空心薄壁高暾横隔板托架设计及应用

陆继业 蒋昌盛

摘要：文章研发设计了一种装配式横隔板托架，采用钢桁架及轻型模板组合施工，无须搭设高大满堂支架，托架横梁采用钢桁架结构，减少了大跨度横隔板跨中下挠，有效解决了大型横隔板施工难题，在多座桥梁中得到成功应用。

关键词：空心薄壁高墩；横隔板；装配式；托架；钢桁架

中图分类号：U445.3A180603

0引言

随着西部交通脉络的不断完善，基础建设重点也向着大山推进，当路线遇到深切峡谷时，为了避免大填大挖，通常采用桥梁跨越峡谷，且采用空心薄壁高墩作为桥梁的下构是相对理想的方案。空心薄壁墩间隔一定位置需要设置横隔板以增强墩身的刚度，随着空心薄墩高度的不断增长，不可避免地要设计更大的墩身截面，横隔板尺寸也相应增大；同时内箱高度大，隔板混凝土体积大，极大地增加了施工难度［1］。为攻克空心薄壁高墩内箱横隔板施工难题，本文通过合理的结构设计和有限元分析设计出横隔板底模，采用钢桁架及轻型模板组合施工，取得了良好的效果。

1工程概况

拉会高架大桥位于广西河池市境内，该桥属于曲线桥，最小半径R=420 m，纵坡为-4.2%、横坡为6%。桥长1 021.6 m，其中主桥长340 m，主桥上部结构采用悬浇预应力混凝土连续刚构，下构采用双薄壁空心墩，桥高138 m，主桥墩高为90～110.4 m。墩身内箱每隔20 m设计一道大型横隔板，板厚80 cm，隔板自身体积大（达到35 m3），重量达90 t，主桥主墩共有26道此类横隔板。此类横隔板需在墩身内箱进行悬空施工，属于高空作业且操作空间狭小，施工极为不便。为攻克空心薄壁高墩大型横隔板施工这个难题，研发采用轻型桁架支架法进行施工。

2横隔板托架结构设计

横隔板托架结构设计充分考虑不同施工阶段的荷载组合效应，保证结构及构造的可靠。结构上保证材料应力应变不超限；构造上满足结构连接可靠，特别是节点处的连接不允许先出现破坏的情况，实现强节点弱构件的原则。为保证结构自身的可靠性，本文采用有限元方法对结构进行分析验算，确保最不利条件下结构的安全稳定性；构造上通过CAD进行细部结构图绘制，打造装配式结构，指导现场施工［2］。

2.1支架结构设计总体思路

分析拉会高架大桥墩身设计图纸，选取平面尺寸及板厚最大的横隔板作为托架结构设计的依据，其最大横隔板平面尺寸为7.2 m×5.2 m，厚度为1 m。横隔板采用混凝土现浇的方式，因墩身内箱高度较大，采用搭设满堂支架的方式存在不经济及安全风险较大的缺点，因此横隔板托架采用墩身预埋钢棒，在钢棒上搭设模板体系的方式进行施工。托架具体结构布置见图1。因横隔板跨度较大，主分配梁宜采用钢桁架式结构，以减少横隔板底模的挠度。

为保证横隔板托架的整体稳定性，在托架主梁之间、钢桁架之间设置剪刀撑（见图2），以增强托架的抗倾覆能力［3］。为实现横隔板托架的周转利用，杆件结构尺寸设计原则为方便通过横隔板人孔，钢桁架之间的剪刀撑通过节点板用螺栓进行连接，以便安装拆卸。

2.2托架结构组成

托架从下往上依次选用的材料规格为：横隔板底模面板选用15 mm厚竹胶板；底模分配梁采用［8槽钢，间距布置为60 cm；钢桁架全部采用［10槽钢加工，标准间距布置为85 cm；钢桁架片之间采用L7.5角钢进行连接；横隔板长边两侧分别设置1根I40a工字钢主梁；在空心墩横隔板下一节墩身内前后两侧预留110 mm的PVC管各3根，左右两侧预留75 mm的PVC管各2根，110 mm管配100 mm钢棒，75 mm管配70 mm钢棒。

