朱 璐 樊辛紀(jì)

(長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410002)

側(cè)墻支架大模板體系在蓋挖逆作車站的應(yīng)用

朱 璐 樊辛紀(jì)

(長(zhǎng)沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410002)

結(jié)合某城市地鐵蓋挖逆作車站工程實(shí)例，介紹了側(cè)墻支架大模板體系在蓋挖逆作地鐵車站工程中的應(yīng)用，并利用SAP2000有限元軟件，分析了在頂板和中板限高條件下側(cè)墻支架體系的受力特點(diǎn)，通過力學(xué)計(jì)算，驗(yàn)證了蓋挖逆作地鐵車站施工中側(cè)墻支架大模板的安全性和穩(wěn)定性,為類似工程和現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論依據(jù)。

地鐵車站，支架，蓋挖逆作，力學(xué)驗(yàn)算

1 工程概況

某在建地鐵車站位于高架橋正下方，車站承載結(jié)構(gòu)與既有橋樁共建，又與已運(yùn)用地鐵車站進(jìn)行十字換乘，相互交錯(cuò)。車站施工里程為YCK30+819.111～YCK31+016.120，全長(zhǎng)197 m，采用蓋挖逆作法施工，地下3層為島式站臺(tái)車站，采用地下3層雙柱三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由頂板向下依次施作。

地下車站結(jié)構(gòu)分別為站廳層、設(shè)備層、站臺(tái)層。站廳層凈高4.75 m，設(shè)備層凈高6.16 m，站臺(tái)層凈高6.90 m、兩端端頭盾構(gòu)井7.91 m，側(cè)墻厚800 mm。由于施工頂板、中板過程中已經(jīng)施工1 m左右高側(cè)墻，實(shí)際側(cè)墻澆筑高度站廳層3.75 m、設(shè)備層5.16 m、站臺(tái)層5.9 m、盾構(gòu)井6.91 m。

2 施工重難點(diǎn)

由于該在建車站與既有地鐵車站換乘，又與上部高架橋橋樁共建，交錯(cuò)復(fù)雜，故采用蓋挖逆作施工。在蓋挖逆作車站施工中，主體結(jié)構(gòu)先澆筑上部結(jié)構(gòu)，后澆筑下部結(jié)構(gòu)，使得上下結(jié)構(gòu)之間的節(jié)點(diǎn)鋼筋連接與側(cè)墻混凝土接槎。而下部側(cè)墻接槎混凝土澆筑后因沉降和收縮在接槎處形成空隙，并在接縫表面產(chǎn)生析水或凝聚氣泡，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和防水上的缺陷。如何使側(cè)墻接頭處下部后澆混凝土與上部先澆混凝土連接良好，并達(dá)到整體結(jié)構(gòu)性、勻質(zhì)性和水密性要求是本工程重難點(diǎn)之一。

3 側(cè)墻支撐大模板體系方案

側(cè)墻支架大模板體系在蓋挖逆作車站中的應(yīng)用能有效解決側(cè)墻澆筑時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)接縫缺陷，同時(shí)保障側(cè)墻整體的結(jié)構(gòu)性和均勻性。該模板支撐體系由拼裝式大鋼板和三角鋼支架組合而成。

3.1 模板選型

由于施作頂板、中板過程中已經(jīng)完成1 m左右高的側(cè)墻施工，實(shí)際側(cè)墻澆筑高度為站廳層3.75 m、設(shè)備層5.16 m、站臺(tái)層5.9 m、盾構(gòu)井6.91 m。

側(cè)墻模板采用以三角鋼支架為主要受力體系的組合復(fù)合材料模板。側(cè)墻模板使用面板厚80 mm的60 cm×180 cm復(fù)合材料建筑模板；立模時(shí)預(yù)留澆筑混凝土孔洞@3 m×2 m，橫向背楞間距300 mm，采用70 mm×70 mm方木，支撐采用帶行走輪的三角鋼支架。

