高支模技术在现场施工中的应用

2019-10-09侯良民

山东农业工程学院学报 2019年9期

关键词：侧压力穿墙挠度

侯良民

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，天津300222）

1 工程概况

成都红星路南延线下穿隧道由框架段、船槽段和挡墙段构成。框架部分采用三种结构断面形式，其中隧道南侧和北侧采用单箱双室矩形框架结构，核心区段采用多层框架结构，核心区以南段采用单箱三室矩形框架结构。

在本文中以多层框架结构为例介绍高支模施工技术。

多层框架结构F-1 层顶板厚度1.2m，底板厚度1.5m，中墙厚度0.6m，侧墙厚度0.9-1.1m(0.9m、1.1m) ，多层框架结构段支架搭设高度6.5m；F-2 层主线管廊中隔板厚度0.5m，底板厚度1.8m，侧墙1.5m。如图1-1 多层框架结构段横断面示意图

2 主体结构施工顺序

主体结构施工顺序为垫层施工→底板及底板以上70cm 侧墙施工→侧墙及顶板施工。详见图2-1。

图1-1 多层框架结构段横断面示意图

图2-1 主体多层框架结构施工顺序示意图

3 侧墙模板支撑体系设计

侧墙模板采用(1830×915×18mm)胶合板，接缝采用硬拼接缝。

竖向次楞采用100×100mm 方木，间距300mm；横向主楞采用ф48×3.5mm 钢管，间距600mm。

穿墙高强螺杆（直径14mm）采用全丝扣、止水加强型（PN-300 型止水环外径 40mm，厚度10mm），对拉螺栓采用双螺帽进行紧固；墙体上部拉杆间距 60（竖向）×60cm（纵向）、中部加密为 50×60 cm、下部加密为 45×60 cm。具体详见图 3-1、图3-2、图 3-3。

图3-1 外墙模板支设示意图

固定模板用的螺杆紧靠模板处预埋塑料方块或2cm 厚挤塑板。拆除模板后，凿出塑料方块或挤塑板，用手持切割机在拉筋的根部切除拉筋，后采用防锈漆涂刷拉筋头，留下的凹槽采用高标号抗渗微膨胀砂浆封堵密实，确保拉筋头的保护层厚度不小于1cm，并在墙体迎水面（拉筋凹槽处理面）均匀涂刷一层聚氨酯防水涂料。

中墙的穿墙螺杆外套1.8cmPVC 管，拆除模板及拉杆后，采用水泥砂浆将孔洞填充密实。

图3-2 中墙模板支设示意图

图3-3 墙模板立面、剖面图

4 支撑架的搭设

4.1 工艺流程

碗扣式钢管支架搭设的工艺流程为：结构底板准备→安放垫板→安放底座→竖立管、安装横杆组成方框→纵向装横杆加立管至需要长度→安装斜撑→铺脚手板→设置安全防护设施→预检。

4.2 施工要点

（1）以主体结构混凝土底板为基础，在结构底板上通长铺设垫木（宽 200mm×厚50mm）。

（2）拉线，安放底座。同一侧底座应在一条直线上，应保持底座在同一水平线上，少量高差用可调支座调整。

（3）距地面高度300mm 设置扫地杆（每根立杆都布设）。立好横向内外侧两根立管，装两根横向水平杆，其步距1.2m，形成一个方框。搭设好扫地杆后，紧跟搭设底部水平剪刀撑。

（4）底部立管应选用长度规格不同的立管间隔搭设，使接头错开。

（5）模板支撑架在外侧周圈从底到顶连续设置竖向连续式剪刀撑，中间在纵横向每隔10m 左右设由下至上的竖向连续式剪刀撑，其宽度控制在4-6m 内，并在竖向剪刀撑顶端、中部和扫地杆处各设置一道水平剪刀撑；水平剪刀撑宽度和纵横向竖向剪刀撑对齐并连续。

