桥梁圆柱墩环向附模脚手架创新设计及施工应用研究

摘要：桥梁圆柱墩施工过程中一般需要在模板外侧搭设大量的外侧脚手架或者梯笼，造成大量成本的浪费，且外侧脚手架搭设过程危险性大。为保证安全、降低施工成本并加快施工进度，文章研制了桥梁圆柱墩环向附模脚手架，通过特定的设计将圆柱墩模板及脚手架结合为一体，墩柱施工过程中无须再另外搭设脚手架，大大降低了成本。目前该模板体系已成功应用于上百座桥梁，取得了良好的经济效益，值得大力推广。

关键词：桥梁；圆柱墩；脚手架；环向附模；施工应用

中图分类号：U445.3A120393

0引言

近年来，我国的公路基础设施建设发展迅速，桥梁在其中占的比例越来越大。桥梁下部构造墩柱一般采用圆柱形式，随着混凝土圆柱数量的大大增加，其在目前的常规施工基础上如何能更加高效、安全，是需要思考的问题。

桥梁墩柱施工采用传统的扣件式钢管支架脚手架搭设施工平台，易出现很多问题，如搭设不规范；作业人员劳动强度大，安全隐患大；高大圆柱支架搭拆时间长；处于山坡的墩柱需开挖山体作为脚手架基础，破坏了山体稳定性、安全隐患大，且成本高等［1］。目前有最新的梯笼式脚手架，但用钢量大，增加了成本。无论是钢管脚手架还是梯笼，搭设高度＞30 m之后危险性极大。采用环向附模脚手架即环向模板和脚手架一体化，将其应用于陡峭地质山坡或者跨河桥梁墩柱施工，减少了对山体的扰动和支架基础开挖及支架搭设工作量，有效地保护了山体稳定，有极高的工地通用性，能够适应各种恶劣工况，从而省去了传统支架基础平台的准备工作，又避免了传统钢管脚手架安拆过程中的安全隐患。

混凝土圆柱墩模架一体化成墩施工采用环向附模脚手架的施工工艺，截至目前已在梧柳高速公路、都巴高速公路、象来高速公路等高速公路的上百座桥梁上成功应用，取得了良好的经济效益和社会效益。

1环向附模脚手架结构设计

1.1总体设计思路

在桥梁墩柱施工过程中，工人需要上下圆柱墩模板，开展调节、拧紧法兰螺栓等工作。传统做法需要搭设外部脚手架，而搭设脚手架本身就是一个危险的过程，因此考虑采用外侧架体与模板结合成为整体预先拼装好的结构［2］。针对桥梁圆柱墩施工现有技术的缺陷，从结构安全、施工进度、经济及施工便捷等多方面综合考虑，创新设计出混凝土圆柱环向附模脚手架结构。结构设计分为两部分：（1）模板本身承受流塑混凝土荷载及施工荷载，考虑模板本身的强度、刚度及稳定性；（2）外架的结构设计承受工人及施工机具的荷载，主要考虑强度及稳定性，同时考虑工人操作的施工便捷性。环向附模脚手架结构如图1所示。

1.2有限元分析验算

以直径为1.5 m的桥梁圆柱墩为例，标准节设置为3 m一节，方便运输吊装。圆柱墩模板结构设计采用8 mm厚的不锈钢钢板，竖向加劲肋采用7#角钢，角钢一侧翼板尖与圆柱模板焊接，角钢与面板形成槽口型结构，相比翼板直接焊接在面板上拥有更大的惯性矩，结构抗弯能力更强，可以减少模板的变形。水平环板采用6 mm厚钢板，板宽为120 mm，法兰板采用10 mm厚钢板，板宽120 mm。附模脚手架统一采用6#槽钢，上下爬梯采用16 mm圆钢。

