超高塔柱模板系统的设计与计算

马长江, 张 涛, 曾 勇

(1.河南水建集团有限公司，河南 郑州 451450；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000；3.河南省交院工程检测科技有限公司，河南 郑州 450000)

在桥梁工程的施工过程中,模板有重要的作用。过去我国一般利用散拼、散、散拆的木质模板,需要耗费很多人力和物力资源。而近年来,出现了“以钢代木”的理念,桥梁工作人员研究出组合钢模板以及大钢模,改进了桥梁模板施工工艺,并促进了社会经济效益的提高[1]。

目前,桥梁模板施工技术步入了新时代,相关企业针对桥梁模板结构设计、体系研究以及制造工艺加大了关注力度,使模板工程有了组合式、永久式以及工具化3种形式[2]。如今我国通过研究将桥梁模板分成了以下几大体系:组合钢模板、大模板、滑模、爬升模、自升翻模、悬浇挂篮模、公路小型箱梁以及 T 型梁模板等体系[3]。组合钢模板体系主要由组合钢模板及其配件组成,组合钢模板构造简单、拆装方便、拆模后表面平整度较好,有利于现场文明施工和安全生产[4]。组合钢模板与传统木模板和旧式钢模板相比有以下优点:

(1) 应用范围广,适用于不同的工程规模、结构形式和施工工艺,就地拼装、整体吊装、滑模、爬模等。

(2) 使用寿命长,部件强度高,耐久性好,能快速周转,若及时修理。妥善维护,可成为久用工具。

(3) 组合刚度大,板块错缝布置,拼成的面板有平面整体刚度;面板组合成柱梁模壳,本身就是承重构件,更能提高整体刚度,便于整体吊装,也可使支架结构简单化。

1 工程概况

洛宁县文昌路跨洛河桥梁建设工程主桥索塔采用弧面箱形主塔,塔柱高55.5 m,横桥向最大尺寸为5 m,与箱梁相交处顺桥向最大尺寸为10 m,距离桥面32 m处为主塔截面尺寸最小处,横桥向尺寸为5 m,顺桥向尺寸为5.8 m。塔柱外形为弧形,半径为244.86 m,空心箱形断面,塔柱壁厚最大值为1.4 m,最小值为0.7 m。塔柱截面内布置环向预应力束。塔柱的上半部分为斜拉索锚固区。塔柱内侧设有爬梯,塔柱底部设置有检修门。

2 模板系统的设计

洛宁文昌桥索塔高55.5 m,根据设计文件,主塔每次浇筑高度宜小于6 m,施工缝预留位置应尽量避开环向预应力束和斜拉索锚固块。依据设计要求和索塔结构特征,进行索塔模板分块,其中下塔柱高32.0 m,分为17个节段,上塔柱高23.5 m,分为11个节段。

经过多次研究,索塔施工采用工厂加工的特制定型钢模板。由于索塔侧模为异型模板,模板制作根据各断面不同尺寸,分别制作。其中外模面板厚度6 mm,边肋与分布肋均采用200 mm×12 mm的扁钢,外模总重224 t;内模面板厚度5 mm,分布肋采用8#槽钢,背杠采用16#槽钢,内模重67.5 t;外模布设工作平台(带护栏),工作平台与外模连接固定,护栏共计80个,可安装4层。模板在斜拉索部位单独成块,便于模板拆卸。内模在横隔b处高程以下采用钢管脚手架搭设工作平台。横隔b处高程以上每段塔柱采用型钢固定在内膜上,并在型钢上搭设方木,铺设脚手板作为施工工作平台。模板安装采用塔吊吊装,并辅以人工安装。模板构造如图1所示。内模工作平台如图2所示。

图1 塔柱模板构造示意图

图2 内模工作平台示意图

在整个模板体系中,主塔对拉杆属于本项目创新,整根拉杆由内拉杆和外拉杆组成,内拉杆为直径24的精轧螺纹钢,与外拉杆连接处有外丝;外拉杆由梭形圆套结构、垫片、螺母组成,梭形圆套结构与内拉杆连接处含内丝;在模板安装定位后,内外拉杆通过梭形圆套结构连接在一起,与螺母一起构成一套完整的对拉杆。施工平台由支架和竹跳板组成,支架悬挑安装在主塔外模板上,支架安装好后铺设竹跳板或木板,并用铁丝固定,工作平台载荷由支架承担,支架间距1.5 m。

3 模板系统的验算

模板设计完成后,需按照实际施工情况进行力学验算。

外模工作平台:人群机具载荷为8 kN/m2。

内模工作平台:人群机具载荷为4 kN/m2。

3.1 外模支架计算

工作平台由支架和竹跳板组成,支架安装好后铺设竹跳板或木板,并用铁丝固定,工作平台载荷由支架承担,支架间距1.5 m。

支架材料为Q235,抗拉设计值[σ]=215 MPa;抗剪设计值[τ]=120 MPa。

螺栓强度等级4.8级,抗拉设计值[σ]=170 MPa;抗剪设计值[τ]=140 MPa。

支架主体采用∠100×100×10的角钢焊接,通过M20的螺栓连接在模板上。

∠100×100×10角钢面积A=1 926 mm2;

