沉管预制全断面液压内模变形影响因素分析

王晓东，董洪静

（中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510300）

0 引言

目前沉管预制混凝土浇筑工艺主要有分层、分段2 种形式，施工相对容易，有很多成熟经验可供参考。但分层、分段浇筑时间难控制，易产生施工缝，影响沉管的使用寿命[1]。随着沉管隧道建设规模大型化发展，管节预制数量越来越多，传统浇筑工艺及散拼式模板难以适用于大截面尺寸沉管预制。港珠澳大桥沉管预制采用全断面浇筑工艺，国内已有的沉管模板难以满足其施工要求，因此引进了大型全断面液压模板体系。

全断面液压模板体系采用液压系统控制拆合模运作，安装过程一次性到位，实现了现代化、机械化、大型化、工厂化的先进理念。沉管预制采用全断面浇筑工艺，有效避免了因底板约束作用而引起的外墙裂缝及温差收缩引起的裂缝，提高了沉管混凝土自防水功能。为严格控制管节预制尺寸，要求模板要有足够的强度、刚度，减少模板变形，确保管节预制成品尺寸满足设计和施工要求。

1 概述

全断面液压模板体系主要组成部分为[2]：1 套固定底模，位于混凝土浇筑台座，可通过液压系统上下升降实现安（拆）；1 套侧模，固定于两侧的反力墙上，通过液压驱动实现横向合模和拆模动作；1 套液压驱动穿入式内模，固定于浇筑台座，可做拆、合模动作和纵横向移动，满足节段间转换和曲线管节预制施工；2 套可拆卸式端模。现以港珠澳大桥岛隧工程沉管预制采用的全断面液压模板体系为研究背景，选取全断面液压内模为研究对象，分析内模变形影响因素。

全断面液压内模分为4 段，每段长约5.8 m，除了面板选用Q235 钢，其余构件均为Q345 钢。内模面板为6 mm 厚的钢板；横肋选材为10 号工字钢，150 mm 等间距布置；纵肋作用在横肋上，选用H 型钢，截面尺寸为250 mm×250 mm×9 mm×14 mm（高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度），1 500 mm等间距布置，距面板两悬臂端距离为650 mm；支撑结构与纵肋相连，主要选材为160 mm×160 mm×8 mm 以及140 mm ×140 mm ×8 mm 和120 mm ×120 mm×5 mm 的方通。内模结构示意图见图1。

图1 内模结构示意图Fig.1 Schematic diagram of internal model structure

2 变形影响因素分析

全断面液压内模面板以及支撑结构是根据其所受荷载大小进行设计的，面板纵横肋间距以及支撑结构选材要满足安全且经济合理的原则。全断面液压内模变形影响因素很多，本文重点分析面板厚度、纵横肋布置间距以及支撑结构截面尺寸对内模变形的影响。

内模墙体主要承受混凝土浇筑时产生的侧向压力，顶板上分布的主要作用力有新浇混凝土和钢筋笼重力[3]。内模上作用的各分力[3]：混凝土侧压力q1=46 kN/m2，顶板混凝土和钢筋笼自重q2=52.5 kN/m2，施工人员及设备荷载标准值q3=1.5 kN/m2，振捣混凝土产生的荷载标准值q4=2 kN/m2。

2.1 面板厚度

通过Midas-civil 有限元软件建立内模线弹性模型，对其受力特性进行数值分析，分析面板的变形特性，计算结果见图2[4-8]。由图2 可知，当内模面板厚度为6 mm 时，最大变形量为6.248 mm。

图2 内模面板变形图Fig.2 Inner mold panel deformation diagram

假设将内模面板厚度由6 mm 改为4 mm，其它参数（如面板材质等）保持不变，对其进行有限元数值分析，计算出最大变形量为6.431 mm，比6 mm 厚面板变形大0.183 mm。为了进一步探讨面板厚度与内模最大变形量的相互关系，假设面板厚度范围为2~40 mm 之间，选取20 组数据依次代入有限元模型进行数值分析。

把20 组次不同面板厚度分别代入有限元模型中进行数值分析，每组数据均输出相应的内模最大变形量，各组计算结果见图3。

图3 面板厚度与内模最大变形量的关系Fig.3 The relationship between the thickness of panel and the maximum deformation of internal mould

