空心薄壁墩翻模施工的力学特性与施工技术分析

■毛晗龙

（南平市公路事业发展中心浦城分中心，浦城 353400）

近年来，随着我国公路建设的迅猛发展，大跨度高墩桥梁的建造也涌现出诸多新技术， 如滑模法、翻模法、爬模法等[1]。 其中塔吊翻模法施工具有设备投入少、模板自重小、墩身混凝土外观质量易控制、可及时纠正偏差等优点，但同时也存在施工技术难度较高、安全可靠性有待优化等问题[2～3]。

1 工程概况

福建山区某国道桥桥梁全长512 m， 桥宽12 m，设计荷载：公路-Ⅰ级。桥孔分三联布设，第一联为5×30 m 预应力混凝土连续刚构组合T 梁，第二联为（85+155+85）m 预应力混凝土变截面箱梁连续刚构，第三联为1×30 m 预应力混凝土简支T 梁。主桥下部变截面箱梁主墩6#、7# 墩为空心薄壁墩，墩台截面外尺寸为6.0 m×6.0 m， 内尺寸4.0 m×4.0 m，上实体段3 m，下实体段5 m，内上下倒角0.6 m×0.6 m，墩高均为62.7 m。 6# 桥墩构造如图1所示。

图1 桥墩构造图

对比滑模、爬模，翻模施工采用整体大块钢模板，脱模时间有保证，混凝土外观质量易于控制、施工接缝易于处理，广泛应用于等截面或变截面的实体或薄壁空心混凝土结构。 综合考虑本工程对外观质量要求严格、施工工期紧迫的情况，空心薄壁墩采用翻模分节段浇筑依次施工。

2 翻模施工工艺

墩身采用翻模法施工， 每套翻模由内外模板、施工平台组成。 外模板都为大模板，内模板以组合高钢模和部分定型钢模组拼成大面模板，变截面内模采用木模板。 内外模和平模板的基本结构形式相同，都由横肋、竖肋、筋板和面板组成。 面板为δ=6 mm 钢模板，横肋为[8，间距为40 cm，竖肋为δ=10 mm 钢板，间距为40 cm，背带为2 片[14，上下间距为1.00 m，上下62.5 cm 由法兰连接螺栓承力，对拉杆为M22 螺杆，横向间距为1 m。 模板之间法兰用M12×30 mm 螺栓连接，间距为20 cm。 翻模共分三节，每节为2.25 m，每次浇注高度为4.5 m，嵌固节设为2.25 m。每节施工平台宽度为0.9 m，高度为1.2 m，利用角钢焊接在模板主肋上，与模板形成整体。 翻模模板制作如图2 所示。

图2 翻模模板制作示意图

本工程空心墩模板施工分三部分：第一部分为墩身起点段，墩身截面由实心变为空心，为了便于内口斜面砼的振捣，模板安装高度定为5 m，砼浇筑高度定为5 m； 第二部分浇筑2 m 长的变截面段；第三部分为等截面空心段，自第三次施工起为标准施工节段，每次砼浇筑高度为4.5 m，嵌固节设为2.25 m。拆模时留最上一节模板不拆，下部两节模板向上翻，依次循环施工，直至墩顶以下5 m 处。 墩顶以下5 m 至墩顶下3 m 为墩身上变截面部分，最上3 m 段墩身截面由空心变为实心， 因此作为单独施工节段。 混凝土采用80 型高压地泵垂直输送，泵管依附塔吊设置，泵管与塔吊间采用U 型卡固定。 翻模施工工艺流程如图3 所示。

图3 翻模施工工艺流程

3 翻模力学性能分析

为分析大跨径空心薄壁墩翻模施工的力学性能，采用Midas Civil 8.32 有限元软件建立桥梁三维模型，截面采用CAD 导入。 采用极限状态设计法，考虑荷载分项系数进行模板整体受力分析，检算面板、主肋、横梁、对拉杆的变形、应力是否满足结构设计规范，以此判断翻模系统的安全性。

3.1 设计参数

设计参数如下：（1）翻模支撑体系尺寸：模板横肋间距400 mm；模板竖肋间距400 mm；对拉螺杆间距1333 mm（水平）、1000 mm（竖向）；（2）混凝土参数：混凝土浇筑高度4.5 m；混凝土浇筑速度1 m/h；混凝土浇筑温度20℃；混凝土坍落度140～160 mm；（3）材料参数：面板：δ=6 mm 钢模板；模板主肋：[8；模板次肋：δ=10 mm 钢板；对拉杆：M22 螺杆；背带：2 片[14。

3.2 面板

模板面板承担混凝土、施工材料等荷载。 面板采用板单元模拟，面板由竖肋和横肋分割成40 cm×40 cm 小格子，以一小格进行模拟计算，四边固结，面荷载取每次浇筑高度顶混凝土侧压力进行计算，如图4 所示。

