大跨度公路桥梁薄壁空心墩翻模受力分析

魏延平，亓燕秋

（1.陕西煤业化工集团有限责任公司，陕西 商洛 726000；2.中煤特殊凿井有限责任公司，安徽 合肥 230001）

0 前言

随着我国交通事业的快速发展，高速公路桥梁建设已经进入了一个崭新的发展时期，桥梁墩台的设计和选择越来越多[1]。并且近年来我国西部高速公路发展迅猛，公路建设开始向山区延伸，这些地区山势陡峭，高差很大，且场地狭窄，使得在桥梁建设中大量采用高桥墩结构[2]-[3]。高桥墩结构施工常规的施工方式为支架施工，该方法需搭设大量脚手架，不仅耗费大量的人力、物力，且工序复杂、进度缓慢、安全系数低[4]。薄壁空心墩是目前桥梁高墩设计中广泛采用的行之有效的方法。薄壁空心高墩是指墩身高度大于30m，墩身形式多为空心、薄壁、变截面或者等截面矩形的桥墩。虽翻模在薄壁空心墩工程实际当中成功应用的案例不少，但关于其中塔吊提升能力与空心墩模板翻升的高度以及塔吊提升顶杆支承力与模板尺寸的关系，以及其使用过程中的安全系数还缺乏定量的数据积累，在以后实际应用中对顶杆稳定性和群杆支承能力等问题有待于研究[5]-[7]。本文结合商洛市环城北路6#大桥桥梁墩台施工，进一步对薄壁空心墩翻模受力进行探索。

1 工程概述

商洛市环城北路6#大桥位于商州区大赵峪街道办事处刘塬沟间，横跨低山丘陵区内沟谷地带。桥长同为461m，单幅桥面总宽度为11m。本桥采用预应力混凝土先简支后连续T梁。跨径布置：15m×30m；高度大于35m的左右幅11#～12#桥墩采用了空心墩加群桩基础。上部结构采用预制吊装的施工形式。空心墩混凝土标号为C40。翻模是以凝固的混凝土墩体为支承主体，通过附着于已完成的混凝土墩身上的下层模板支撑上层施工模板及平台，从而完成钢筋成型、模板就位和校正、混凝土浇筑等工作，随后进行下一道施工循环阶段的施工。商洛市环城北路6#大桥桥梁墩台施工运用翻模施工工艺，有效地节约了成本，缩短了薄壁空心墩台的工期[8]。

2 翻模受力分析

2.1 风荷载作用

作用在建筑物上的受力往往都比较复杂，这其中既有均布荷载又有集中荷载，既有水平荷载又有垂直荷载，但是荷载不能直接叠加，但由荷载产生的荷载效应却可以直接进行叠加，即所谓的荷载效应组合[9]。

由于薄壁空心墩台的翻模模板由几何尺寸不同的钢大模板拼装而成，由于翻模采用的标准节层2.25m，底节模板为4.5m，因此按最不利荷载计算的原则[54]，以外模板正面7.0m×4.5m尺寸为控制进行验算。为保证墩身模板的稳定，在承台上预埋φ30mm钢筋，起到墩身模板施工过程中固定底节模板作用，为确保模板的稳定，在钢管上焊接[10]型钢支撑模板，模板的风向迎面示意见图1。

图1 薄壁空心墩台的翻模模板风向迎面示意图

根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中关于垂直于翻模模板表面上的风荷载标准值为：

其中：Fwh—横桥向风荷载标准值（kN）

Fwh1—顺桥向风荷载标准值（kN）

Wd—设计基准风压（kN/m2）

Awh-横桥向迎风面积（m2），根据模板横桥向结构尺寸

Awh-顺桥向迎风面积（m2），根据模板顺桥向结构尺寸

K0-设计风速重现期换算系数，查规范取1.0

K1-风载阻力系数，查规范取0.8

K2-地形、地理条件系数，查表取为1.0

不同风级下对应荷载标准值计算表表1

Vd-结构所在高度处的设计基准风速，查当地数据，本式中取25m/s，可求出Wd=0.38 kN/m2。

则底节墩身模板所承受的风荷载Fwh为：取顺桥向风荷载进行验算，验算荷载为：

计算得最大支反力：Rmax=3.68kN

根据得到的支反力，对支撑模板的[10]型钢进行验算。其长细比，初步按两端铰接计算：

根据公路桥涵结构设计相关规范中受压的稳定性验算，临时结构的许用应力按1.3倍的提高系数进行折减考虑：

N/ФA=48.1MPa≤0.336×1.3×140=61.1MPa故，由型钢所支撑的底节模板在风荷载作用下，能够满足翻模稳定性要求，但是可以看出，风荷载对其影响程度不可忽略。

