2000t级大截面鱼腹式箱梁模板设计与施工关键技术

王洪涛,杜丽琴,段军朝

(中建三局股份公司工程总承包公司,武汉 430064)

2000t级大截面鱼腹式箱梁模板设计与施工关键技术

王洪涛,杜丽琴,段军朝

(中建三局股份公司工程总承包公司,武汉 430064)

介绍武广客运专线新建武汉站工程2000t级大截面鱼腹式箱梁结构设计特性。重点阐述鱼腹式箱梁模板设计、制作、安装、板面处理及模板拆除等关键技术;并通过采用有限元计算软件模拟大截面鱼腹式箱梁模板在施工中的实际工况,对模板设计结构进行了优化,以实现安全、经济的目的。工程实践证明,2000t级大截面鱼腹式箱梁模板设计与施工技术有效地保证了工程施工质量。

铁路客站;大截面鱼腹式箱梁;模板;设计;施工

1 工程简介

武广客运专线新建武汉站站房工程在建筑结构设计上采用了上部大型建筑与下部桥梁共同作用的“桥建合一”的新颖设计理念。站房结构主要由地下层、地面层、站台层及上部大型钢结构屋架组成,建筑总高度59.3m,站房总建筑面积为332396m2。其中,站台层是由10座平行的铁路高架桥组成,每座桥梁之间的净距仅为6m。桥梁结构类型为:5-36m鱼腹式预应力混凝土简支箱梁+(22.1～34)m+48m+(22.1～34) m预应力连续箱梁+5 -36m鱼腹式预应力混凝土简支箱梁,现浇鱼腹式简支箱梁100片。如图1所示。

图1 武汉站剖切效果图及单跨鱼腹式箱梁效果图

本工程鱼腹式简支箱梁为全预应力混凝土结构,箱梁截面呈鱼腹式单箱五室,桥面呈槽形;箱梁底板为鱼腹式,梁底弧度从0°变至46.6°左右。梁长36m,宽15.5m,高4.98m。箱梁采用C50高性能耐久性混凝土,单片箱梁混凝土方量达705m3,钢筋用量为141t,预应力钢绞线用量15.35t,单片箱梁总质量约为2026t。箱梁外观设计要求为饰面清水混凝土。鱼腹式简支箱梁标准断面见图2。

图2 2000t鱼腹式简支箱梁标准断面示意(单位:cm)

2 模板设计关键技术要点

2.1 鱼腹式箱梁模板设计

(1)由于本工程鱼腹式箱梁体量大、结构造型特殊,且鱼腹式箱梁底板为空间曲面,在模板设计中为了实现2000t级鱼腹式箱梁结构造型,鱼腹式箱梁外模均采用全钢模板,钢模模板面板采用8mm-Q235 (GB700)热轧钢板,模板的主肋沿箱梁长度方向布置,主肋选用[10槽钢,间距在箱室范围内按300～350 mm布置,腹板处适当加密为250mm间距。

根据2000t级鱼腹式箱梁的结构特点,为确保模板板面曲面顺畅,钢模板加工采用冲压技术成型,再将模板进行整体拼装,使箱梁纵向模板水平接缝顺直、横向接缝顺畅与水平接缝垂直,满足装饰清水混凝土的装饰性要求的外观质量。箱梁外模拼装后标准段示意见图3。

图3 箱梁外模拼装后标准段示意

(2)箱梁内模采用木模,内模的装卸采用“整装散拆”方式进行。内模板的加工根据现场的吊运能力及施工的便利性,每3m为一单元,然后再在原位进行组装。

内模板与外模板之间的连接采用特制Tr22螺杆;内模与内模之间采用直径为14mm的普通对拉螺杆。内模板采用18mm厚的竹胶板,木楞采用为5cm× 10cm的方木,支撑体系为型钢支撑。

箱梁外模与内模、内模与内模之间采用对拉螺杆连接,以防止内模板移动和上浮。对拉螺杆位置的设置根据有限元模拟箱梁内模在混凝土浇筑过程中的受力状态以及箱梁外观装饰孔的留设而综合确定。内模与内模之间采用普通对拉螺杆,外模与内模之间采用特制的对拉螺栓。在对拉螺杆设计中,螺杆堵锥头起到连接螺杆、在混凝土面形成装饰成孔以及限位的作用。箱梁模板支撑体系及对拉螺杆设置见图4,内、外模板之间的直杆对拉螺栓见图5。