剪刀撑的斜杆与地面顶紧，夹角在45°～60°之间；

剪刀撑的搭接长度不得小于100cm，并用两个旋转扣件分别在离杆端不小于10cm 处进行固定。

5 墙模板的安装

5.1 技术参数

墙体模板采用胶合板 (1830×915×18mm) 做面板。

Φ48×3.5mm 钢管主楞间距(cm):60；100*100mm方木次楞间距(cm )30。

M14 高强对拉螺栓间距(cm):墙体拉杆共分3种形式，上部 60（竖向）×60cm（纵向）、中部加密为50×60cm、下部加密为 45×60cm，。外墙拉杆安装PN-300 型止水环（外径 40mm，厚度 10mm）。

5.2 工艺流程

侧墙模板吊运到位→安装墙模临时撑杆→穿墙螺栓（外墙螺杆加止水环）→安装另一侧墙模→安装双排钢管背楞→拧紧对拉螺栓→支设斜撑→校正垂直度→墙顶拉通线校正平直度→检查模板根部位置、缝隙并加以调整→模板预检。

5.3 施工方法

（1）模板支设前，应将墙底部施工缝处砼凿毛，剔除表面浮浆直到见到石子为止，检查墙模板安装位置的定位基准面墙线及墙模板编号。

（2）将一侧预拼装墙模板按位置线吊装就位，固定斜撑，使其稳定坐落于基准面上。安装墙体高强对拉螺栓，对拉螺栓采用双螺帽进行紧固，且外墙安装 PN-300 型止水环（外径 40mm，厚度10mm），安装完毕后清扫模内杂物。

（3）以同样方法就位另一侧墙模板，使穿墙螺栓穿过模板并在螺栓杆端套上螺母，然后调整两块模板的位置和垂直，与此同时调整斜撑角度，合格后固定斜撑，紧固全部穿墙螺栓的螺母。模板安装接缝部位必须严密，接缝处采用胶布封口，并用5×10cm 木方贴紧钉住，防止漏浆。

（4）模板安装完毕后，全面检查螺栓、斜撑是否紧固、稳定，模板拼缝及下口是否严密。

（5）在支设墙模板时，在墙两侧弹出模板位置控制线，定位准确，保证模板支设好后刚好与两侧线齐，并且浇筑砼，拆除模板后，墙上下施工缝处水平成一条线。

6 模板及支撑体系设计验算计算书

主体结构侧墙模板体系采用次楞方木+主楞钢管+高强对拉螺杆支撑+斜撑。

6.1 参数信息

次楞 100×100mm 方木间距 (mm):300，主楞Φ48×3.5mm 钢管间距(mm):600；

穿墙螺栓间距(mm): 墙体上部间距600（竖向）×600 （纵向），中部加密为 500×600, 下部加密为450×600；

高强对拉螺栓:直径(mm) M14，外墙拉杆安装PN-300 型止水环（外径 40mm，厚度 10mm）；

侧墙模板采用胶合板（1830×915×18mm）做面板。(模板厚度计算取值考虑实际情况有下差，取值15mm)。

图6-1 墙模板设计简图

6.2 墙模板荷载标准值计算

按《建筑施工计算手册》8.2 节，新浇混凝土作用于模板的最大侧压力，按下列二个公式计算，并取二式中的较小值:

其中γ——混凝土的重力密度，取24.000kN/m3；

t——新浇混凝土的初凝时间，取2.000/h；

V——混凝土的浇筑速度，取2.500m/h；

H——模板计算高度，取6.060m；

β1——外加剂影响修正系数，取1.200；

β2——混凝土坍落度影响修正系数，取0.850。

分别计算得 17.031 kN/m2、145.44 kN/m2，取较小值17.031 kN/m2作为本工程计算荷载。

计算中采用新浇混凝土侧压力标准值F1=17.031kN/m2；

倾倒混凝土时产生的荷载标准值F2=3kN/m2。

6.3 墙模板面板的计算

面板为受弯结构, 需要验算其抗弯强度和刚度。根据《建筑施工计算手册》，强度验算考虑新浇混凝土侧压力和倾倒混凝土时产生的荷载；挠度验算只考虑新浇混凝土侧压力。计算的原则是按照楞木的间距和模板面的大小,按支撑在次楞上的三跨连续梁计算。