由《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中关于风荷载的计算方法，查得该工程所在地风荷载参数，不同风级的影响下，对应的风荷载大小见表1及图2。

由表1可作出不同风级与风速、风荷载标准值关系，见图2。

图2 不同风级与风速、风荷载标准值关系

由表1和图2可以看出，风级越大，风速几乎呈线性增长，而风压和风荷载标准值呈几何倍数增长。风荷载的对翻模施工的影响是较大的，在受力分析中应重点分析及验算。

2.2 混凝土侧压力作用

由于国内对混凝土压力计算上基本一致，认为对于不同的结构类型，即使一次浇筑高度以及浇筑速度不同，但是实际测得的混凝土侧压力分布曲线的走势是基本相似的，按照通常采用的计算公式得出侧压力的前提是混凝土基本上已经初凝或者具备“独立”能力而处于稳压的状态。本工程实例中，暂且采取常规的计算侧压力的公式，即不考虑不同混凝土状态下对模板产生的侧压力的值有所不同，并且忽略倾倒混凝土时产生的荷载，统一将现浇混凝土对翻模板侧压力转化为一个定值。根据我国《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB5020-92）给出的公式，当混凝土分级浇筑时，混凝土对外模板的侧压力通过计算得曲线，见图3不同工况下混凝土侧压力对翻模模板的作用。

由图3不同工况下混凝土对模板侧压力的荷载分布图，可以得出混凝土对模板的侧压荷载的分布及荷载值情况。

图3 各工况侧压力荷载分布图

图4 （a）工况1应力分布云图

2.3 风荷载与混凝土侧压力协同作用

2.3.1 有限元模型建立

通过将风荷载以及混凝土侧压力共同施加在翻模模板上，进行有限元模拟分析，对工程中翻模采用大型有限元软件ANSYS12.0进行建模分析，翻模的外模采用大型钢板，在Ansys12.0中采用板壳单元shell181，结合实际工况，据混凝土浇筑0.9m、1.8m、2.7m、3.6m、4.5m，转化成对应的侧压力分级施加，得到不同工况下的应力云图，见图4。

2.3.2 数值结果分析

图4 (b)工况2应力分布云图

图4 (d)工况4应力分布云图

图4 (c)工况3应力分布云图

图4 (e)工况5应力分布云图

通过各应力云图可以观察到，随着混凝土浇筑高度的增加，混凝土侧压力不断增大，表现在翻模模板上的应力分布也不断变化，应力比较集中的部位由模板的中部位置，逐渐向模板接缝的两端过渡，应力值也在不断增加，结构的变形形式也会发生变化，虽然总体当混凝土浇筑高度达到最大值时，应力值依然没有超过其极限抗拉强度值。但也可得出，风荷载以及混凝土侧压力协同作用对模板的力学响应不可忽视。这印证了薄壁空心高墩翻模施工时须采取构造措施，如设置钢横肋、纵肋增加结构的刚度，以保持翻模的稳定性。

3 结论及建议

在正确的分析设计下，商洛市环城北路6#大桥的4个桥墩翻模施工历时3个月顺利完成施工，这是翻模施工薄壁空心高墩又一应用成功案例。通过本工程中薄壁空心高墩的翻模受力分析，可得出以下结论。

①风级越大，风速几乎呈线性增长，而风压和风荷载标准值呈几何倍数增长，风荷载的对翻模施工的影响是较大的，在受力分析中应重点分析及验算。

②不考虑不同混凝土状态下对模板产生的侧压力的值有所不同，忽略倾倒混凝土时产生的荷载，进行计算设计薄壁空心高墩翻模受力是可行的。

③由数值分析结果可看出：风荷载以及混凝土侧压力协同作用对模板的力学响应不可忽视，薄壁空心高墩翻模施工时须采取构造措施，如设置钢横肋、纵肋增加结构的刚度，以保持翻模的稳定性。

④关于翻模的模板的承载力验算问题，由于目前理论上对于混凝土的强度对模板的影响没有完全统一的标准，实际的验算并不能全部满足模板本身的承载能力设计值，对于混凝土强度与模板支撑体系的相关协调性有待于研究。

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[2]程多波.阿山河特大桥空心薄壁墩翻模施工技术[J].山西建筑,2011(15).

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