根据图3 可知，曲线呈缓慢下降趋势，即随着面板厚度的增加，内模最大变形量逐渐降低。当面板厚度由2 mm 增大至6 mm 范围，内模最大变形量波动最大，此段曲线斜率最大；当面板厚度由6 mm 增大至40 mm 时，曲线下降幅度逐渐降低，并渐渐呈平缓状态，此区间内内模最大变形量随着面板厚度的增加并无明显变化，最大约有0.081 mm 的差异。

2.2 横肋间距

横肋直接作用在内模面板上，增强面板的强度和刚度。原内模面板横肋以150 mm 等间距布置，通过数值分析计算可知，原内模最大变形量为6.307 mm。

现将面板横肋间距设置在150~340 mm 之间，以10 mm 为间隔等间距布置，共有20 组次。分别把20 组次不同横肋间距代入有限元模型中，通过有限元数值分析计算结果，研究面板横肋间距和内模最大变形量之间的关系。

计算结果见图4。

图4 横肋间距与内模最大变形量关系Fig.4 The relationship between the spacing of transverse ribbed and the maximum deformation of internal mould

由图4 可知，当内模横肋间距以10 mm 等间距增大时，内模最大变形量上升趋势明显，曲线整体无明显波动，仅当横肋间距由170 mm 变为180 mm 时波动相对明显，最大变形为4 mm。

2.3 支撑结构截面尺寸

支撑结构是控制内模截面尺寸的关键，原支撑结构二维平面图如图5 所示，根据各构件截面形式不同分别进行编号，图5 中L1 为160 mm ×160 mm ×8 mm 的方通，L2 为H 型钢，截面尺寸为200 mm×200 mm×8 mm×12 mm，L3 为120 mm×120 mm×5 mm 的方通。

图5 内模断面示意图Fig.5 Schematic diagram of internal mould section

为了研究支撑构件截面尺寸对内模最大变形量的影响，采用控制变量分析法，分别研究L1、L2、L3 构件截面尺寸对内模变形的影响。

2.3.1 L1 构件截面尺寸与内模最大变形量的关系

内模原结构最大变形量为6.307 mm，为进一步研究L1 构件不同截面尺寸与最大变形量的关系，现选取10 组不同规格的方通，如表1 所示。

将表1 中10 组不同规格方通分别进行有限元数值分析。计算结果见图6。

表1 L1 不同截面尺寸Table 1 Different section sizes of L1

图6 L1 不同截面尺寸和内模最大变形量的关系Fig.6 Relationship between the different section sizes of L1 and the maximum deformation of internal mould

由图6 可知，当L1 构件为160 mm×160 mm×4 mm（D3）的方通时，内模变形最大，约7.3 mm；当L1 构件由160 mm×160 mm×4 mm（D3）变为170 mm×170 mm×4 mm（D7）的方通时，变形相差约0.128 mm；当L1 构件由150 mm ×150 mm ×6 mm（D1）变为150 mm×150 mm×7 mm（D2）的方通时，内模变形量波动最大，相差约0.4 mm；当L1 构件为160 mm×160 mm×8 mm（D6）的方通时，内模变形量最低，为6.307 mm。分析L1 构件截面分别为D1、D4 和D9 时内模最大变形量的差异，发现方通边长的变化对内模最大变形量的影响较小，当方通边长相差为1 mm 时，内模最大变形量约有0.03 mm 的变化。当L1 构件截面尺寸分别为D1~D10 时，发现方通厚度的变化对内模最大变形量的影响较明显，当方通厚度相差1 mm 时，内模最大变形量相差约0.4 mm。通过数值分析可知，方通边长的变化对内模最大变形量的影响很小，方通厚度的变化对内模最大变形量的影响显著，厚度对内模最大变形量的影响约是边长影响程度的2~3 倍。

为近一步分析L1 不同截面尺寸与内模最大变形量之间的关系，分别计算出D1~D10 这10 组不同截面尺寸的抗压刚度EA 和抗弯刚度EI，并将截面抗压刚度和弯曲刚度分别从小到大进行排序，记为EA1~EA10 和EI1~EI10。分别把L1 不同截面尺寸抗压刚度EA 和弯曲刚度EI 对应的内模最大变形量统计于图7、图8 中。