图4 面板计算模型

浇筑混凝土压力按《混凝土结构工程施工规范》（GB 50666-2011）的公式P=kγh 进行计算。其中，渗透条件系数k=1.2，混凝土质量密度γ=25 kN/m3，有效压头高度h=1.72 m，P=kγh=51.6 kN/m2。将各参数值代入Midas Civil 软件，建模并进行结构计算分析，得出面板最大应力σmax=59.5 MPa，小于规范要求的许用应力145 MPa，面板最大变形（中心）ωmax=0.475 mm，小于规范要求的控制变形1.5 mm，均满足规范要求[4-6]。 结构受力与变形结果如图5、6 所示。 混凝土浇筑过程中应尽量避免在面板应力最大位置堆放建筑材料及人员聚集， 还应固定面板，材料对称堆放，以防面板因偏载而造成单侧翘曲。

图5 面板应力示意图

图6 面板位移示意图

3.3 竖肋

竖肋采用梁单元模拟， 模拟跨度1 m， 均布荷载P=51.6×0.4=20.64 kN/m。 如图7 所示。

图7 主肋计算模型

计算可得混凝土浇筑时竖肋最大应力σmax=67.9 MPa，小于许用应力145 MPa，竖肋最大变形ωmax=0.34 mm，小于控制变形2 mm，均满足规范要求[4-6]。竖肋结构受力与变形结果如图8、9 所示。 施工中，应对竖肋的最大应力位置、 最大变形位置采取加密、使用更高等级的钢材等措施，并实时监测主肋变形量，以保证施工安全。

图8 主肋应力示意图

3.4 横肋

横肋是翻模系统的主要受力构件，其可靠性参数反映了翻模的安全性。 横肋采用梁单元模拟，计算模型如图10 所示。 横肋跨度1.333 m， 均布荷载P=51.6 kN/m。 横肋应力随混凝土浇筑高度增大而增加，即从第1 道横肋开始逐渐增大，到第3 道横肋时达到最大值。

图10 横肋计算模型

计算分析得出， 混凝土浇筑时横肋最大应力σmax=47.874 MPa，小于许用应力145 MPa，横肋最大变形ωmax=0.27 mm，小于控制变形2.7 mm，均满足规范要求[4～6]。 横肋结构受力与变形结果如图11、12所示。

图11 横肋应力示意图

图12 横肋位移示意图

3.5 对拉杆

对拉杆承受翻模施工的所有静、动荷载，是高墩安全施工的决定性因素。 大桥采用M22 对拉螺杆，拉杆采用只受拉单元模拟，计算模型如图13 所示。横梁支座反力即为对拉杆受力。计算分析得出，拉杆最大拉力为34.391 kN，小于M22 螺杆容许拉力45.6 kN。 对拉杆竖向剪力进行验算：

图13 对拉杆受力示意图

可知，拉杆竖向剪力为27.1 MPa，小于规范容许值140 MPa。 因此拉杆承载力稳定，强度满足规范要求[4-6]。

4 翻模施工技术重难点分析

4.1 工程环境复杂，施工投入大

本工程跨越山区、河流，地质构造复杂；施工期高温时间长，雨量多；局部墩位施工便道难以铺设，施工场地少， 平整难度大。 变截面箱梁主墩6#、7#墩高62.7 m，属于高空作业。 单根墩身的施工周期长，模板和机械设备的投入大。

4.2 施工控制难度大

本工程高桥墩截面相对面积小、墩身高、重心高、墩身柔度大、施工精度要求高，施工轴线准确控制的难度大。 高墩翻模施工缝若处理不到位，易成为墩身受力薄弱环节。 一旦未严格按照技术方案进行，将可能出现爆模、模板突然脱落等事故。

4.3 应力监测要求高

通过仿真模拟计算可知，施工中横肋应力随混凝土浇筑高度增大而增加，从第1 道横肋开始逐渐增大，到第3 道横肋时达到最大值，因此需重点监测第3 道横肋的应力值。 同时对竖肋的最大应力位置、最大变形位置采取加密、使用更高等级的钢材等措施，实时监测竖肋变形量，保证施工安全。

4.4 临时结构坍塌、高处坠落风险高

高墩混凝土浇筑存在临时结构坍塌的风险，安装、拆除支架模板过程中易造成高处坠落、物体打击事故。 因此高墩翻模施工必须由有资质的施工单位进行施工， 施工人员必须有可靠的安全防护措施，大桥墩身施工模板、脚手架及支架均采用缆风绳加固。 高空作业安全设施应进行严格的设计检算后进行安装。 夜间高空作业时，应有足够的照明设备。 遇到六级以上大风，应停止高空作业。

