空心薄壁墩劲性骨架设计与应用

赖明波

(中国水利水电第十工程局有限公司三分局，四川 成都 610072)

0 前 言

空心薄壁墩高墩施工中，风速大、钢筋构件柔性大，钢筋、模板安装质量难以保障，作业人员安全风险较大，劲性骨架可根据施工图设计选定钢桁架、钢管架或钢管混凝土组拼桁架，分别采用工厂制作、现场分段吊装安装成型。渝广高速公路项目空心薄壁墩施工为确保空心薄壁墩钢筋、模板安装定位精度、作业人员操作安全，采用型钢、钢筋、钢管组合成设计来满足施工安全质量要求。

1 工程概况

重庆渝北至四川广安高速公路是成渝经济区的重要路段，重庆渝北至四川广安高速公路二期工程起于重庆市渝北区柏杨湾，与重庆市金山大道(原规划城市“四纵线”)连接。起点桩号为K1+664.637(金山大道K11+200)，路线由南向北走向，经沙坝子、棕树湾后，跨跳石河，经大面坡、大堰、复兴镇大树小学东侧后，与重庆绕城高速相交，终点止于重庆绕城高速,桩号为K3+257.35。二期工程跳石河大桥左幅全桥长882 m，起止桩号K12+417～K13+299；右幅全桥长896 m，起止桩号K12+373 m～K13+269 m。桥梁上部结构采用装配式预应力连续T梁、下部结构采用柱式及空心薄壁墩、桩基础，桥台采用重力式桥台。下部结构中空心薄壁墩设计14处，墩身采用7 m×3.4 m和7 m×3 m两种型式，空心薄壁墩壁厚50 cm，墩柱高度36.5～67 m。

2 墩身施工

空心薄壁墩墩身施工工艺流程：施工准备→施工放样→钢筋安装及绑扎→预埋件安装→模板安装就位→模板复核→混凝土浇筑→混凝土养护(7 d)→第二节段钢筋安装(含预埋件)→安装并调校第二节段模板(注意与第一节段墩身模板连接好，并控制坐标、高程)→浇筑第二节段墩身混凝土及养护→拆除第一节段模板。

施工方法：空心薄壁墩墩身施工采用定型钢模板提升翻模法施工，翻模主要由三节段大块组合钢模板(每节段2.25米)、内外操作平台、塔机等组合而成的成套模具[1]。每一节段模板主要由内外模板、模板固定架、操作平台、对拉装置、围带等组成。

根据项目墩身数量、高度以及工期要求，并全面结合每节段作业时间、钢筋配料以及减少混凝土施工缝的等因素，总计设3节模板，每节段2.25 m。在进行作业时，每次翻2节模板，并一次性浇筑4.5 m高度。

第一节段施工时，复核承台顶面高程，将模板放在承台顶，第二、三节段模板则分别支立于前一节段模板上，测量复核后由汽车吊或塔吊入仓，插入式振捣一次性浇筑成型。待混凝土达到拆模强度后拆除第一节段模板和第二节模板的最下层拉杆，荷载通过成型的墩身混凝土传到墩底。打磨第一节段模板，再通过塔吊、手拉葫芦将其翻升到第四节，并依此循环向上形成提升翻模、模板安装、钢筋绑扎、混凝土灌注、养生的作业顺序，直至设计高度。

3 高墩墩身施工中存在的问题及解决方法

随着墩身施工的高度增加，钢筋的安装(每次安装4.5 m高度钢筋)、钢筋间距、竖直度难以达到设计要求，同时空心薄壁墩高墩施工中，墩身高、风速大，给施工带来了很大的难度，安全无法保证。因此，墩身施工需增设劲性骨架，以确保作业人员操作安全、钢筋及模板安装精度。

3.1 安全方面

在空心薄壁墩施工中，安全风险较大，安全管控措施尤为重要，钢筋采取分节段吊装安装，极易发生钢筋骨架整体歪倒和模板垮塌等安全事故，安装过程中，作业人员安全风险较大，劲性骨架自身具有刚度大特点，可以起到稳固钢筋骨架的作用，确保钢筋安装、绑扎作业时安全。

3.2 质量方面

墩身施工中钢筋分节段安装预埋，安装时主筋Φ32 mm钢筋采用机械连接，单根钢筋高度较高，为满足错开搭接，钢筋定尺长度为第一节段3、4.5、6 m，后面全部4.5 m，下节混凝土内还有1.5 m左右的预留钢筋，单根6 m钢筋安装及安装后的柔性非常大，主筋Φ32 mm钢筋竖向机械连接困难，在高墩施工钢筋安装时，由于风力较大，钢筋定位非常困难，安装过程中钢筋位置定位不准确，钢筋的保护层、竖直度较难控制。在混凝土浇筑过程中，由于钢筋没有整体固定，混凝土产生的压力容易造成钢筋整体偏位，造成钢筋保护层局部偏大、偏小，甚至产生漏筋现象。劲性骨架由于其自身具有较大刚度，安装完精确定位后采取焊接固定，可以有效与钢筋进行定位连接固定，确保钢筋安装定位精度以及钢筋竖直度，确保钢筋保护层质量。同时可以利用劲性骨架对模板位置进行精确调整和固定，对墩身的整体偏位控制能起到有效调节作用。