抗弯截面系数W=25 cm3。

M20的螺栓有效面积A=245 mm2;

每个支架所受载荷F=1.5×1.7×8=20.4 kN;

支架横杆所受线性载荷q=F/1.7=12 kN/m。

由计算结果可知:最大轴力F=30 681 N(压力);

最大压应力σ=F/A=3 068/1 926=1.6 MPa<[σ]=215 MPa,满足要求。

最大弯矩M=2 324 N·m;

最大弯应力σ=M/W=2 324/25=93 MPa<[σ]=215 MPa,满足要求。

最大支点反力F=31 632 N;

每个支点的载荷由两个螺栓承担,螺栓所受载荷为剪力;

最大剪应力τ=F/A=31 632/(245×2)=64.6 MPa<[τ]=140 MPa,满足要求。

3.2 内模工作平台计算

内模工作平台搭设方式为在两侧内模的背杠上密布10#槽钢,槽钢上铺竹跳板或木板;10#槽钢材质为Q235,抗拉设计值[σ]=215 MPa;抗剪设计值[τ]=120 MPa。10#槽钢面积A=1 274 mm2;抗弯截面系数W=39.7 cm3。

每根槽钢所受载荷F=2.11×0.3×4=2.532 kN;

每根槽钢所受线性载荷q=F/2.11=1.2 kN/m。

由计算结果可知:

最大弯矩M=668 N·m;最大弯应力σ=M/W=668/39.7=16.8 MPa<[σ]=215 MPa,满足要求;最大位移f=0.8 mm

3.3 外模模板计算

3.3.1 浇筑过程中混凝土侧压力计算

分别按下列两式计算，取两式中较小值：

F=0.22γctoβ1β2V1/2

(1)

F=γcH

(2)

式中:F为新浇筑混凝土对模板的侧压力,kN/m2;γc为混凝土的重力密度,γc=24 kN/m3;to为新浇混凝土的初凝时间(h)当缺乏试验资料时,可采用to=200/(T+15)计算(T为混凝土的温度取25℃),to=5h;V为混凝土的浇筑速度m/h,V=1m/h;H为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度;β1为外加剂影响修正系数,不掺外加剂时取1.0,掺具有缓凝作用的外加剂时取1.2;β2为混凝土坍落度影响修正系数,当坍落度小于30 mm时取0.85,50～90 mm时取1.0，110～150 mm时取1.15。此处按β1=1.2,β2=1.0，求得F=33 kN/m2;倾倒混凝土时产生的侧向冲击荷载取2 kN/m2;倾倒混凝土时产生的竖向冲击荷载取4 kN/m2。

结构重要性系数取0.9;计算侧模时侧压力为F=0.9×(1.2×33+1.4×2)=38.2 kN/m2。

3.3.2 模板变形量计算

(1)横向变形量计算：

面板厚度6 mm,横肋为200×12的扁钢,间距0.5 m,模板横向变形按简支梁进行计算,横向拉杆间距2.1m。

计算宽度b=0.5 m,长度l=2.1 m,距中性轴最大距离y=15.7 cm,总惯性矩I=2 215 cm4,沿纵向的线性载荷q=Fb=19.1 kN/m,弹性模量E=206 GPa。

最大弯矩M=10 528.88 N·m;

σ=My/I=10 528.88×15.7/2 215=74.6 MPa<[σ]=215 MPa,满足要求。

(2) 竖向变形量计算:

面板厚度6 mm,竖肋为200×12的扁钢,间距0.3 m,模板竖向变形按简支梁进行计算,竖向拉杆最大间距1.2 m。

计算宽度b=0.3 m,高度l=1.2 m,距中性轴最大距离y=14.4 cm,总惯性矩I=1 891 cm4,沿竖向的线性载荷q=Fb=11.46 kN/m,弹性模量E=206 GPa。

最大弯矩M=2062.8 N·m;

σ=My/I=2 062.8×14.4/1 891=15.7 MPa<[σ]=215 MPa,满足要求。

3.3.3 拉杆强度计算

拉杆直径φ30 mm,材质Q235,抗拉设计值[σ]=205 MPa[5]。M30螺纹小径d=26.211 mm,拉杆横向间距a=2.1 m,竖向间距b=1.2 m。

4 模板的使用效果

洛宁县文昌桥塔柱已于2018年末施工完毕,整体施工安全顺利,塔柱外观、线形良好,施工过程中亦未出现异常情况,充分说明该模板系统具有足够的实用性、可靠性。

5 结束语

本文阐述了洛宁县文昌桥塔柱模板的设计理念与参数,并以算例的形式对模板的承载能力和刚度进行了验算,说明了组合钢模板对异形结构的适用性。虽然施工良好,但进行经验总结,仍发现一些缺点:

(1) 模板总重297.7 t,总体重量大,移动安装需起重机械吊运,成本高。

(2) 接缝较多,个别位置易受油污。

(3) 异形结构模板,无法重复使用。