为保证结构的安全性，结构验算考虑一次性浇筑15 m高的墩柱，混凝土浇筑速度达8 m/h，该速度快于正常施工的浇筑速度［3］。

根据桥梁墩柱施工的特点，圆柱环向附模脚手架结构施工期间受到的荷载主要有结构自重、混凝土侧压力、振捣混凝土的荷载、施工机具人员荷载及风荷载等。考虑结构极限工作状态，工况一是圆柱墩钢筋绑扎好之后，让3个体重150斤的操作人员站在圆柱模板顶部一侧偏压；工况二是15 m高的模板刚立好，未拉设缆风绳，受6级风荷载［4］；工况三是15 m的混凝土浇筑完毕。

针对三种工况验算结构强度，分别有三种荷载组合如下：

（1）工况一：1.2环向附模脚手架自重+1.4施工人员机具荷载。

（2）工况二：1.2环向附模脚手架自重+1.4风荷载。

（3）工况三：1.2环向附模脚手架自重+1.2混凝土侧压力+1.4施工机具人员荷载。

验算结构刚度时不同工况荷载组合系数均采用1.0。

采用Midas Civil有限元分析软件对该结构的三个工况进行验算，其结构有限元模型如图2所示。不锈钢钢板、水平环板、法兰板采用厚板单元模拟，竖向加劲肋及附模脚手架采用梁单元模拟。考虑计算结果更精细，共建立3 784个节点和3 944个单元。结构材料均采用Q235钢。边界条件根据实际约束，结构底部支撑采用一般支承约束三个方向的平动自由度，不约束转动自由度，结构内部杆件连接采用共节点的连接方式，有螺栓连接的地方释放相应杆件的梁端约束。

荷载取值：主控荷载取6级风风荷载0.35 kN/m2，混凝土浇筑速度按8 m/h，根据相关规范计算得混凝土侧压力取值为97.07 kN/m2。风荷载与混凝土侧压力均以压力荷载的形式施加到结构构件上。提取最不利工况三的强度计算结果如表1所示，结构应力云图如图3所示。由表1和图3结果可知，结构强度和刚度均满足要求，且有较大富余的安全系数［5］。

对结构整体作抗倾覆稳定性进行验算，由于工况三浇筑混凝土荷载对于结构的抗倾覆稳定性有利，因此重点考虑工况二的抗倾覆稳定性验算。对结构进行屈曲分析，屈曲模态设置为5个模态，结构自重对于结构稳定性是有利的，因此屈曲分析荷载组合为：1.0自重（不變荷载）+1.5风荷载（可变荷载）。分析得到屈曲分析结果如表2所示，一阶模态特征值为78.39，＞4，说明工况二条件下结构稳定性满足要求。

2环向附模脚手架施工关键技术

2.1环向附模脚手架的拼接

将圆柱环向附模脚手架圆柱模板部分分两块进行加工，外侧脚手架按照施工图下料加工，整体分散运输到现场，再将外侧脚手架与模板系统连接起来形成整体。

2.2环向附模脚手架安装

墩身钢筋安装完成之后，在模板上进行脱模剂涂刷，脱模剂涂刷工艺需严格控制，严禁出现漏涂或脱模剂堆积现象。采用喷雾器进行脱模剂涂刷，确保模板涂刷合格。

精确地放出每个桥墩中心点，定出模板的边线，采用吊车配合人工逐块安装模板，模板安装好后派专人对连接螺栓逐个检查，确保连接牢固、無松动，且墩柱模板四个角需拉紧缆风绳［6］。

