钢模板在沉井顶板中的应用研究

陈孝湘 唐自强 黄晓予 林宇彬 陈学东

（1中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司2国网福建省电力有限公司经济技术研究院 福建福州 350003）

沉井被广泛应用于给排水工程、电力管廊及综合管廊等市政管网工程中［1-3］，根 据沉井的施工工艺及施工顺 序［4-5］，顶板结构需要在井下沉至设计标高浇筑底板，并完成管道顶进施工后方可再进行顶板施工。

当沉井需要考虑防水时，则顶板必须采用现浇法浇筑［6］，现浇施工的沉井顶板，其传统施工工法为从井底搭设脚手架至顶板底部高程后再搭模板，后在顶板上浇筑钢筋混凝土［7］，此时井内的空间被脚手架占据，无法开展井内通道的装修或清理工作，一定程度上影响了进度，致使工期变长。

若不从井内搭设脚手架，则可采用与顶板结构一体浇筑的全预制拼装式的钢模板。钢模板所需的现场施工内容仅包含钢结构构件吊装、拼装等工序，现场工期可短至1～2天。当钢模板支撑结束后，就可以分别进行顶板现浇混凝土的浇筑和井内清理、通道内设备安装，大大缩短工程工期。

通过满铺的钢板、钢次梁、钢主梁的钢模板来承担顶板现浇混凝土施工过程的各种荷载，其结构设计与一般的模板结构一致，但在沉井工程中又具有自身的特殊性。本文在在分析研究沉井顶板施工荷载的基础上，对钢模板结构进行优化设计，提出钢模板设计的原则，为工程建设提供依据，也为相关工程提供参考。

1 钢模板的荷载分类及其取值

模板需要承担结构上的各类荷载，主要包括顶板结构自重、模板及其支架结构自重、施工人员及设备荷载、振捣荷载、构件翻转及安装荷载等。

1.1 结构自重

顶板结构自重为钢筋混凝土材料板的自重，顶板结构可以按钢筋混凝土重量合计计算，亦可根据实际情况分开计算。

当采用合算时，钢筋混凝土结构的自重可取γc=24.0～25.0kN/m3，当混凝土强度等级为C30时，可取γc=25.0kN/m3。

当将钢筋与混凝土分开算时，普通混凝土用实际的重力密度确定，钢筋的自重需要根据设计图纸，计算下料钢筋的数量、规格并结合钢筋的重力密度确定。

1.2 模板及其支架结构自重

模板及支架的自重，可按图纸或实物计算确定。对于定型组合钢模板的不同类型构件的荷载可按下式取值：

（1）平板模板及小楞自重0.50kN/m2。

（2）模板自重（包括梁模板）0.75kN/m2。

（3）模板及其支架自重1.10kN/m2。

1.3 施工人员及设备荷载

沉井顶板现浇时，其主要的荷载验算包括：

（1）计算模板及直接支承模板的小楞：均布活荷载取2.5N/m2，另应以集中荷载2.5kN进行验算，取二者中较大的弯矩值。

（2）计算支承小楞的构件：均布活荷载取1.5kN/m2。

（3）计算支架立柱及其他支承结构构件：均布活荷载取1.0kN/m2。

（4）对大型浇筑设备（上料平台等）、混凝土泵等按实际情况计算。木模板板条宽度小于150mm时，集中荷载可以考虑由相邻2块板共同承受。如混凝土堆集料的高度超过100mm时，则按实际情况计算。

1.4 振捣荷载

电缆工井的顶板一般情况下都比较厚，尤其是具有防水要求的顶板结构，其厚度一般不小于250mm，施工时需要布置大量的钢筋并进行振捣，其振捣产生的荷载对模板包括水平面的荷载和垂直面的荷载2大部分：①水平面模板：取2.0kN/m2；②垂直面模板：取4.0kN/m2（作用范围在新浇混凝土侧压力的有效压头高度范围之内）。

1.5 构件翻转及安装荷载

钢模板属于预制构件，预制构件本身在加工、运输和安装过程中应进行翻转、运输、吊装、安装等短暂设计状态下的施工验算，计算时“应将构件自重标准值乘以动力系数后作为等效静力荷载标准值”，构件翻转及安装过程中就位、临时固定时，动力系数可取1.2。