3.2 支架組成

單側(cè)墻體模板支架由架體部分和埋件系統(tǒng)部分組成，見圖1。架體部分包括側(cè)墻模板、單側(cè)支架、水平背楞。埋件錨固包括：地腳螺栓、內(nèi)連桿、連接螺母、外連桿、墊片、外螺母和雙槽鋼壓梁。

3.3 模板配備

模板配備要求見表1。

表1 模板配備要求

4 側(cè)墻支架荷載分析及驗(yàn)算

拼裝好單元模板及架體后,采用三角鋼支架進(jìn)行支模處理。由于受到上部已澆筑頂部或中板的限制，混凝土澆筑受力主要由復(fù)合材料模板和三角鋼支架承擔(dān)，側(cè)墻與上頂板、中板之間的接槎質(zhì)量由模板支架的受力特點(diǎn)決定，側(cè)墻支架支模穩(wěn)定性也需要驗(yàn)算，以站臺(tái)層側(cè)墻為算例。

4.1 側(cè)墻模板基本尺寸

側(cè)墻澆筑高度6 910 mm，模板采用易安特復(fù)合材料模板。橫向背楞間距300 mm，采用70 mm×70 mm方木，模板面板厚度6.0 mm。70 mm×70 mm方木抗彎強(qiáng)度15 N/mm2，彈性模量9 000 N/mm2，側(cè)墻支架大模板體系如圖2所示。

4.2 側(cè)墻模板穩(wěn)定性驗(yàn)算及力學(xué)分析

強(qiáng)度驗(yàn)算須考慮澆筑混凝土側(cè)壓力和傾倒沖擊荷載標(biāo)準(zhǔn)值；撓度驗(yàn)算只考慮新澆混凝土側(cè)壓力產(chǎn)生荷載標(biāo)準(zhǔn)值。澆筑時(shí)，新澆混凝土作用于模板側(cè)模壓力最大。側(cè)壓力值取式(1)，式(2)中較小值[2]:

F=0.22γct0β1β2V1/2

(1)

F=γcH

(2)

其中，F(xiàn)為模板的最大側(cè)壓,kN/m3；γc為新澆混凝土重度，kN/m3；t0為初凝時(shí)間，h，當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可采用：t0=200/(T+15)(T為混凝土的溫度,℃)；β1為外加劑影響修正系數(shù)，不摻時(shí)取1.0，摻外加劑時(shí)，取1.2；β2為坍落度影響修正系數(shù)；V為混凝土的澆筑速度；H為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置至新澆筑混凝土頂面時(shí)的高度,m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況得混凝土的側(cè)壓力為：

F=25×6.9=172.5 kN/m2。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，取較小者，得：

F=53.12 kN/m2。

混凝土有效壓頭高度：

h=F/γc=53.12/25=2.1 m。

考慮設(shè)計(jì)澆筑混凝土產(chǎn)生的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值為4 kN/m2。設(shè)計(jì)組合荷載為支架和模板的荷載組合按照《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》[3]的方法計(jì)算，見表2。

計(jì)算得出組合荷載為：

F1=53.12×1.2+4×1.4=69.34 kN/m2。

4.2.1 側(cè)墻模板驗(yàn)算

主楞采用70 mm×70 mm方木，豎向間距300 mm,側(cè)墻模板按多跨連續(xù)梁計(jì)算，面板計(jì)算寬度取內(nèi)楞間距L=0.3 m，化為線均布荷載：

q1=LF1=0.3×69.34=20.80 kN/m。

q2=LF2=0.3×63.74=19.12 kN/m。

從《建筑模板施工安全技術(shù)規(guī)范》[2]中得到對(duì)應(yīng)的截面慣性矩I和截面抵抗矩W：

慣性矩為：I=240.06×104mm4。

抵抗矩為：W=37.61×103mm3。

1)驗(yàn)算抗彎強(qiáng)度：

M=0.1q1L2=0.187×106N·mm。

2)驗(yàn)算撓度：

ω=0.08 mm<[ω]=300/400=0.75 mm。

對(duì)水平主楞進(jìn)行抗彎強(qiáng)度和撓度驗(yàn)算可知，側(cè)墻模板主楞在該荷載條件下滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 次楞驗(yàn)算