2.3托架结构有限元分析验算

首先将设计托架的结构布置图简化为结构分析计算简图，抓住主要受力结构进行分析验算，忽略次要因素的影响，从而获得较为可靠的有限元模型，使计算结果更趋于实际［4］。结构验算选用Midas Civil软件进行。

2.3.1有限元模型单元类型选定

根据横隔板托架的受力特性，选定梁单元来模拟［8槽钢底模分配梁、I40a工字钢主梁、L7.5角钢以及钢棒。钢桁架杆件之间的节点在实际加工中采用刚性焊接的方式，［10槽钢不仅仅承受轴力作用，还要承受弯矩剪力等作用力，因此采用梁单元模拟钢桁架杆件更贴合实际受力情况。横隔板底模面板采用板单元模拟。

2.3.2有限元模型边界条件设置

外部边界：将横隔板托架结构作为整体进行分析，结构外部边界为已浇筑墩身混凝土预留孔对钢棒的支承约束，主要提供豎向支撑及两个横向支撑约束，因此设置边界条件采用一般支承，约束关键节点的Dx、Dy、Dz。

内部约束：钢桁架各杆件的交叉节点设置为共节点方式，即节点处能传递弯矩、剪力、扭矩；支撑架与钢桁架采用螺栓连接，螺栓轴向可转动，因此释放连接处的轴向转动约束。其余结构从上往下设置为：底模面板搭接在［8槽钢底模分配梁上，［8槽钢底模分配梁搭接在钢桁架上，钢桁架搭接在I40a工字钢主梁上，I40a工字钢主梁搭接在钢棒上。搭接局部采用点焊形式。点焊主要作为定位作用，因此忽略点焊所提供的约束。所有搭接均采用约束平动自由度的方式，约束设置为SDx（1e7 kN/m）、SDy（1e5 kN/m）、SDz（1e5 kN/m），不约束转动自由度。

2.3.3荷载作用

根据现场实际的施工工艺，横隔板托架施工过程中主要承受的恒载主要为结构自重及横隔板混凝土竖向荷载，活载主要为施工人员荷载及机具荷载［5］。

自重：结构自重软件自动统计。

横隔板混凝土荷载：横隔板最大板厚为1 m，单位面积所承受荷载值为：1 m×26 kN/m3=26 kN/m2。

施工人员及机具荷载根据规范取值为：4.5 kN/m2。

强度荷载组合：1.2自重+1.2横隔板混凝土荷载+1.4施工人员及机具荷载。

刚度荷载组合：1.0自重+1.0横隔板混凝土荷载。

有限元计算模型见图3。

2.3.4校核计算结果

浇筑混凝土工况模型各构件计算结果见表1，各构件应力应变均满足规范要求。

对结构稳定性进行分析，屈曲分析一阶模态特征值为7.8，＞4，表明托架稳定性满足要求。由表1可知支撑架应力富余较大，由结构失稳图（下页图4）可知托架最容易失稳的状态是钢桁架侧向失稳倒塌，综合分析可知支撑架对于结构稳定性起关键作用。

3横隔板托架应用要点

横隔板托架应用要点在于托架制作加工及现场安装拆除。制作加工需根据设计图纸对结构尺寸、分段等做好合理布局，加强对焊接质量的控制；现场安装关键在于控制托架精准就位，避免侵占墩身混凝土保护层；拆除关键在于卸落块的设置，通过卸落块释放结构内部应力，从而实现释放结构约束的作用。施工工艺的总体思路是：在空心墩每节内箱顶部采用预埋钢棒架设工字钢及槽钢桁架作为隔板施工的支承架，然后在托架上进行隔板模板安装、钢筋绑扎以及混凝土浇筑。现将托架应用要点详述如下。

3.1钢桁架制作和安装

钢桁架制作必须保证具有足够的强度和刚度，稳定性要好，必须能承受施工过程中产生的各种荷载。桁架片应根据内箱横隔板的尺寸进行设计。经验算分析，桁架片全部采用［10槽钢加工，高80 cm，长510 cm，桁架片之间采用L7.5角钢进行连接。

钢桁架安装：

（1）在空心墩横隔板下一节墩身内前后两侧预留110 mm的PVC管各3根，左右两侧预留75 mm的PVC管各2根。

（2）拆除下节墩身内模后，在PVC管内放置A3钢棒，110 mm管配100 mm钢棒，75 mm管配70 mm钢棒，伸入墙体至少70 cm，外露长度≥40 cm。