图4 箱梁模板支撑体系及对拉螺杆设置示意

图5 内、外模板之间的直杆对拉螺栓示意(单位:mm)

(3)钢模板外架体系采用型钢胎架,模板分块的划分根据鱼腹式箱梁对外观饰面清水混凝土装饰效果的设计要求以及设备的起重能力进行划分;模板分块原则按定型化、整体化、模数化、通用化。箱梁模板设计与加工必须根据结构特点及设计图纸,充分考虑不同梁跨模板之间的配模以及流水作业和模板周转使用次数。箱梁外模加工分块见图6。

图6 箱梁外模加工分块示意(单位:mm)

2.2 鱼腹式箱梁模板体系的优化设计

由于本工程鱼腹箱梁结构复杂,自重大,其模板体系设计施工复杂,为了确保2000t级鱼腹箱梁模板的设计可靠性、经济性和合理性。根据模板形状特点,对模板实体结构建立有限元整体模型,受力过程充分考虑了混凝土浇筑速度,浇筑高度,分层状况及内外模相互作用等影响(图7)。通过有效的模拟分析,展示出2000t级鱼腹式箱梁模板体系的薄弱点以及可优化部位,从而实现既确保安全,又体现经济的目的。

图7 模板体系有限元分析计算

首先根据有限元分析出模板体系的薄弱杆件,根据分析结果,对薄弱杆件应力进行监测,可以有效地掌握混凝土浇筑过程中杆件应力变化,从而可有效化解超重复杂内力作用的模板体系风险(图8、图9)。

图8 有限元分析监测杆件

图9 7号右桁架测点应变变化趋势

2.3 鱼腹式空间曲面结构模板制作技术(图10)

由于本工程鱼腹式箱梁结构复杂,在模板加工制作中,需关键控制模板不同截面的尺寸与弧度的变化、模板支撑体系、拼缝、平整度、光洁度等指标。

图10 模板支架体系与整体拼装

模板加工必须选择实力雄厚的加工企业,采用大型钢模加工设备进行制作(如:大型铣边机、数控切割机、剪板机、校直机等设备)。钢龙骨在组装前必须调直,龙骨尽量不用接头,如确需连接,接头部位必须错开布置。

为保证钢模板组合效果,在模板出厂前必须进行预拼装,对模板表面的平整度、截面尺寸、弧度、模板拼缝、模板螺栓连接体系进行验收,以保证模板加工质量满足施工要求。预拼完成后,采用油漆在模板背面进行编号,以确保进场后模板拼装顺利与模板设计一致。

模板在运输过程中,使用临时模板运输支架将模板固定,防止钢模板变形。

3 大截面鱼腹式箱梁模板安装技术(图11)

(1)在模板安装之前,为了消除钢模板及支架体系的非弹性变形,必须对箱梁施工支架体系平台及箱梁底模进行预压;并对箱梁支架体系进行沉降监测,以确保支架体系的安全性和收集弹性变形数据,为箱梁施工预拱度的设置提供有效、可靠的依据。

(2)箱梁模板安装时,采取从中间向两端对称的顺序进行,以避免从一端向另一端安装过程中造成积累误差。在模板安装前,必须精确测设箱梁的中心线及平面位置后,再根据模板设计的划分尺寸从中间向两边对称进行、先下后上的安装顺序进行安装。

(3)在模板安装前,必须对模板的平面定位进行复测,同时还需对模板编号、尺寸、平整度、弧度等技术指标进行复核。

(4)在箱梁模板安装过程中,每安装一块对其各项技术指标调整一次,特别应对模板的平整度、相邻模板之间的拼缝错台以及平面位置、高程进行严格控制。模板安装过程中,相邻模板之间先采用临时连接,在整跨箱梁模板安装完毕后,再对每块模板进行联合调整,以保证高程、平面位置、尺寸以及模板板面的光滑圆顺、模板接缝横平竖直;最后,对模板的加固体系进行重新紧箍,以满足箱梁施工过程中对模板体系稳定性、安全性、刚度的要求。

模板工程高程调节采用千斤顶,千斤顶与模板、分配梁应对中,千斤顶应在顶部采取抗滑动措施,模板施工过程中应有确保模板纵横向错动的加固措施,防止千斤顶大片倾覆。

图11 箱梁模板安装

4 大截面鱼腹式箱梁清水混凝土模板表面处理技术(图12)

模板板面的清理是保证清水混凝土外观质量的关键。经过现场的多次试验,选择优质的树脂类模板漆;此类模板漆不仅脱模效果好,而且对混凝土的外观效果有很好的改善作用。模板在模板漆的涂刷不仅要按照材料说明执行,而且还应注意以下几个方面:

(1)采用角磨机将模板表面的铁锈及残留混凝土屑清理干净,再进行表面除油污处理,最后使用潮湿、干净的抹布清洗模板板面,保证模板板面清洁;

(2)待模板板面干透后,均匀涂刷优质模板漆1～2度,不能过厚或过薄,刷涂量以10～15m2/kg为宜。模板漆涂刷完成16h以内,不得淋雨;特别是涂刷完成1h以内,涂层不宜暴露在扬尘中,如空气中扬尘较大,采取遮盖措施;模板漆表干前,不得用手或其他物件触碰;

(3)拆模后对涂层局部破坏处,可用砂纸将破坏处及周边50mm范围内打毛后再涂。破损严重需重新进行模板清理及模板漆的涂刷。

图12 箱梁模板板面除锈与模板漆涂刷

5 鱼腹式箱梁内模施工技术(图13)

(1)内模安装在箱梁底板和腹板钢筋以及预应力波纹管安装并验收合格后进行,内模安装之前必须采用高压风和高压水枪将箱梁底板板面上的杂质清理干净;对残留在箱梁底板上的扎丝、木块、铁件等杂物采用人工进行清理。

(2)内模的支撑可采用钢支撑或木支撑体系。其安装的位置、间距必须满足设计要求,混凝土的振捣口、预留人洞口的设置必须按照事先设计方案进行留设。

(3)模板安装前先检查模板板面是否清理干净,以及钢筋保护层垫块是否按照预先制定的标准进行布设;在内模安装完成后必须检查混凝土垫块是否有损坏,如有损坏必须对损坏垫块进行更换;模板拼缝应采用宽胶带进行粘贴,以防止漏浆。

(4)模板安装前先检查箱梁内预留预埋件的数量、位置是否准确,固定是否牢靠。内模安装完毕后,检查各部位尺寸是否准确,对拉螺杆的连接是否牢固,数量、位置是否满足模板设计方案。

图13 箱梁内模板安装及内模支撑体系

6 模板拆除(图14)

(1)内模须在混凝土强度达到设计强度的75%以上方可进行拆除。在内模拆除过程中尽量保证模板板面的完好率,以便于能够再次周转使用。

(2)箱梁外模拆除

混凝土强度及弹性模量达到85%时,将两端端模及非标准段模板脱模,确保预应力张拉时应力不损失。腹板预应力张拉部分,即能够承受梁体自重后,脱箱梁标准段模板。

外模脱模时靠自重脱模,先将模板之间的连接拆除,后松懈千斤顶,模板应逐块由两侧向中间拆除,千斤顶松懈时应缓慢进行,并在其下加垫枕木作为安全措施。模板拆除过程中不得采取强硬措施,避免对混凝土外观的损伤。

图14 拆模后的鱼腹式箱梁

7 结语

武广客运专线新建武汉站工程2000t级大截面现浇鱼腹式简支箱梁模板结构极其复杂,为了确保箱梁结构施工质量及外观饰面清水混凝土施工效果。在模板设计与施工时必须深入细化、注重细节,不仅要考虑模板使用的安全性、稳定性、强度可靠性,还要充分考虑到现场模板的安装拆卸便利性并为操作人员提供良好的作业环境。

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Key Technologies of Design and Construction of Formworks of 2000 tons Large Cross-section Fish-bellied Box Girder

WANG Hong-tao, DU Li-qin, DUAN Jun-chao
(General Contracting Company of China Construction Third Engineering Bureau, Wuhan 430064, China)

This paper introduces the structure characteristics of the formworks of 2 000 tons large cross-section fish-bellied box girder of new Wuhan Station in Wuhan-Guangzhou Passenger-dedicated Line,especially focuses on the key technologies of the formworks of fish-bellied box girder including design,production,installation,surface treatment and removal etc.The finite element software was used to simulate the practical conditions of the formworks in the process of construction and optimize the formwork structures for the purposes of safety and good economic benefit.The engineering practice proves that with above technologies of design and construction of the formworks,the construction quality of the project can be ensured.

railway passenger station;large cross-section fish-bellied box girder;formworks;design; construction

U44

B

1004 -2954(2012)12 -0065 -04

2012-04-28

王洪涛(1970—),男,高级工程师,2010年毕业于华中科技大学,工学硕士,E-mail:flyboy1129@163.com。