2 钢模板的结构形式及其优化设计

钢模板需要承担顶板现浇过程中的所有施工荷载的作用，其结构设计应考虑承载力和变形的要求，对于影响顶板钢模板结构形式的主要因素就是混凝土板的厚度。

（1）混凝土板厚度。沉井顶板需要考虑防水，根据GB 50108-2008《地下工程防水技术规范》的规定［8］，现浇混凝土板的厚度不小于250mm，同时由于市政管网或管廊工程的沉井多位于城区环境，沉井的覆土厚度常常超过2.0m，顶板需要承担的荷载较大，同时井内多不设置立柱，顶板的跨度较大，结构需要的板厚也较厚，当采用单块大板结构时，其厚度通常要达到400mm。混凝土板的自重荷载成为钢模板设计的控制荷载。

（2）钢模板结构体系。作为钢模板结构，需要设置完整的施工荷载传力体系，主要包括满铺的钢板、用于支撑钢板的次梁和主梁。方案优化设计时要考虑三者间的相互影响。因钢板仅作为施工临时承载用，当混凝土板浇筑完成后不再参与受力，故其应在满足承载和变形要求的前提下，尽量小；次梁可以作为永久承载的一部分，但因为现浇板厚度较大，通常情况下，不考虑次梁的作用即可满足承载和变形的要求，故而亦可当成临时结构进行优化分析；主梁作为现浇钢筋混凝土施工过程荷载的最终承载构件，是钢模板体系里最为重要的构件。但从投资控制角度，除与顶板一起浇筑的满铺钢板不可回收外，主梁和次梁可考虑回收，故钢模板整体上仍应按临时结构进行设计。

（3）钢模板的主要规格参数。为了提高现浇钢筋混凝土板的质量，次梁与主梁的顶高需平齐，钢板满铺。根据施工荷载的计算，当次梁间距为400～500mm时，满铺的钢板厚度为3～4mm厚即可满足要求；次梁跨度不超过2.0m时，采用8#槽钢即可满足要求，此时钢板与次梁的耗钢量为57.9kg/m2。

主梁的间距除了影响主梁自身的规格外，还决定了次梁的规格。从前面的分析可知，主梁是沉井顶板组合结构最重要的构件，需要同时作为钢模板和组合梁板中最终的传力构件，也是钢模板结构体系中耗钢量最大的构件。

（4）钢模板主梁的梁端构造及防水措施。钢模板主梁的支座可以采用2种不同的结构形式：①钢梁简支于侧壁上。钢梁直接利用沉井侧壁作为支座，支座结构简单牢靠，但在混凝土板施工完成后不回收结构；②在井内设置落地式或直接锚固至侧壁的支座，主梁支承于内壁上，支座结构复杂，但在顶板浇筑完成后可实现构件的回收。

当采用主梁嵌入沉井侧壁的构造时，沉井顶板需要通过钢梁与井的侧壁搭接后现浇，在需要考虑防水的工程中，钢梁端部的防水措施应作专项设计。

钢梁与沉井壁对接处，属于地下工程中的施工缝，是防水的重点、难点部位。工程上可以采用凿毛预留槽口混凝土、涂刷界面剂后，再设置2道遇水膨胀橡胶条的构造措施，其构造详见图1。

当采用沉井内壁支座结构时，需要在井内壁上预埋预埋件。现场焊接牛腿后，将主梁放置于牛腿上。当顶板现浇部分的混凝土强度达到设计要求的70%以上时，可拆卸钢模板的主梁和次梁。当混凝土强度达到设计强度的100%时，顶板上方可回填土并恢复地面结构或构筑物。

（5）挠度和裂缝控制。无论是作为永久顶板结构的一部分还是只是作为临时的钢模板，都需要进行挠度的验算，当作为临时承载和支承的钢模板，其控制标准为：在顶板混凝土浇筑过程中产生的挠度不超过1/400。

3 结论

在分析市政管网工程沉井顶板施工工艺和功能需求的基础上，研究并提出了将沉井顶板木模板改为钢模板，并将钢模板主梁作为钢与混凝土组合结构的一部分，共同承担顶板上部荷载的新型组合梁板结构，并以某内净空跨度6m的工井为例，开展组合梁板结构的优化设计，得出以下结论及建议：

（1）采用钢与混凝土组合梁作为沉井顶板结构，以通过增加较小投资为代价，实现井内无脚手架施工，降低施工风险，较现浇钢筋混凝土顶板方案可缩短现场工期30天以上；

（2）组合梁板结构设计时需要考虑防水、结构耐久性等方面的需求，现浇混凝土板的厚度不宜小于250mm；通常情况下，该类型的组合梁的塑性中和轴都位于混凝土板内；

（3）当直接在组合梁的钢梁上搭次梁及满铺钢板作为现浇结构的模板时，从结构的受力和组合梁板构件发挥承载作用的综合效益而言，钢模板设计需要遵循“强永久、弱临时”的基本原则。

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