由2块高 a+2 b 木方（底部和顶部）和2块高3b 的木方（中间部分）组成；HW 100×100×6/8型钢。带螺栓的槽钢不但起到固定体系的作用，更重要的是能随时拆分和组装，如图2所示。

图2 模板支撑钢架体系整体结构简图

2.2 模板支撑使用原理

三角形不变体系中元素的支架运用表现为设置剪刀撑，适当设置剪刀撑组成几何不变体系[3]。受三角形结构稳定性原理的启发，设计了这种可拆卸式的通用性强的模板支撑钢架体系，利用型钢构件组成一个由4小部分拼接的大整体钢架，根据模板施工高度和宽度不同，如图3设置4个高度梯度（第1梯度是 0～a+2 b；第2梯度是 a+2 b～a+5 b；第3梯度是 a+5 b～a+8 b；第4梯度是 a+8 b～2 a+10 b）和 4个宽度梯度（如图3第一梯度是 0～L 1；第2梯度是 L 1～L 2；第3梯度是 L 2～L 3；第4梯度是 L 3～L 4。），从而根据施工组织，进行合理拆分和组装使用，提高了施工的灵活性，同时通过设置带螺纹的槽钢，可连接型钢构件，以适应不同高度或宽度模板要求，提供多用途，增强通用性。该模板支撑模型不仅可以有效克服现有模板支撑体系结构繁杂的弊端，而且经济实用，减少成本，加快进度。以钢代替木，可回收再利用，节约大量木材[4]。

图3 模板支撑体系二维梯度示意图

使用时，根据实际需要对不同部位和不同结构的模板支撑体系简单可分为4类：第1类是宽度 0～L1与高度 0～a+2 b 组成的区域；第2类是宽度 0～L2与高度 0～a+5 b 组成的区域；第3类是宽度 0～L3与高度0～a+8 b 组成的区域；第2类是宽度 0～L4与高度 0～2 a+10 b 组成的区域。这4类可以视具体工况进行交叉轮转使用，达到就地拆装、就地转移、循环使用的目的。

3 工程应用

坑底回填混凝土呈梯田式，错落复杂，模板支设困难，均需采取单面支撑方式进行模板支撑。经过统计，回填混凝土基础的台阶形式众多，主要分为 A 型台阶形式和AB 型台阶形式，具体分类及尺寸如表1 所示。

表1 回填混凝土基础的台阶形式和尺寸分类

本工程中选取具有代表性的台阶进行设计计算，选取高度最高台阶 6.83m(按 6.9m)进行设计，根据 GB 50204—2002《混凝土结构设计规范》的方法对 4m×6.9m 的模板支撑钢构件进行整体稳定性验算，结果见表2，均满足要求。使用 Midas 对该三角支架应力应变进行分析，整体稳定，满足受力要求。应力应变如图4所示。其余可按此类具代表性台阶模板支撑进行适当调整。对其他 3种类型支撑钢构件整体稳定性验算，结果也均满足要求。

图4 4m×6.9m 型支架应力应变图

表2 支撑钢构件整体稳定性验算

另外，对支撑系统支座设置钢丝绳 6m×19m，直径24.5 mm，抗拉强度 389.000 kN，满足要求。预埋钢筋HRB 400 φ 40，其抗拉强度 452.196 kN，满足要求。参考GB 50017—2003《混凝土结构设计规范》，支座锚固钢筋计算所需钢筋面积 479.74 mm2；设置2根 HRB 400 φ 25钢筋，截面积为 982 mm2，认为满足要求。

4 经济效益分析

(1) 与购买木方子相比，这种新型钢模板支撑架成本显著降低。购买木方需要成本约 55 万元，而租赁钢构件支撑架约 21 万元，节约 43.6%；相对于租赁来说，购买钢构件组装模板支撑架成本约 30 万元，对于周转次数少的工程显然不利于节约成本。但是，针对深坑酒店工程的特殊性，坑底回填混凝土结构复杂多变、回填方量较大的特点，考虑到钢构件周转次数多，可拆卸、可循环、可回收，购买钢构件制作模板支撑也是可行的。

(2) 对于合理的时间节点，通过计算和市场行情的分析来看：5 个月是合理时间点。使用时间＞5个月时，购买更经济；反之，租赁比较好。

(3) 结合现场工况及实际需要，使用这种钢构件组合支撑架体系比使用木方更为合理。另外，根据工期和业主要求的进度，综合分析，购买是深坑酒店坑底回填混凝土工程的最佳选择，降低成本 40% ～ 62%。

5 结 语

(1) 坑底回填混凝土呈梯田式，错落复杂，模板支设困难，均需采取单面支撑方式进行模板支撑，受力和设计要求特殊。

(2) 这种可拆卸式的模板支撑钢架体系，利用型钢构件组成一个由四小部分拼接的大整体钢架，根据模板施工高度和宽度不同，引入二维梯度施工设计，通用性强，能加快施工进度。

(3) 根据实际需要对不同部位和不同结构的模板支撑体系可以视具体工况进行交叉轮转使用，达到就地拆装、就地转移、循环使用和节约成本的目的。