4 劲性骨架设计与计算

4.1 结构要求

本设计劲性钢骨架采用型钢、钢筋、钢管组合拼装焊接而成的桁架结构[2]，设计其强度及刚度只需满足施工阶段钢筋工程及模板工程安装的要求，不考虑墩身主体结构的受力。

4.2 结构型式

本文根据空心薄壁墩墩身结构尺寸劲性骨架设计采用槽钢、钢筋、钢管等材料，空心薄壁墩劲性骨架材料见表1。劲性骨架4条支撑腿分别置于薄壁空心薄壁墩四角双层钢筋之间的混凝土上，支撑腿采用4.5 m长双拼[10槽钢焊接；平台框架采用双拼[10槽钢焊接，中间采用Φ10 mm钢筋铺设，间距10 cm×10 cm的网片，框架内按1～1.5 m间距焊接Φ20 mm钢筋作横杆；操作平台防护围栏采用Φ48 mm钢管搭设，高度至少1.2 m；劲性骨架分为6.6 m×3 m和6.6 m×2.6 m两种尺寸型式，分别用于7 m×3.4 m和7 m×3 m型式空心薄壁墩，具体尺寸如图1～3所示。

表1 空心薄壁墩劲性骨架材料一栏表

图1 劲性骨架侧视图(单位：cm)

图2 劲性骨架平面布置图(单位：cm)

图3 劲性骨架立面图(单位：cm)

4.3 劲性骨架安装

主墩墩柱施工结束，根据设计图纸对主墩平面位置实施测量放样，并开展第二次复核工作，通过后则进行墩柱劲性骨架、钢筋、模板的安装作业。墩柱劲性骨架在厂区加工制作，通过塔吊吊装使之就位，当工作人员检查没有问题则利用塔吊并辅助人工措施在墩柱内实施焊接安装。墩柱劲性骨架利用螺栓连接及焊接等方式与竖向、横向钢筋固定连接，四周设置缆风钢绳固定，确保劲性骨架的整体刚度及稳定性。完成劲性钢筋安装及绑扎、模板工程作业。

4.4 劲性骨架验算

针对7 m×3.4 m和7 m×3 m型式空心薄壁墩结构尺寸，劲性骨架分为6.6 m×2.6 m和6.6 m×3 m两种尺寸型式，高度相同。在同样的荷载下，6.6 m×3 m型式的劲性骨架较为不利，因此选此型式进行验算[3]，另一型式参照此验算执行。

4.4.1 设计参数

设计参数如下：①设计平台上最大活荷载：10 kN；②劲性骨架框架平台自重：8.3 kN；③劲性骨架支撑腿自重：3.6 kN；④双拼[10槽钢平台架体的截面抵抗矩为：W=39.7×2=79.4 cm3；⑤双拼[10槽钢平台架体的毛截面抵抗矩为：Im=4.8×2×103/12=800 cm4；⑥单肢[10槽钢支撑腿的毛截面积为：Am=4.8×2×10=96 cm2；⑦[10槽钢的弹性模量为：E=2.1×105MPa；⑧[10槽钢的容许应力为：[σ]=205 MPa；⑨劲性骨架计算跨度L：6.6 m[4]。

4.4.2 劲性骨架框架验算

1)劲性骨架框架强度计算：

q=(1.2×8.3+1.4×10)/(2×6.6)=1.82 kN/m

Mmax=0.125qL2=0.125×1.82×6.62=9.9 kN/m

[10槽钢的弯曲应力为：

经计算劲性骨架架体框架强度满足施工要求。

2)劲性骨架刚度验算：

[10槽钢的最大容许挠度为：

经计算劲性骨架架体框架刚度满足施工要求。

4.4.3 劲性骨架支撑腿验算

单肢支撑腿承载力：

N=[1.2×(8.3+3.6)+1.4×10]/4=7.07 kN

单肢支撑腿承载力完全满足抗压强度要求。

结论：劲性骨架整体满足施工承载力要求。

5 设计及应用

渝广高速公路二期工程空心薄壁墩墩身采用7 m×3.4 m和7 m×3 m两种型式，空心墩壁厚50 cm，墩身高度36.5～67 m。分别设计采用6.6 m×2.6 m和6.6 m×3 m两种尺寸型式劲性骨架用于现场钢筋安装、模板安装等工序。安装后用于作业人员钢筋安装、模板安装作业，极大提高了钢筋安装精度以及混凝土成型后整体外观质量，经试验检测空心薄壁墩钢筋间距、保护层合格率由原来的60%提高至93%。墩身竖直度、整墩结构偏位合格率100%，同时确保了作业人员施工安全，具有较大社会及经济效益。

6 结束语

渝广高速公路项目部本着安全优质与经济节约的原则，在满足施工荷载要求的前提下，劲性骨架采用型钢、钢筋、钢管组合拼装焊接而成的桁架结构，在墩身浇筑至15 m高时开始安装劲性骨架可以起到稳固钢筋骨架的作用，确保钢筋工程安装、绑扎的安全性。钢筋绑扎时通过劲性骨架实现定位，以保证钢筋安装精度符合要求，并有利于管控好保护层的厚度。同时安装模板时可以利用劲性骨架对模板位置进行精确调整和固定，对墩身的整体偏位能起到控制作用。本文通过对空心薄壁墩高墩施工增设劲性骨架后，对墩身整体的质量控制、作业人员施工安全有了显著的提高，具有较高的应用价值。

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