5 翻模施工质量与安全控制要点

5.1 立模

6#、7#桥墩身下部5 m 为实心墩， 施工时采用底节单独设置50 cm 调节模板，而后支立两节2.25 m模板，实心段采用一次浇筑完成。 实心段施工属大体积混凝土施工，需设置循环冷却系统降低水化热影响。 实心段浇筑完成后，安装第三节模板于墩顶，同时将底节模板拆除提升至第三节模板上，支立变截面内模，进行空心倒角处墩身施工，此时施工高度为4.5 m。 在空心段底部预留2 个直径为10 cm的小孔，用于排除空心墩内积水。 后期施工中，安装通用内模，翻升外侧底部两节2.25 m 钢模进行墩身翻模循环段施工。 墩顶处实心段内模底板采用木模板，施工后无法拆除，留在墩身内部。

5.2 绑扎钢筋和模板安装

钢筋加工外架安装好后开始绑扎钢筋， 顺序为：主筋→箍筋→拉钩筋→垫块。 在钢筋绑扎时，将墩身水平勾筋绑扎牢固，间隔1 m 点焊在墩身竖向钢筋上，使墩身钢筋形成整体骨架。 绑扎竖向钢筋及底节横向钢筋后，安装第一节模板，严格控制首节模板安装的平面位置和垂直度，并有防倾覆的临时措施。 每安装一节模板，用全站仪对该节模板进行纵、横轴线、几何尺寸的测量复核，复核无误或在桥规允许误差范围内后，再进行下节模板的安装，以确保每节模板位置的安装正确。 当主筋、箍筋的安装与墩身模板拉杆孔有冲突时，应调整拉杆孔，避开钢筋位置，不得切断钢筋来调整墩身模板的固定。

5.3 混凝土浇筑

墩身混凝土浇筑前，检查施工缝凿毛、清理情况以及墩身模板加固情况（如对拉杆数量、位置）、墩身预埋件位置等。

混凝土拌制时严格控制水灰比、 混凝土坍落度、混凝土搅拌时间。 混凝土浇筑前，对称下料、分层振捣，分层高度一般在30 cm 左右，分层振捣。 振捣采用插入式振捣棒， 每个振动点振捣时间为20～30 s，做到快插慢拔。混凝土振捣应密实，无漏振、过振现象，严格控制棒头插入混凝土的间距、深度与作用时间，防止混凝土表面出现蜂窝、麻面、空洞等缺陷。 混凝土浇筑完毕后，在顶部混凝土初凝前，对表层混凝土拉毛。

5.4 模板翻升

在浇注完底节混凝土强度达到2.5 MPa 后，绑扎上节钢筋。绑扎完4.5 m 高竖筋和2.25 m 横向筋及架立钢筋后，混凝土强度达到10 MPa 后拆除第一节模板拉筋，将第一节模板用塔吊吊运至第三节模板上，以第二节模板为基座立模，立模完毕后继续绑扎剩余2.25 m 横向筋和架立钢筋，再将第二节模板用塔吊吊运至第一节模板上，完成模板翻升作业。

5.5 混凝土养护

6#、7#桥墩在夏季施工， 实心段大体积混凝土浇筑完成后，立即启用循环冷却系统，进出口水温温差控制在15℃以内，当温差过大时应调整循环系统进口处的水温， 保证循环冷却系统的降温效果。拆模前直接对钢模板采用浇水养护，拆模后用塑料薄膜对墩身内外进行包裹，继续浇水养护。 养护标准为保证实体表面湿润， 混凝土内外温差不大于15℃，综合养护时间不少于7 d。

5.6 模板拆除

模板安装顺序为先外模后内模，模板拆除顺序为先内模后外模。 拆除顺序：底节段→中节段→顶节段。 模板接缝处需做特殊处理，用打磨机将施工缝处打平，用白水泥加普通水泥掺107 胶按一定比例拌制水泥浆，对有缺陷的部位进行处理，在处理面接近风干的时候再用干水泥进行涂抹，用棉布抹匀。 模板吊装、拆除过程需专人指挥，吊装过程要有缆风绳牵引，减少模板晃动。

5.7 塔吊附着

按塔吊设计要求，塔吊与附着物第一次附着不大于31 m，第二次附着不大于21 m，第三次附着不大于21 m，第四次附着不大于18 m，根据墩身高度调整实际附着尺寸第一节为25 m，第二次附着尺寸为12 m，第三次附着尺寸为12 m，第四次附着为12 m。 预埋位置如图14 所示。

图14 对拉杆受力示意图

6 结论

从内外模板系统、施工平台模板系统、固定系统对翻模系统进行设计， 运用Midas Civil 模拟仿真证明翻模系统构造组成合理。模拟仿真计算得出：翻模系统的主要构件面板、竖肋、横肋的应力、变形和对拉杆的应力、竖向剪力模拟值均满足规范要求，即在混凝土浇筑速度1 m/h 时，翻模系统安全。 从而研究翻模施工技术重难点，制定翻模施工质量与安全控制措施，为其他同类型桥梁高墩施工提供借鉴。