变截面矩形百米高墩施工技术研究

张宝斯

（中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150006）

1 工程概况

1.1 墩身概况

临猗黄河大桥主桥共29个墩身，墩身均采用变截面空心薄壁墩。连续墩（41-54#、56-69#）为矩形变截面空心薄壁墩，四角设=50cm的圆角，采用C40混凝土，墩高53m~99m，墩顶为13m×6m（横向尺寸×纵向尺寸）、厚2.5m的实心段，为便于检查车通过，连续墩墩顶设2m深的槽口，槽口顶宽3.6m，底宽2m。结合本桥的景观效果及合理受力需求，桥墩下段采用变截面型式，距墩顶9m处开始纵横向坡率均为50︰1；中段6.5m高度范围内截面尺寸采用直线渐变。

1.2 墩帽概况

主桥41-54、56-69#墩帽顶部尺寸如图1所示：墩帽结构图，墩帽顶部尺寸为13m×6m，底部尺寸为10m×4.5m，墩帽高度为9m，墩顶设2m深的槽口，槽口顶宽3.6m，底宽2m。墩帽纵向坡率为2︰1，墩身纵横向坡率为1︰50。墩身墩顶为50cm实体段，墩帽底部为50cm实体段。

图1 墩帽横、纵向结构图

1.3 风环境

桥位各高度层不同重现期10min平均风速，即桥位处基本风速（10m高度、10min平均时距、100年重现期）为=29.6m/s，桥面高度处（按80m计算）的设计风速为V=42.2m/s，上场以来遇到10级风3次，11级1次。

1.4 模板概况

爬模整体包括液压系统、预埋件系统、支架系统、模板系统等模板由胶合板、木工字梁与双槽钢背楞组成。埋件系统由埋件板、高强螺杆、受力螺栓、垫圈和爬锥组成。支架系统主要由承重三角架、后移部分、中平台、吊平台、附墙承重装置、附墙撑、导轨和主背楞标准节组成。

墩身施工采用爬模，由于纵向坡比变化，爬模无法进行墩帽施工，墩帽施工采用定型钢模。外模板按106模板设计，即面板6厚钢板，边框12mm，肋[10#，背楞][16#b槽钢。墩帽考虑下包墩身800mm高，可保证墩身顶部与墩帽底部实体段一同施工。内模按86模板设计，面板为6mm厚钢板，边框12mm，肋为[8#，背楞][12#槽钢。

2 墩身施工

2.1 液压爬模施工原理

ACS100液压自动爬升模板由液压油缸驱动，操作方便快捷，液压顶升动力来自于动力单元，连接多个液压油缸实现提升，通过开关液压油缸的阀门，也可以实现不同架体的分开爬升动作。

第一次浇筑为4.60m，标准浇筑高度4.50m。第一段浇筑：支设一侧模板；安装预埋件；绑扎钢筋；支设另一侧模板；浇筑第一节段混凝土。第二段浇筑：混凝土达到强度后拆模并清理模板及平台；安装爬模挂座；将三脚架悬挂在挂座上；将模板与爬架相连；安装预埋件；绑扎钢筋；支设模板；浇筑第二节段混凝土。第三段浇筑：混凝土达到强度后拆模并清理模板及平台；安装爬模挂座及导轨并爬升架体；安装吊平台；安装预埋件；绑扎钢筋；支设模板；浇筑第三节段混凝土。重复以上步骤，进行其余层段施工。

2.2 模板组拼

组拼背楞→放置背楞→木梁组装→铺设面板。

2.3 液压爬模安装

安装三角架→安装平台板→吊装三角架→拼桁架、安装操作平台→起吊模板和桁架。

2.4 混凝土施工

墩身低于40m部分使用天泵进行混凝土浇筑，墩身高于40m的部分采用地泵进行混凝土浇筑。

2.5 液压爬模爬升

混凝土浇筑完成→拆模后移→安装附墙装置→提升导轨→爬升架体→绑扎钢筋→模板清理刷脱模剂→预埋件固定在模板上→合模→浇筑混凝土。

2.6 破冰体施工

破冰体施工待墩身施工13.5m时进行，施工墩身时在墩身倒角处预埋20mm钢板，施工破冰体时剩余钢板与预埋钢板焊接，然后进行破冰体施工。

2.7 横隔板及实体段施工

主桥41-53#、69#有一道横隔板，54-68#墩有两道横隔板，墩身横隔板与墩顶实体段浇筑厚度均为0.5m。横隔板最大尺寸为4.96m×5.12m×0.5m，横隔板段倒角为50cm×50cm。主桥41-69#墩墩顶实体段布置形式相同，顶部尺寸为10m×4.5m。

横隔板尺寸比墩顶实体段尺寸大，仅对墩顶实体段进行计算，横隔板采用与墩顶实体段相同的施工工艺。待横隔板段下方墩身混凝土达到设计要求强度后，进行空心墩横隔板段一次立模浇筑。横隔板支撑尺寸如图2~图4所示，采用在横隔板段底部空心墩四周预埋1.4m+1.2m+1.4m的工20a工字钢，在工字钢上放置顺桥向长度为4.4m的20cm×20cm方木，在方木上放置由10cm×10cm方木加工而成的桁架，桁架间距为0.8m，共放置6道，桁架上方放置15mm厚竹胶板作为底模。