2.3混凝土浇筑

采用环向附模脚手架施工桥梁圆柱墩，本设计每次浇筑混凝土的长度≤15 m，并通过设计验算每次浇筑高度。

桥梁墩柱可采用吊车起吊或泵送混凝土的方式。在试验室做好试验配合比，保证混凝土质量。在圆柱附模墩柱的施工中，对于混凝土浇筑的控制应做到如下两点：

（1）严格控制坍落度、水灰比。严格按实验室的施工配合比要求进行控制。

（2）严格控制浇筑混凝土的浇筑速度。

3经济效益分析

传统扣件式钢管支架在圆柱外围搭设双排脚手架，需要进行支架基础硬化处理，按照双排脚手架平均高度30 m计算，一般安装拆除一次大约需要20个工作日，每个工作日按照120元计算，应用到单个项目梧柳高速公路7标30座桥梁、741根墩柱，其安拆需要人工费约178万元。需要作业人员持长重杆件人工逐段往上搭设脚手架并逐段拆除，反复安拆741次，劳动强度大，易致疲劳作业，容易发生杆件甚至人员掉落事故。而采用圆柱墩模架一体化施工墩柱，模架支撑在桩基及桩系梁上，无支架安拆工序，大大节约了人工。

混凝土圆柱墩模架一体化成墩施工方法的应用，在保证桥梁墩柱质量前提下，提高了安全性，大大加快了施工进度，减少了支架平台开挖、脚手架材料用量及支架安拆工作，节约了成本。梧柳高速公路7标采用混凝土圆柱墩模架一体化成墩施工方法既可节约人工费178万元，还可杜绝脚手架安拆过程中的安全隐患。

以直径2 m墩柱计算，传统扣件式钢管支架在圆柱外围搭设双排脚手架需要的面积至少为49 m2（7 m×7 m），且需要进行支架基础硬化处理。梧柳高速公路7标30座桥梁、741根墩柱，需要开挖山体或者整平硬化的场地平面投影面积约为36 666.67 m2；而采用混凝土圆柱墩模架一体化成墩施工方法，减少开挖或者整平脚手架平台至少36 666.67 m2，有效保护了山体稳定，环保和社会效益显著。

4结语

混凝土圆柱环向附模脚手架具有显著的应用价值，主要体现在安全、进度等方面。

（1）安全性能高。对于桥梁墩柱采用常规的扣件式脚手架施工，易出现搭设不按规范要求的情况；而使用混凝土圆柱环向附模脚手架，其外侧架体围成一圈闭合形成一个径向的约束力，更好地约束了模板的变形，防止发生爆模事故，同时架体的平面投影更大，即高瘦比变小、结构抗倾覆能力更强。

（2）成本低。混凝土圆柱环向附模脚手架使用零部件的数量显著减少，节约了大量钢管、扣件材料，较常规施工脚手架分离方法省去多步繁琐、繁重的作业，同时减少了对山体大面积开挖、支架基础处理等工作，节约了临时用地费用及机械台班费用，降低了成本。

在模板体系安装过程中主要控制模板底部的连接及缆风绳的设置，防止结构倾覆。在施工过程中要控制好混凝土的坍落度及浇筑速度，防止混凝凝土侧压力过大。

根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 130-2011），外脚手架不能与模板体系相连，主要是针对建筑工程施工方面，而对于公路工程还未有明文规定。混凝土圆柱环向附模脚手架经过特定的设计，强度刚度均有较大的安全系数，且经过上百座桥梁墩柱施工的应用，未出现任何爆模等安全事故，值得大力推广。

参考文献

［1］黄容平.桥梁圆柱墩模板支架一体化设计及应用［C］.第二届工程总承包项目管理经验交流会暨2019中国建筑学会工程总承包专业委员会年会论文集，2019.

［2］霍军会，张翔，李震.鄠邑高架桥墩型方案设计研究［J］.公路，2021，66（10）：183-186.

［3］胡莉强.模架一体化在桥梁圆柱墩施工中的应用［J］.西部交通科技，2017（11）：80-83.

［4］JGJ 130-2011，建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范［S］.

［5］GB50017-2017，钢结构设计标准［S］.

［6］中交第二航务工程局有限公司.公路桥梁施工系列手册基本作业与临时设施［M］.北京：人民交通出版社，2014.

作者简介：黎君君（1984—），工程师，主要从事道路桥梁施工安全管理工作。