王文柱

（中國(guó)水利水電第十一工程局公司，河南鄭州 450000）

1 工程概況

坦桑尼亞新瓦米大橋項(xiàng)目為坦桑尼亞政府投資的路橋項(xiàng)目，包括大橋、兩側(cè)連接道路兩大部分以及舊橋修復(fù)工作。項(xiàng)目主體工程橋梁長(zhǎng)度0.51 km、連接道路3.90 km。

橋梁上部為5跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，下部為鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)及變截面圓形空心墩加倒棱體墩帽結(jié)構(gòu)，肋板式和U形重力橋臺(tái)，中墩為單墩，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，中墩為變截面圓錐體空心墩，壁厚80 cm。

P1、P4墩高19.6 m，P2墩高37.0 m，P3墩高44.1 m，墩柱底部最大外徑6 700 mm，墩頂直徑2 500 mm。墩帽為單柱支撐，從形狀上分上、下兩部分，上部分為矩形，外形尺寸5 m×7 m×1.5 m，下部分為倒棱臺(tái)，底面尺寸為2.8 m×2.8 m，上部和矩形體銜接。本項(xiàng)目橋梁跨度120 m，變截面圓柱空心單墩和倒棱體墩帽為國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，施工難度較大。

2 方案比選

圓形墩柱上架設(shè)托架的基礎(chǔ)條件惡劣，預(yù)埋構(gòu)件的后期處理較為煩瑣。設(shè)想在墩柱頂板埋設(shè)井架，以井架為依托，采用四周懸吊的方式，對(duì)倒棱體模板體系進(jìn)行架設(shè)。井架的主立柱采用400 mm的方鋼，懸吊拉桿采用Φ16的鋼筋，但墩頂截面較小，橫梁所覆蓋的徑直懸吊范圍較小，采用大部分斜向懸吊時(shí)，其抗扭性能較差。

井架主柱采用多層外伸桿懸吊，改善懸吊條件時(shí)，多層外伸桿與加固桿件的交叉數(shù)量較大，墩帽鋼筋密集，在墩帽內(nèi)遺留的鋼結(jié)構(gòu)最多可達(dá)3 t，方案不經(jīng)濟(jì)。純懸吊系統(tǒng)的抗扭性較差，放棄采用懸吊模板系統(tǒng)的方案。

預(yù)埋件受側(cè)壓力分布不均勻，為充分利用墩柱的側(cè)向位移限制作用，設(shè)計(jì)時(shí)考慮托架方案，采用長(zhǎng)鋼柱作為托架上的橫梁。但最長(zhǎng)橫桿大于10 m時(shí)，安裝這種橫桿仍有較大難度，如中間焊接，將影響整體強(qiáng)度。各橫桿整體埋入土?xí)r，會(huì)產(chǎn)生中間位置沖突，占用大量的混凝土體積，不利于結(jié)構(gòu)的受力。經(jīng)過(guò)多方面考慮，決定采用預(yù)埋件托架、托架間加斜撐加固、配梁分布荷載、桁架支撐以及拉桿對(duì)拉約束側(cè)移方案。

3 托架設(shè)計(jì)

對(duì)墩頂2.5 m范圍內(nèi)的8個(gè)方向進(jìn)行布置，將混凝土澆筑在墩柱頂部500 cm處，使之成為墩頂實(shí)心段，作為墩柱的底模，增加托架最上一排梁的底座厚度。墩帽為倒棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，為了保證模板系統(tǒng)的抗壓、抗扭及抗傾覆能力，建議使用內(nèi)拉外托支撐。

外三層采用型鋼三角托架，上架設(shè)鋼管架作為倒棱體的底部支撐單元，外三層通過(guò)水平拉桿固定于臺(tái)帽下部斜面。通過(guò)水平拉桿固定上部直面部分，各個(gè)桁架間用鋼管連接，使桁架間形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，防止墩帽扭轉(zhuǎn)。為了便于安裝、拆卸、周轉(zhuǎn)，型鋼三角托架支撐預(yù)埋于墩柱預(yù)埋件上，三角托架采用銷軸連接，4個(gè)型鋼支撐采用橫梁連接，構(gòu)成桶架內(nèi)支撐機(jī)構(gòu)。

下倒棱部分采用圓鋼斜拉桿，通過(guò)桶架支撐對(duì)拉，直面部分采用直拉桿對(duì)拉；完成兩兩三角支架的安裝校正，利用斜撐對(duì)拉簡(jiǎn)易加固，全部完成加固后進(jìn)行整體加固，使圍繞墩柱四周的支座結(jié)構(gòu)滿足承載要求。將整個(gè)托架系統(tǒng)鎖定，避免傾斜；模板支架采用鋼管架體系，鋼管架以桁架形式支撐模板后波紋板，管架放在下式鋼托架上，縱橫波紋板采用10 cm×10 cm方木雙管系統(tǒng)。管桁結(jié)構(gòu)各面之間相互連接，構(gòu)成一個(gè)牢固的模板支撐系統(tǒng)。