（3）在100 mm钢棒上各安置一条I40a工钢，两条工钢间用3条48 mm钢管进行连接，起到固定防倾倒作用。

（4）按施工图纸预先拼装好整体桁架（见图4），利用塔吊提升安放在工钢上，桁架间用L7.5角钢进行连接，左右侧70 mm钢棒上放置双槽钢 14a，专为左右侧倒角承重设计。工钢与桁架之间采用钢板和三角木进行调平，使横隔板模板调至设计标高，如此在桁架上铺设钢模即可进行下道工序。

3.2钢筋、模板安装施工

模板采用竹膠板，根据横隔板尺寸加工，采用塔吊进行提升安装。模板拼装时，模板间用胶板塞夹以防漏浆。根据横隔板钢筋设计图纸，所有钢筋在加工厂下料加工完毕，运至桥底，采用塔吊提升至内箱横隔板顶，人工绑扎安装［6］。

3.3模板底支架拆除

空心墩横隔板混凝土浇筑完成，待混凝土强度达到设计要求后，可进行模板和支架拆除。采取以下拆除方案：

（1）安排工人系好安全带从人孔下到横隔板底下桁架，用千斤绳扣住桁架。

（2）利用塔吊缓缓带紧，人工拆除三角木，塔吊缓缓下放，把桁架直接放在工字钢上。

（3）工字钢两头用小钢丝绳对称扣紧在桁架上，塔吊缓缓提升至横隔板顶，使桁架和工字钢脱离钢棒。

（4）用小钢丝绳扣紧桁架和钢棒，人工拔出全部钢棒。

（5）工人从人孔上来后，塔吊整体吊起桁架缓缓下放，直至墩身底部（或下节隔板底）。

（6）工人采用爬梯下到内箱底部，分片拆散桁架后，利用塔吊把钢棒、工钢、桁架片、模板分别吊出内箱，存放在指定地点，以便后续使用。

（7）工人从爬梯爬出内箱。

以上支架拆除均采用塔吊配合进行，工人全过程施工均需系安全带。

4效益分析

空心薄壁高墩大型横隔板采用轻型桁架支架法进行施工，具有以下经济效益和社会效益：

（1）利用轻型桁架支架作为悬空安拆模板、安装钢筋和混凝土浇筑的施工平台，施工安全、方便。

（2）该技术与满堂支架法相比（见表2），节省材料，缩短施工周期，经济效益更好。

（3）该技术易掌握，易推广，有较好的社会效益。

5结语

空心薄壁高墩横隔板托架成功应用于六寨至河池高速公路№8合同段的拉会高架大桥、拉腊高架大桥及坡电3号高架大桥，其总体工作状况良好，效果极佳，节省了人力、周转材料和机械设备的投入，优质、高效地完成了空心薄壁高墩大型横隔板的施工。

利用隔板钢桁架及轻型模板组合，操作简单，材料能重复周转使用，容易掌握，易于推广。钢桁架加工简单，横隔板劳动强度低，安全系数大，墩身横隔板施工质量容易控制。利用钢桁架作为内箱安拆模板、钢筋安装和混凝土浇筑的施工平台，施工比较安全，适用范围广，不受内箱高度影响，容易推广，社会效益高。

参考文献

［1］ 郑永晶，李寨华.空心薄壁高墩横隔板底模板支承装置的设计与应用［C］. 2020年全国土木工程施工技术交流会论文集（下册），2020.

［2］周建峰.公路桥梁空心薄壁墩高墩施工质量控制［J］.工程技术研究，2020，5（4）：194-195.

［3］王明磊，李建双，王海明.山区峡谷超高空心薄壁墩柱施工关键技术［J］.中国港湾建设，2018，38（2）：66-69.

［4］郑冰. 空心薄壁高墩稳定性分析及横隔板设置方法研究［D］.武汉：武汉理工大学，2017.

［5］付德均.超高空心薄壁墩施工技术［J］.国防交通工程与技术，2016，14（S1）：73-76.

［6］李现平.桥梁空心薄壁高墩施工和质量控制［J］.交通标准化，2014，42（24）：29-31，35.

作者简介：陆继业（1990—），工程师，主要从事道路桥梁施工技术管理工作。