图2 桁架布置图

图4 横隔板施工平面图

F1为结构自重：按实际质量取值；①F2为新浇筑钢筋混凝土荷载：26kN/m；②F3为模板质量：135kg/m；③F4为施工人员、施工材料和机具荷载：按均布荷载计算，计算模板时，取2.5kN/m；计算支撑模板的纵横梁时，取1.5kN/m；计算支架立柱，取1.0kN/m；④F5为振捣混凝土冲击荷载：2.0kN/m2；⑤F6为倾倒混凝土冲击荷载：2.0kN/m；⑥强度验算：1.2×（①+② + ③）+1.4×（④+ ⑤ +⑥）刚度验算：1.0×（①+②+③）。

横梁采用10cm×10cm方木。

=10.7MPa<11MPa（弯曲应力）

=11.354mm<12.4mm（刚度）

由此可知，方木钢强度、刚度满足受力要求。

顺桥向布置20cm×20cm方木

=9MPa<11MPa（弯曲应力）

=0.876mm<2mm（刚度）

由此可知，20cm×20cm方木强度、刚度满足受力要求。

预埋1.4m+1.2m+1.4m的工20a工字钢，工字钢长度为60cm，外露32cm。

强度计算如下。

=176.7MPa<215MPa（弯曲应力）

=0.169mm<0.8mm（刚度）

由此可知，I20a工字钢强度、刚度满足受力要求。

爬模一次施工至倒角处，施工时在距离该节顶面一定高度的位置，沿四周墩身墩壁上，预埋间距1.4m+1.2m+1.4m的I20a工字钢，桁架在底部根据尺寸进行加工，通过塔吊依次摆放20cm×20cm方木、桁架，然后安装15mm竹胶板，在底模上绑扎钢筋网片，浇筑0.5m高混凝土。混凝土浇筑结束后，当强度达到设计强度值的80%时，才可以拆除支架。

3 墩帽支撑体系设计

3.1 方案比选

模板支撑常用方法有钢棒法、牛腿法、三角托架法、抱箍法、落地支架法等，本桥墩身较大且墩高较高，采用落地支架法施工风险极高且成本较高，墩身形状无法使用常规的抱箍法施工，三角托架法施工须进行大量焊接且高空预埋钢板焊接质量难以保证，不予以考虑，钢棒法施工对墩身主体有影响，综合考虑采用牛腿法进行墩帽施工。

3.2 牛腿设计

牛腿布置如图5所示，牛腿采用工20a工字钢进行墩帽预埋，预埋深度为50cm，墩身横桥向布置4根，纵桥向布置两根，预埋工字钢上方铺设工20a工字钢位于模板正下方。为方便墩帽施工，利用爬模平台作为牛腿安装施工平台。

图5 牛腿布置图

3.3 牛腿计算

采用Midas2019对墩帽支撑进行计算，取浇筑2m混凝土时的施工荷载，荷载均以线荷载的形式添加。

图3 横隔板施工断面图

F1：结构自重：按实际质量取值；①

F2：新浇筑钢筋混凝土荷载：26kN/m；②

F3：模板质量：135kg/m；③

F4：施工人员、施工材料和机具荷载：按均布荷载计算，计算模板时，取2.5kN/m；计算支撑模板的纵横梁时，取1.5kN/m；计算支架立柱，取1.0kN/m；④

F5：振捣混凝土冲击荷载：2.0kN/m；⑤

F6：倾倒混凝土冲击荷载：2.0kN/m；⑥

强度计算按照承载能力极限状态验算，刚度计算按照正常使用极限状态验算。

强度验算：1.2×（①+②+③）+1.4×（④+⑤+⑥）

刚度验算：1.0×（①+②+③）

=143.3MPa<215MPa（弯曲应力）

=44MPa<120MPa（剪应力）

=5.834mm<6mm（刚度）

由此可知，工字钢强度、刚度满足受力要求。

=40.2MPa<215MPa（弯曲应力）

=77.5MPa<120MPa（剪应力）

=0.103mm<2mm（刚度）

由此可知，工字钢强度、刚度满足受力要求。

牛腿支撑体系的强度、刚度满足受力要求。

4 墩帽施工

4.1 支撑体系安装

在浇筑墩身砼时，在墩帽以下1m位置处预埋I20a工字钢，拆除爬模顶层支架，爬模爬升，利用爬模作为施工平台，安装I20a横梁。

4.2 墩帽施工

整体支撑体系安装完成后进行墩帽施工，墩帽分四次进行浇筑，施工顺序如下：施工工序为爬模平台拆除→钢筋绑扎→模板安装、浇筑砼→凿毛、养护→钢筋绑扎→模板安装→钢筋绑扎→模板安装、浇筑砼→凿毛、养护→钢筋绑扎→模板安装、浇筑砼→凿毛、养护→钢筋绑扎→模板安装、浇筑砼。

4.3 架体拆除

施工完成后利用塔吊拆除模板及支撑体系，按照由上至下的方式进行。

5 结论

墩身整体过程采用液压爬模进行分节施工，整体安全系数较高，很大程度解决了高空施工的安全问题且液压爬模系统施工操作简单，可随墩身截面变化进行尺寸调整，保证了施工质量。墩帽施工充分利用爬模施工平台，减少了支架搭设的时间，降低了施工的风险且拆除方案，拆除时也可以利用爬模平台，在封闭环境下进行高空作业，具有良好的经济效益与社会效益。