图6-2 面板计算简图

1.抗弯强度验算

弯矩计算公式:M=0.1q1l2+0.117q2l2

其中，M——面板计算最大弯矩(N·mm)；

l——计算跨度(次楞间距): l =300.0mm；

新浇混凝土侧压力设计值q1: 1.2×17.031×0.9×0.9=16.544kN/m；

倾倒混凝土侧压力设计值q2: 1.4×3.00×0.9×0.9=3.402kN/m；

面板的最大弯矩：M =0.1×16.544×300.02+0.117×3.402×300.02= 1.84×105N·mm；

面板抗弯强度验算： σ = M/W＜f

其中，σ——面板承受的应力(N/mm2)；

M——面板计算最大弯矩(N·mm)；

W——面板的截面抵抗矩:

W = bh2/6= 600×15.0×15.0/6=2.25×104 mm3；

f——面板截面的抗弯强度设计值(f=13.000N/mm2)；

面板截面的最大应力计算值：σ = M/W =1.84×105 / 2.25×104 =8.19N/mm2；

面板截面的最大应力计算值 σ =8.19N/mm2小于面板截面的抗弯强度设计值 [f]=13N/mm2，满足要求。

2.抗剪强度验算

计算公式:V=0.6q1l+0.617q2l

其中，V——面板计算最大剪力(N)；

l——计算跨度(次楞间距): l =300.0mm；

混凝土侧压力设计值 q1: 1.2×17.031×0.90×0.90=16.554kN/m；

倾倒混凝土侧压力设计值q2: 1.4×3.00×0.90×0.90=3.402kN/m；

面板的最大剪力：V = 0.6×16.554×300 +0.617×3.402×300 = 3609.4N；

截面抗剪强度必须满足:τ= 3V/(2bhn)≤fv

其中，τ——面板截面的最大受剪应力(N/mm2)；

V——面板计算最大剪力(N)：V=3609.4N；

b——构件的截面宽度(mm)：b=915mm；

hn——面板厚度(mm)：hn=15.0mm；

fv——面板抗剪强度设计值(N/mm2)：fv=1.500 N/mm2；

面板截面的最大受剪应力计算值:τ=3×3609.4/(2×915×15)=0.395N/mm2；

面板截面抗剪强度设计值: [fv]=1.500N/mm2；

面板截面的最大受剪应力计算值τ=0.395/mm2

小于面板截面抗剪强度设计值 [τ]=1.5N/mm2，满足要求。

3.挠度验算

根据《建筑施工计算手册》，挠度计算公式:ν=0.677qL4/(100EI) ≤[ν]=L/400

其中，q——作用在模板上的侧压力线荷载: q= 17.03×0.9 = 15.327N/mm；

l——计算跨度(次楞间距): l=300mm；

E——面板的弹性模量: E=9500N/mm2；

I——面板的截面惯性矩:I=90×1.5×1.5×1.5/12=25.313cm4；

面板的最大允许挠度值:[ν]= L/400= 300/400=0.75 mm；

面板的最大挠度计算值: ν= 0.677×15.327×3004/(100×9500×2.5313×105) = 0.35 mm；

面板的最大挠度计算值: ν=0.35mm 小于面板的最大允许挠度值 [ν]=0.75mm，满足要求。

6.4 墙模板主次楞的计算

(一)次楞直接承受模板传递的荷载，按照均布荷载作用下的三跨连续梁计算。

本工程中，次楞采用木方，宽度100mm，高度100mm，截面惯性矩I 和截面抵抗矩W 分别为:

W =10×10×10/6= 166.6 cm3；

I = 10×10×10×10/12= 833.3cm4；

图6-3 次楞计算简图

1.次楞的抗弯强度验算

次楞最大弯矩公式计算：M=0.1q1l2+0.117q2l2

其中，M——次楞计算最大弯矩(N·mm)；

l——计算跨度(主楞间距): l =600.0mm；

新浇混凝土侧压力设计值q1: 1.2×17.03×0.9×0.90=16.544kN/m；

倾倒混凝土侧压力设计值q2: 1.4×3.00×0.9×0.90=3.402kN/m；

次楞的最大弯矩：M =0.1×16.544×600.02+0.117×3.402×600.02= 7.389×105N·mm；

次楞的抗弯强度应满足公式：σ = M/W＜f

其中，σ ——次楞承受的应力(N/mm2)；

M——次楞计算最大弯矩(N·mm)；

W——次楞的截面抵抗矩，W=1.66×105mm3；

f——次楞的抗弯强度设计值； f=13.000N/mm2(松木)；

次楞的最大应力计算值：σ =7.389×105/1.66×105 =4.438N/mm2；

次楞的抗弯强度设计值: [f]= 13N/mm2；

次楞的最大应力计算值σ = 4.438N/mm2 小于次楞的抗弯强度设计值[f]=13N/mm2，满足要求。

2.次楞的抗剪强度验算

最大剪力按均布荷载作用下的三跨连续梁计算，公式如下:

V=0.6q1l+0.617q2l

其中，V——次楞承受的最大剪力；

l——计算跨度(主楞间距): l =600.0mm；

混凝土侧压力设计值 q1: 1.2×17.031×0.9×0.90=16.544kN/m；

倾倒混凝土侧压力设计值q2: 1.4×3.00×0.9×0.90=3.402kN/m；

次楞的最大剪力：V = 0.6×16.544×600+ 0.617×3.402×600= 7215.26N；

截面抗剪强度必须满足公式：τ=3V/(2bh0)

其中，τ——次楞的截面的最大受剪应力(N/mm2)；

V——次楞计算最大剪力(N)：V = 7215.26N；

b——次楞的截面宽度(mm)：b = 1000.0mm ；

hn——次楞的截面高度(mm)：h0 =1000.0mm ；

fv——次楞的抗剪强度设计值 (N/mm2)：fv =1.500 N/mm2；

次楞截面的受剪应力计算值:

τ =3×7215.26/(2×100.0×100.0×2)=0.54N/mm2；

次楞截面的受剪应力计算值 τ =0.54N/mm2小于次楞截面的抗剪强度设计值fv=1.5N/mm2，满足要求。

3.次楞的挠度验算

挠度验算公式：ν=0.677ql4/(100EI)≤[ν]=l/400

其中，ν——次楞的最大挠度(mm)；

q——作用在次楞上的线荷载 (kN/m)： q =17.03×0.30=5.11 kN/m；

l——计算跨度(主楞间距): l =600.0mm ；

E——次楞弹性模量（N/mm2）：E = 9500.00 N/mm2；（松木）

I——次楞截面惯性矩 (mm4)，I=1.67×107mm4；

次楞的最大挠度计算值: ν= 0.677×5.11×6004/(100×9500×1.67×107) = 0.03 mm；

次楞的最大容许挠度值: [ν]=l/400=1.5mm；

次楞的最大挠度计算值 ν=0.03mm 小于次楞的最大容许挠度值 [ν]=1.5mm，满足要求。

(二)主楞承受次楞传递的荷载，按照均布作用下的三跨连续梁计算。

主楞采用圆钢管，直径48mm，壁厚按3.0mm计算（考虑实际情况），截面惯性矩I 和截面抵抗矩W 分别为:

W =4.49cm3；

I =10.78cm4；

E = 206000N/mm2；

Q=(1.2×17.03＋1.4×3) ×0.6=14.78KN/m, 因为采用的是双排钢管，所以承重除以2，每根钢管承重为7.39KN/m。

1.主楞的抗弯强度验算

按三跨连续梁验算，支座最大弯矩计算公式：M=0.1×ql2

M=0.1×7.39×0.6×0.6=0.27KN/m；

σ = M/W=0.27/4.49×10-6 =0.06×106 KN/m =60 N/mm2

主楞计算跨度 (按最不利的对拉螺栓间距取值): l = 600mm；

强度验算公式：

主楞的最大应力计算值 σ =60N/mm2小于主楞的抗弯强度设计值f=205N/mm2,满足要求。

2.主楞的抗剪强度验算

最大剪力按均布荷载作用下的三跨连续梁计算，公式如下:

V=0.6q1l+0.617q2l

其中，V——主楞承受的最大剪力；

l——计算跨度(对拉螺栓间距): l =600.0mm；

混凝土侧压力设计值q1: 1.2×17.031×0.600×0.900/2=5.518kN/m；

倾倒混凝土侧压力设计值q2: 1.4×3.00×0.60×0.90/2=1.134kN/m

主楞的最大剪力：V = 0.6×5.518×600.0+0.617×1.134×600.0 = 2406.2N；

主楞截面抗剪强度必须满足:τ=2V/A≤fv

其中，τ——主楞的截面的最大受剪应力(N/mm2)；

V——主楞计算最大剪力(N)：V=2406.2N；

A——钢管的截面面积(mm2)：A = 424mm2；

fv——主楞的抗剪强度设计值(N/mm2)：fv=120 N/mm2；

主楞截面的受剪应力计算值:τ =2×2406.2/424=11.35N/mm2；

主楞截面的受剪应力计算值τ=11.35N/mm2小于主楞截面的抗剪强度设计值fv=120N/mm2，满足要求。

3.主楞的挠度验算

根据《建筑施工计算手册》，挠度验算公式如下：

ν=0.677ql4/(100EI)≤[ν]=l/250

其中，ν——主楞的最大挠度(mm)；

q——作用在主楞上的线荷载 (kN/m)：q=17.03×0.6/2=5.11 kN/m；

l——计算跨度(对拉螺栓间距): l =600.0mm；

E——主楞弹性模量（N/mm2）：E=206000N/mm2；

I—主楞截面惯性矩(mm4)，I=1.078×105mm4；

主楞的最大挠度计算值: ν= 0.677×5.11×6004/(100×206000×1.078×105) = 0.2mm；

主楞的最大容许挠度值: [ν]= l/250=2.4mm；

主楞的最大挠度计算值ν=0.2mm 小于主楞的最大容许挠度值 [ν]=2.4mm，满足要求。

6.5 穿墙螺栓的计算

计算公式: N＜[N]=f×A

其中N——穿墙螺栓所受的拉力；

A——穿墙螺栓有效面积(mm2)；

f——穿墙螺栓的抗拉强度设计值，取170N/mm2；

查表得：

穿墙螺栓的型号: M14 ；

穿墙螺栓有效直径: 11.55 mm；

穿墙螺栓有效面积: A = 105 mm2；

穿墙螺栓最大容许拉力值:[N]=1.70×105×1.05×10-4=17.85 kN；

穿墙螺栓所受的最大拉力为: N =17.031×0.6×0.6=6.14kN。

穿墙螺栓所受的最大拉力N=6.14kN 小于穿墙螺栓最大容许拉力值[N]=17.85kN，满足要求。

7 高支模施工要点

7.1 钢管选择以及建立杆

按照排架设计需要确定立杆的管经和壁厚，参照排架的设计控制立杆与立杆彼此的距离，同时对于同步中的立杆，每间隔一个立杆的两个相近的接头，都需要，沿着上下方向错开的500mm 以上的距离，另外，立杆上的每个接头其中心位置到主节点的距离都不需要低于步距的1/3。

7.2 设置剪刀撑

高支撑模具构造施工中，最关键的步骤之一是剪刀撑的设置，剪刀撑的施工质量直接取决于施工技术的质量。因此，在设置剪刀撑的过程中，施工人员应该根据框架中紧固件型钢管的技术规格，以及高支撑模式施工技术的实际情况，在水平方向或垂直方向适当增加剪刀撑，以便能够提高高性能模具体的刚度水平和稳定性。

7.3 混凝土浇筑

按照施工方案的配合比进行混凝土的拌制，确保混凝土的质量满足施工要求后，方可进行混凝土的浇筑工作。在进行浇筑的过程中，应根据模板的负载能力进行浇筑，配备专门人员对支架的承重情况进行实时观察记录，若出现模板松动的情况应立刻停止施工，及时进行处理之后方可继续浇筑。

7.4 检查验收

支模架每搭设完成一步（1.2 米）即进行一次验收，最后在钢筋、模板完成后进行整段验收。首先是检测立柱、杆件、剪刀撑等的位置和水平度否能够满足施工要求；其次是检测连接部位是否牢固；最后检测支架的承重能力，将检测结果进行记录，以书面文件的形式进行存档。检测完成之后要进行场地的清理，保证表面无杂物、无积水，方便下一步施工作业。