图7 L1 截面抗压刚度与内模最大变形量的关系Fig.7 Relationship between the compression stiffness of L1 section and the maximum deformation of internal mould

图8 L1 弯曲刚度与内模最大变形量的关系Fig.8 The relationship between the bending stiffness of L1 and the maximum deformation of internal mould

分析图7 可知，随着L1 截面抗压刚度EA 值的变大，内模最大变形量逐渐降低，可近似认为L1 截面的抗压刚度EA 与内模最大变形量之间线性相关。由图8 可知，当L1 截面的弯曲刚度EI变大时，内模最大变形量有时增大，有时减小，由此可知L1 截面弯曲刚度EI 和内模最大变形量之间线性不相关。

2.3.2 L2 构件截面尺寸与内模最大变形量的关系

原内模结构L2 构件为H 型钢，截面尺寸为200 mm×200 mm×8 mm×12 mm，内模最大变形为6.307 mm，为了研究L2 不同截面尺寸与内模最大变形量之间的关系，现选取10 组不同截面尺寸（E1~E10）分别进行数值分析，计算出对应的内模最大变形量。L2 不同截面尺寸分组见表2。

表2 L2 不同截面尺寸Table 2 Different section sizes of L2

将表2 中L2 构件不同截面尺寸分别代入有限元模型中，分析L2 构件截面尺寸与内模最大变形量的关系，计算结果见图9。

图9 L2 不同截面尺寸与内模最大变形量的关系Fig.9 Relationship between the different section sizes of L2 and the maximum deformation of internal mould

由图9 可知，曲线E5 处出现突降，当L2 构件截面尺寸为200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 时，内模最大变形较小，为6.307 mm。L2 构件截面尺寸以E5 为临界点，当截面尺寸逐渐增大时，内模最大变形量逐渐增大并趋于稳定，当截面尺寸减小时，内模最大变形量增长趋势较为明显。综上所述，从内模最大变形量角度来看，当L2 构件截面尺寸为200 mm×200 mm×8 mm×12 mm 时，内模变形较小。

2.3.3 L3 构件截面尺寸与内模最大变形量的关系

原内模结构L3 构件为120 mm×120 mm×5 mm的方通，内模最大变形为6.307 mm，为了研究L3构件截面尺寸与内模最大变形量之间的关系，选取10 组不同截面尺寸方通，如表3 所示。

表3 L3 不同截面尺寸Table 3 Different section sizes of L3

分别将表3 中10 组不同规格方通代入有限元模型进行数值分析，计算出对应的内模最大变形量，分析L3 构件截面尺寸与内模最大变形的关系，计算结果见图10。

图10 L3 不同截面尺寸与内模最大变形量的关系Fig.10 Relationship between the different section sizes of L3 and the maximum deformation of internal mould

由图10 可知，当L3 构件截面尺寸为120 mm×120 mm×6 mm（F8）的方通时，内模最大变形量较低，为5.936 mm。分析图10 关系曲线可得与图7、图8 相同的结论：方通厚度对内模最大变形量的影响程度远大于边长变化带来的影响，L3 构件截面抗压刚度EA 与内模最大变形量之间近似线性相关，弯曲刚度EI 与内模最大变形量之间线性不相关。

3 结语

本文应用Midas-civil 建立了全断面液压内模有限元数值对比模型，依据实际工程选取多组数据研究面板厚度、横肋间距及主要构件截面尺寸3 个方面对内模变形的影响。数值分析结果表明，保持其他条件不变，面板厚度在6~40 mm 之间变化时，内模最大变形量增加较小，但受支撑结构构件截面抗压刚度EA 和弯曲刚度EI 影响却较大。该套内模适用于六车道沉管预制，若工程后续需要，改造为能够适用于八车道沉管预制，可考虑通过增加构件抗压刚度和弯曲刚度来提高模板的整体稳定性。本文只分析了影响全断面液压内模变形的部分因素，得到的结论也是阶段性的，还有待进一步研究。希望文中的研究能为今后类似工程以及模板结构优化提供一定的参考价值和借鉴意义。