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        傾斜結(jié)構(gòu)模板定位施工技術(shù)

        2012-09-25 07:36:02朱建中宋家武
        重慶建筑 2012年4期
        關(guān)鍵詞:牛腿槽鋼拉桿

        朱建中,宋家武

        (重慶建工集團(tuán)橋梁工程有限責(zé)任公司 重慶 400060)

        1 引言

        縱觀當(dāng)今建筑,美學(xué)要求越來越突出,異型結(jié)構(gòu)因此越來越多。如在大跨徑斜拉橋梁中,其墩(或塔)柱均設(shè)成A形、人形、Y形或倒Y形。這些結(jié)構(gòu)雖然增加了建筑物的美感,卻也給施工增大了難度。近年來,在傾斜狀結(jié)構(gòu)施工中,因措施不當(dāng)而導(dǎo)致質(zhì)量和安全事故時有發(fā)生,造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

        施工中,傾斜結(jié)構(gòu)模板的定位尤為困難,原因有二:一是它要承受混凝土灌注沖擊力、部分混凝土及鋼筋自重、施工措施荷載和風(fēng)雪荷載等所產(chǎn)生的巨大外傾力;二是施工高度較大,經(jīng)常處于深溝河谷的危險(xiǎn)環(huán)境等。在模板設(shè)計(jì)時,施工單位必須把它列為重點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算驗(yàn)證。而國家相關(guān)規(guī)定也明確了高大模板專項(xiàng)方案必須通過專家論證,可行后方可進(jìn)入現(xiàn)場實(shí)施。

        下面就某大橋工程傾斜結(jié)構(gòu)定位施工技術(shù)作初步探討。

        2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        該工程主塔柱單塔截面為空心薄壁矩形,雙塔立面呈Y形。下塔柱尺寸三邊漸變收分,上塔柱最大傾斜角度220,離地高度達(dá)到120m。其主要特點(diǎn)如下:

        2.1 高

        一是結(jié)構(gòu)高度達(dá)到120余米,要特別注意施工安全;二是施工精度要求高,結(jié)構(gòu)外表面按照清水混凝土施工。

        2.2 大

        一是結(jié)構(gòu)尺寸大,混凝土方量大,要按照大體積混凝土技術(shù)進(jìn)行施工(本文不作討論);二是要求采用大面積模板,必須進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

        2.3 難

        高空傾斜施工定位技術(shù)難。

        3 施工設(shè)計(jì)及施工

        3.1 腳手架

        由于塔柱為從直立收分變?yōu)橥鈨A斜狀,原方案中在直立收分段采用在導(dǎo)向模板上設(shè)定型型鋼腳手架,而外傾段考慮在已灌注混凝土上設(shè)埋件加焊牛腿再擱置定型型鋼腳手架的辦法。該方法有以下缺點(diǎn):一是浪費(fèi)材料。雖然技術(shù)受力可行,但一個位置的埋件和牛腿最多只能保證兩段鋼筋施工,之后又要重新考慮設(shè)置牛腿,使得多用埋件和焊條;二是操作困難。牛腿在焊接時需另外設(shè)吊籃架而顯得十分繁瑣,加之懸空操作且操作面窄,使得施工無比困難;三是牛腿埋件剔除后需經(jīng)過二次處理以確保外觀質(zhì)量;四是由于重復(fù)的設(shè)置牛腿和焊接安裝的困難,無形中延長了工期;五是高空懸空作業(yè)增加了安全隱患。

        在實(shí)際施工中,考慮到腳手架上僅有施工人員、小型焊接連接設(shè)備,以及腳手架自重,總荷載不超過10kN,因此,采用短邊模板包長邊模板的辦法,把短邊模板適當(dāng)加固,在其端頭設(shè)可拆卸式(也可固定)定型型鋼牛腿,其上再設(shè)置腳手架,起到同時解決上述難題的作用(圖1)。

        圖1 腳手架平面立面布置圖

        其工作原理是:腳手架與牛腿連接后,所有施工荷載通過連接螺栓或焊接縫傳遞給短邊模板,短邊模板靠自身剛度再通過拉桿傳遞給已澆混凝土。由于每一節(jié)段模板都可設(shè)置牛腿,在模板翻移時,牛腿跟著上翻,既方便又快捷。當(dāng)然,其連接和受力都需經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算,以確保施工的安全。

        (1)原模板加固

        上一段混凝土完成后,在安裝腳手架前,對短邊導(dǎo)向模板所有拉桿重新緊固。將模板端頭75角鋼與原8號槽鋼背楞加強(qiáng)焊接,角鋼槽內(nèi)側(cè)還可設(shè)三角筋板。把需要連接牛腿位置的75角鋼肢加寬,使其連接面不小于200X300mm,保證牛腿與角鋼有4個螺栓連接。此工作在加工模板時就可以完成。