3.1 材料要求

（1）模板面板選用15 m厚雙覆面膠合板。

（2）方木選用10 cm×10 cm方木。

（3）腳手架鋼管采用Φ48×3.5木模鋼管。

（4）Φ16 mm拉桿，采用Φ16 mm絲桿。

（5）托架支撐體系采用型鋼材料，三腳架采用200 mm槽鋼對(duì)扣成矩形截面組合型鋼，三腳架分配梁采用254 mm的工字鋼。

3.2 托架體系的結(jié)構(gòu)形式

（1）預(yù)埋件。

預(yù)埋件采用圓弧鋼板和錨筋連接的底座，在底座上焊接雙耳板，在耳板上設(shè)銷孔。

（2）托架。

采用三角形托架形式，4個(gè)邊角規(guī)格比4個(gè)正面的三角托架大，邊角跨度大，采用2個(gè)斜撐；正面的三角托架采用一個(gè)斜撐，三角托架的上橫梁（懸臂梁）受到的拉力較大，采用耳板直接埋在混凝土里面，基座鋼板起到錨板的作用，為了保證混凝土順利流動(dòng)，在耳板上開孔以便使混凝土流動(dòng)。

（3）分配梁。

分配梁采用245 mm的英標(biāo)工字鋼，在托架上封圈排列布置。

（4）鋼管桁架及模板設(shè)計(jì)。

鋼管桁架之間以及各面的桁架之間通過(guò)橫桿相互連接，在桁架一側(cè)設(shè)平作平臺(tái)。

（5）拉桿設(shè)計(jì)。

考慮混凝土的側(cè)向推力，在模板中設(shè)水平和斜向拉桿抵抗混凝土的側(cè)向推力，使托架免受混凝土水平推力帶來(lái)的遠(yuǎn)端偏壓，減少偏壓帶來(lái)的托架構(gòu)件內(nèi)力增加，特別是托架上橫桿預(yù)埋件處的拉力。為了發(fā)揮拉桿的受力性能，對(duì)應(yīng)桶架的中心部分的拉桿，考慮通過(guò)或桶架的橫梁改變拉桿角度，使拉桿方向盡量可能地與模板垂直，桶架以外的斜棱部分只設(shè)平拉桿。

4 有限元分析

4.1 模型建立

采用midas力學(xué)分析軟件，采用有限元分析的方式，輸入材料性能參數(shù)、邊界條件和荷載，建立力學(xué)模型。自動(dòng)生成各個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，墩帽托架模板體系及拉桿模型如圖1所示。

圖1 墩帽托架模板體系及拉桿模型

4.2 結(jié)果分析

按照英國(guó)BS規(guī)范要求，評(píng)估托架的力學(xué)可行性。分次澆筑和一次澆筑兩種施工的托架，均滿足Q235鋼的屈服強(qiáng)度1/2（117.50 MPa）的力學(xué)性能要求

分次澆筑后各結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所示，一次澆筑各結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表1 分次澆筑后各結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

表2 一次澆筑各結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

一次澆筑安全系數(shù)較高，符合英國(guó)規(guī)范的要求，二次澆筑略欠一些，符合中國(guó)規(guī)范。

5 實(shí)際應(yīng)用效果驗(yàn)證

在墩帽模板周圍設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，托架系統(tǒng)在澆筑過(guò)程中的沉降值最大為1 mm，澆筑過(guò)程未出現(xiàn)異常響動(dòng)，構(gòu)件未出現(xiàn)偏移、變形、傾斜等現(xiàn)象；焊接處未出現(xiàn)裂紋、斷開現(xiàn)象。該模板體系性能穩(wěn)定，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性滿足施工要求，4個(gè)墩承臺(tái)采用托架施工，施工過(guò)程平穩(wěn)無(wú)異常。

6 結(jié)語(yǔ)

本托架支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用拉桿效應(yīng)，僅靠托架托舉會(huì)受鋼管架傾覆力矩的影響，造成外側(cè)點(diǎn)位荷載過(guò)大，使底部桿件中的應(yīng)力超標(biāo)；僅用吊拉托箍、不用外托箍時(shí)，澆筑混凝土易使支撐體系發(fā)生扭轉(zhuǎn)。建立外托內(nèi)拉托舉體系，保證豎向荷載和側(cè)壓作用下的承載能力以及支撐體系的抗扭性能。托架支撐系統(tǒng)施工時(shí)，倒棱體面鋼管支撐架比較稠密，此處的0#塊支撐預(yù)埋件需要在簡(jiǎn)易支撐后埋設(shè)并割除耳板部分，拆模后再焊接，否則在鋼管架搭設(shè)后無(wú)法安裝。耳板在焊接時(shí)應(yīng)在銷軸狀態(tài)下進(jìn)行定位焊接，否則難以對(duì)焊板孔，采用吊線方法保證耳板上下對(duì)照，以免影響三角托架安裝。