次楞采用70 mm×70 mm方木，背楞間距300 mm，跨度600 mm。

截面慣性矩：

I=bh3/12=2 000 833.3 mm4。

截面抵抗矩：

W=bh2/6=57 166.6 mm3。

E=9.0×103N/mm2。

1)驗(yàn)算抗彎強(qiáng)度。

次楞按三跨連續(xù)梁計(jì)算得：

M=0.1q1L2=0.749×106N·m。

2)驗(yàn)算撓度。

對(duì)次楞進(jìn)行抗彎強(qiáng)度和撓度驗(yàn)算可知，次楞在該荷載條件下滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4.2.3 單側(cè)支架驗(yàn)算

單側(cè)支架承受的荷載主要為側(cè)壓力，取混凝土最大澆筑高度為6.91 m，側(cè)壓力取為F=53.12 kN/m2，有效壓頭高度h=2.1 m。

1)支架受力分析。單側(cè)支架按間距600 mm布置,設(shè)計(jì)荷載為：

q=69.34×0.6=41.60 kN/m。

采用SAP2000對(duì)單側(cè)支架進(jìn)行受力分析,見圖3。

對(duì)側(cè)墻三角鋼支架進(jìn)行力學(xué)分析，得到如表3所示結(jié)果，1～15為桿件編號(hào)。

表3 側(cè)墻三角鋼支架內(nèi)力計(jì)算表

可將側(cè)墻三角鋼支架作為平面桁架處理，2號(hào)桿軸力為-321.9 kN，為上弦桿受壓，1號(hào)、3號(hào)軸力分別為272.0 kN和280.9 kN，為下弦桿受拉，由此形成的力偶來平衡外部荷載產(chǎn)生的彎矩，外荷載所產(chǎn)生的剪力則由腹桿承受，使得材料力學(xué)性能得到充分發(fā)揮。三角鋼支架最大力接近于支撐點(diǎn)部分，此處弦桿的能力被完全利用。由于平面桁架的側(cè)向剛度較小，除需要設(shè)置支撐外，受壓構(gòu)件還需要滿足穩(wěn)定性要求[4]。

2)驗(yàn)算受壓構(gòu)件穩(wěn)定性見表4。

表4 受壓構(gòu)件穩(wěn)定性計(jì)算分析

比較3號(hào)鋼b類截面穩(wěn)定系數(shù)表，壓桿穩(wěn)定性均滿足要求。對(duì)桿件進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：

1號(hào)桿件最大剪應(yīng)力：

2號(hào)～7號(hào)桿件最大剪應(yīng)力：

8號(hào)～15號(hào)桿件最大剪應(yīng)力：τ=0，各桿件剪應(yīng)力均小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=125 N/mm2，故滿足強(qiáng)度要求。

桿件受彎最大應(yīng)力：

3號(hào)～7號(hào)桿件受彎最大應(yīng)力：

8號(hào)～15號(hào)桿件受彎最大應(yīng)力：σ=0。

各桿件應(yīng)力均小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=205 N/mm2，故滿足要求。

4.2.4 支架埋件的驗(yàn)算

埋件反力見圖4。

支點(diǎn)1：

Rx=251.7 kN。

Ry=-249.92 kN。

支點(diǎn)2：

Rx=0 kN。

Ry=259.77 kN。

單側(cè)支架按間距800 mm布置，根據(jù)平衡方程得：

F總與地面角度為：α=45.20°,埋件間距300mm,所以600mm內(nèi)共有2個(gè)埋件承擔(dān)合力。

其中，單個(gè)埋件最大拉力為：

F=354.7×0.5=177.35kN。

1)埋件強(qiáng)度驗(yàn)算。埋件采用d=25mm的螺紋鋼，最小有效截面面積為A=3.14×102mm2。軸心拉應(yīng)力強(qiáng)度為：