        (2)牛腿的設(shè)計(jì)和連接

        牛腿同樣采用75角鋼,將設(shè)有¢18螺栓孔的1~1.5cm厚200X300mm鋼板與牛腿角鋼焊接,然后用¢16螺栓與模板端頭加寬位置連接。

        (3)腳手架設(shè)計(jì)和連接

        為減輕腳手架自重,腳手架材料均采用輕型型鋼。每層(共三層)操作平臺均鋪焊鋼板網(wǎng),外側(cè)按照安全防護(hù)規(guī)定設(shè)護(hù)欄。腳手架寬度60~80cm,高度3~4m,長度6.15m(結(jié)構(gòu)長度加模板厚度)。腳手架立柱腳和牛腿上相應(yīng)位置設(shè)200X300鋼板,兩者用螺栓連接,螺栓孔¢18,螺栓¢16。

        3.2 模板

        模板設(shè)計(jì)施工是個重點(diǎn)。由于該工程是按照清水混凝土的要求施工,為求美觀,采用了大塊定制鋼模翻模施工手法,型鋼肋骨、拉桿鎖固、斜拉定位的措施。具體設(shè)計(jì)見附圖五。

        (1)面板

        根據(jù)結(jié)構(gòu)斷面尺寸和分節(jié)段情況,在高度上設(shè)為1.5m,長度為塔柱長邊做成6m,短邊做成4m,即短邊包長邊。面板厚度0.6cm,Q235鋼材。必須注意:由于塔柱成外傾斜狀,每一節(jié)段內(nèi)外都有一個高差,外弧需要補(bǔ)充一塊窄模以調(diào)節(jié)到同一高程。同樣,拉桿也有一個錯位的情況,后面將作說明。采用專用脫模劑。

        (2)背肋、背楞

        邊框采用普通75角鋼,上下連接處設(shè)成偏搭接形式,以防止漏漿。板后背肋采用普通8號槽鋼,間距為30cm。背肋與面板均采取間斷焊,焊縫長5cm,間隔距離15cm。(此步驟注意施焊順序,以防變形)背楞采用雙肢12.6槽鋼,每塊模板設(shè)兩道背楞,距離1m。

        (3)拉桿

        采用45號直徑25mm的圓條鋼,水平間隔距離65~110cm,豎向間隔距離50~100cm,戴雙螺帽。本方法采用了短邊包長邊的辦法,由于結(jié)構(gòu)中空,角部一定范圍不便設(shè)拉桿(如果設(shè)穿通對拉浪費(fèi)材料),因此在角部設(shè)硬腿加固。對于內(nèi)外弧模板高度不一造成拉桿錯位的問題,我們考慮了一種通用各種傾斜度的附加背楞的辦法,即在原橫向背楞外層再設(shè)一道豎向背楞,拉桿可以任意布置而避免了彎折。

        (4)定位拉索定位

        斜拉索有兩種,一種是體內(nèi),一種是體外。前者適用于施工高度不大,直立收分段;后者適用于外傾段且塔兩肢距離較小的節(jié)段。體外拉索主要采用直徑21.5mm鋼絲繩對拉,10t葫蘆收緊,每一個斷面設(shè)3~4組。

        龍門桿件定位

        對于外傾且兩肢塔柱距離較大,采用萬能桿件龍門架定位。龍門架可以起到對拉對頂?shù)淖饔?,確保了混凝土灌注過程中模板變位在控制范圍。龍門架采用雙肢萬能桿件拼裝,支架高34m,寬20m,中間設(shè)一道橫聯(lián)。對拉鋼絲繩采用2Φ28布置,每根預(yù)拉10t力。

        (5)模板設(shè)計(jì)計(jì)算

        計(jì)算荷載

        傾斜段澆注高度定為4.5m和3.0m兩種?,F(xiàn)按4.5m高度進(jìn)行模板設(shè)計(jì),而一段塔柱(4.5m)混凝土必須在初凝(6~8h)前完成,混凝土方量約為64方,混凝土的澆筑速度v=0.75m/h。

        作用于模板的最大側(cè)壓力Pmax為:

        其中,Pmax為新澆筑混凝土對模板的最大側(cè)壓力(kPa);

        h為有效壓頭高度(h);

        v為混凝土的澆筑速度 (m/h),一次澆筑高度為

        t0為新澆混凝土的初凝時間(h),可按實(shí)測確定;

        Υ為混凝土的容重(kN/m3),取24kN/m3;

        K1為外加劑影響修正系數(shù),不摻外加劑時取1.0,摻緩凝作用的外加劑時取1.2;

        K2為混凝土坍落度影響修正系數(shù),取1.15;

        按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》,Pmax=0.22×Υ×t0×K1×K2×v1/2代入 數(shù)據(jù), 則Pmax=0.22×24kN/m3×6×1.2×1.15×0.751/2=37.86kPa。

        最不利情況為塔柱外傾最大的時候。塔柱模板外傾角最大為:a=68°,現(xiàn)擬將模板豎直方向范圍以外的混凝土荷載(即外傾部分混凝土荷載)考慮為作用在外傾模板的荷載P2,P1為沿豎直方向AB計(jì)算的澆筑混凝土?xí)r對模板的側(cè)壓力(圖2)。

        圖2 最不利情況下混凝土對模板的側(cè)壓力

        將P1、P2沿上圖所示的x—x方向進(jìn)行分解,

        得 出 P=P1Xcos22°+P2Xsin22°=37.86cos22°+21.7Xsin22°=35.1+8.13=43.23kPa

        對于外傾模板,根據(jù)《路橋施工計(jì)算手冊》,傾倒混凝土?xí)r對側(cè)面模板產(chǎn)生的水平荷載P,由Pmax=K×Υ×h可計(jì)算混凝土澆筑時對側(cè)模板的側(cè)壓力,其中k為外加劑修正系數(shù)(不加時,k=1;摻緩凝外加劑時,k=1.2),h為有效壓頭高度。

        當(dāng)傾斜角≥55°時,沿澆筑豎直面計(jì)算h,而弧形段模板外傾角為68°。

        由v/T=0.75/30=0.025<0.035,其中,v為混凝土澆筑速度(m/h);T為混凝土入模時的溫度 (℃)。 則h=0.22+24.9v/T=0.22+24.9×0.025=0.8425m

        則Pmax=k×Υ×h=1.2×24kN/m3×0.8425m=24.264kPa

        另外,考慮振搗混凝土?xí)r對模板產(chǎn)生的側(cè)向荷載4.0kPa,則Pmax=43.23+24.264+4.0=71.49kPa。

        模板計(jì)算

        面板強(qiáng)度驗(yàn)算

        模板的面板被縱橫肋分割成許多小塊方格,根據(jù)方格的長寬尺寸比例lx=30cm,ly=20~80cm(Lx、Ly分別為楞方的橫、豎向間距)。

        由Lx/Ly=30cm/80cm=0.375<0.5,因此,本模板工程的面板應(yīng)按單向板考慮。查《路橋施工計(jì)算手冊》“模板工程部分”相關(guān)章節(jié)得:模板在均布荷載作用下的彎矩M=撓度f=,式中l(wèi)取l和l的最小值。Xy

        現(xiàn)取1mm寬的板條作為計(jì)算單元,荷載q為:q=71.49kPa×0.001m=71.49N/m=0.07149N/mm

        面板的截面系數(shù):W=1/6bh2=1/6×1×62=6mm3

        則面板的應(yīng)力為:σ=Mmax/W=643.41/6=107.2MPa<[σ]=215MPa,滿足規(guī)范要求。

        面板撓度驗(yàn)算

        [8槽鋼豎楞方計(jì)算

        豎向楞方間距為300mm,初步設(shè)計(jì)采用[8槽鋼,支承于橫向外肋上。荷載q=Ph=0.071284×300=21.39N/mm,查《五金手冊》得 [8槽鋼的截面系數(shù)W=25325mm3,慣性矩I=1013000mm4,豎向楞方現(xiàn)按2端帶懸臂的 (25cm+20cm+75cm+30cm)3跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)計(jì)算其內(nèi)力。

        2[12.6槽鋼橫楞方計(jì)算

        橫向楞方高度上間距為200~800mm,初步設(shè)計(jì)采用2[12.6槽鋼。荷載q=Ph=0.071284×750=53.5N/mm,查《五金手冊》得2[12.6槽鋼的截面系數(shù)W=123334mm3,慣性矩I=7697268mm4,橫向楞方現(xiàn)按20×30cm等跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

        σmax=3.15MPa<[σ]=215MPa,滿足規(guī)范要求。

        結(jié)構(gòu)變形很小,忽略不計(jì)。

        驗(yàn)算結(jié)論

        a、面板、橫、豎向楞方強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求;

        b、根據(jù)面板、橫、豎向楞方撓度,進(jìn)行撓度組合為:

        面板與豎向楞方組合:fmax=1.139+0.136=1.266mm<1.5mm

        面板與橫向楞方組合:fmax=1.19+0=1.19mm<1.5mm

        可見,模板的變形滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。

        拉桿計(jì)算

        拉桿拉應(yīng)力

        模板拉桿設(shè)計(jì)選用Φ25的對拉桿,拉桿平面間距為La=1.2~1.5 m,高度上間距Lb=0.7~0.8m。拉桿采用Q45號鋼,查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》Q45號鋼的容許拉應(yīng)力為:[σ]=210MPa,As=4.91cm2,由[N]=AsX[σ]=3.53cm2X210MPa=103.11kN

        拉桿抗剪應(yīng)力

        施工時拉桿與螺栓及混凝土面接觸良好,可將拉桿考慮成處于純剪狀態(tài)。施工時的最不利狀況為未拆除的那層導(dǎo)向模板承受的下一段3m高的模扳及施工荷載ΣP=30t

        則拉桿所受的剪應(yīng)力τ:

        4 結(jié)語

        該工程雖然很好地解決了上述一些問題,但仍然存在超大模板的拆卸安全難題,有待進(jìn)一步研究完善。

        通過對該工程鋼筋混凝土傾斜塔(墩)柱模板的精確定位控制,成功地解決了該工程高難度、高危險(xiǎn)的難題,而且縮短了工期,節(jié)約了成本,保障了施工質(zhì)量,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

        [1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ041-2000公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2000.

        [2]范立礎(chǔ).橋梁工程(高等教育教材上冊)(第二版)[M].北京:人民交通出版社,1986.

        [3]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(GBJ17-88版)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.

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