2)埋件錨固驗(yàn)算。對(duì)于彎鉤螺栓，其錨固強(qiáng)度計(jì)算只考慮螺栓與混凝土粘結(jié)力作用即可。錨固強(qiáng)度計(jì)算為：

F錨=πdhτb=186.83 kN>177.30 kN。

其中，F(xiàn)錨為錨固力，N；d為地腳螺栓直徑,mm；h為地腳螺栓錨固深度,mm；τb為錨固粘結(jié)強(qiáng)度，N/mm2。

經(jīng)計(jì)算可知支架埋件的強(qiáng)度和錨固強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本文以某城市地鐵蓋挖逆作車站為工程背景，詳細(xì)介紹了側(cè)墻支架大模板體系在蓋挖逆作車站工程中的應(yīng)用，通過有限元計(jì)算得到在頂板和中板限制的條件下側(cè)墻支架體系的受力特點(diǎn)，驗(yàn)證了側(cè)墻支架大模板體系在蓋挖逆作車站應(yīng)用的安全性和穩(wěn)定性，為類似工程和現(xiàn)場(chǎng)施工提供了理論指導(dǎo)依據(jù)。1)側(cè)墻支架可作為平面桁架處理，斜桿為上弦桿受壓，側(cè)模和底模桿件為下弦桿受拉，外部荷載產(chǎn)生的彎矩由其形成力偶來平衡，外荷載所產(chǎn)生的剪力則由腹桿承受，三角鋼支架最大力接近于支撐點(diǎn)部分，故需要做錨固處理，此處桿件的能力才可被完全利用。2)新澆混凝土?xí)?duì)正截面的側(cè)模產(chǎn)生不平衡力，豎向和水平施加均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)軸力，在實(shí)際施工中水平桿、垂直桿和斜桿共同受力，確保側(cè)墻模板壓實(shí)與平衡。

[1] GB 50204—2015，混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[2] JGJ 162—2008，建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 江正榮.建筑施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2013:56-60.

[4] ACI 347—04，Guide to Formwork for Concrete[S].

[5] 陳立錦.單側(cè)模板支撐體系在地鐵明挖車站施工中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2009,40(11)：266-268.

[6] 梁曉亮,陳 杰.高大模板施工技術(shù)在地鐵車站主體結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用[J].建材與裝飾，2015(11):266-268.

[7] 劉玉濤，黃 堅(jiān).新澆混凝土對(duì)傾斜模板側(cè)壓力及支架受力分析[J].施工技術(shù)，2012,42(366):85-87.

[8] 蘇 潔，張頂立，高自友，等.蓋挖逆作法施工地鐵車站結(jié)構(gòu)變形及其控制[J].中國鐵道科學(xué),2010，31(1):60-65.

The application of side wall support large formwork system in cover and excavation top-down station

Zhu Lu Fan Xinji

(ChangshaRailTransitGroupLimitedCompany,Changsha410002,China)

Combining with the cover and excavation top-down station engineering examples of a city subway, this paper introduced the application of side wall support large formwork system in cover and excavation top-down station, and using the SAP2000 finite element software, analyzed the loading features of side wall support system under the condition of top plate and medium plate high limit, through the mechanical calculation, verified the safety and stability of side wall support large formwork in cover and excavation top-down subway station construction, provided theoretical basis for similar engineering and site construction.

metro station, support, cover and excavation top-down, mechanical checking

1009-6825(2017)03-0098-03

2016-11-04

朱 璐(1989- )，女，助理工程師； 樊辛紀(jì)(1986- )，男，工程師

TU755.2

A