装配式混凝土模板在桥梁墩柱的设计与分析

林东伟 张晓明

广东省水利水电第三工程局有限公司 广东 东莞 523000

引言

桥梁墩作为基础与上部桥梁结构连接部位（即承载上部结构物的下部承重物），其墩截面可分为为圆形，也有椭圆形、方形、曲线形、抛物线形等异性墩。桥墩常因模板的接缝处出现瑕疵，造成了浆液溢出的现象，一般来说，造成接缝问题的最大原因是模板的单元划分、模板单元间连接不密实、模板刚度等问题将直接影响模板在桥梁墩柱施工中的使用，例如模板尺寸不符合施工的要求，因此造成模板之问无法正常衔接。为保证桥墩成型后钢筋保护层厚度及模板单元接缝紧密避免漏浆现象，本文主要论述装配预制混凝土模板。

预制混凝土模板结构，主要由面板、支撑结构和连接件三部分组成。面板主要有平面模板、连接模板；支撑结构是采用各种工具式的定型析架、支撑、托具、卡具等组成模板的支架系统；连接件主要有U型卡、钩头螺栓、对拉螺栓和扣件等。

1 装配式混凝土模板组成和划分

通过某大桥的墩柱施工的装配式混凝土模板进行分析，将预制装配式混凝土体系设计划分为模板单元划分、模板间连接体系、模板支撑体系和调节模块4个部分。

1.1 装配式混凝土模板单元划分

装配式混凝凝土模板根据桥梁墩柱设计图纸的截面尺寸和高度、施工现场条件（如施工现场浇筑高度、施工周边道路、吊装最大质量要求等条件）进行划分。作为保证混凝土外观质量，不仅要满足承受混凝凝土浇筑时冲击力的刚度、强度、变形要求，还要其模板安装简便、具有快速拼装及混凝土外观质量无缺陷等特点。其预制混凝土模板单元由钢筋混凝土面板+吊环（作为起吊时吊点，后期通过拉杆与主体钢筋连接+凹凸承插式连接部位+后背支撑体系，其布置如下图1所示）。具体单元划分根据实际设计图纸进行划分。

图1 装配式混凝土模板（大模板体系）

1.2 装配式混凝土模板间连接体系

作为模板连接部位，在满足混凝土浇筑时强度、刚度、变形要求的前提下，还要满足混凝土浇筑时水泥砂浆不易溢出。预制混凝土模板连接方式有浆锚搭接（将需要连接的带肋钢筋插入预制构件的预留孔道里，其后在孔道内注入高强早强且有微膨胀特性的灌浆料）、螺栓连接（通过螺栓将两个预制模板单元连接在一起）。本文单元间连接采用螺栓连接，并在外部模板螺栓连接处涂抹防腐剂，用水泥砂浆进行外部螺栓处封堵。

1.3 装配式混凝土模板支撑体系

模板支撑体系中，为预制混凝土模板提供组装平台，同时为承受混凝土模板单元在浇筑混凝土时的水平向荷载，其布置需根据预制混凝土单元的拼装情况，如混凝土模板单元的长度、高度等进行布置。采用钢管桩+工字钢形式，其竖向钢管桩采用直径630mm，壁厚10mm，通过直径为219mm，壁厚为6mm的钢管连接成格构式结构支撑体系，工字钢通过焊接在钢管桩上三角块进行连接，同时通过钢楔块、垫片等调整工字钢水平、竖向位置[1]。

1.4 调节模块

调节模块除了承受预制混凝土板的自重外，还要沿着墩柱的垂直水平方向具有可调整功能，保证预制混凝土模板单元沿着水平向无出现错台现象。

2 装配式模板方案设计

以某个工程的桥墩柱为例，采用Revit2016体量模型，建立桥梁墩柱模型，通过体量中的网格（UV划分）对比分析三种不同预制混凝土模板单元划分体系。桥梁墩柱采用等截面双柱墩，为带圆倒角的矩形墩，横桥向两墩中心间距20m，单个墩身横桥向宽度为4m，顺桥向厚为2.2m，端部为半径0.2m 的圆倒角，高度为9m。墩顶设预应力盖梁以满足支座布置的需要，墩顶横桥向设抗震挡块[2]。

2.1 单元划分方案1

方案1根据图纸桥墩的转角点及浇筑高度将墩柱划分为3层的大模板体系，其圆弧转角单独设立，分割层数与直面段一致。选取单个墩，利用Revit 2016的体量族建立模型，其分割如图2-1所示[3]。

图2-1 方案1单元划分

2.2 单元划分方案2

方案2根据起吊汽车最大的起吊重量，将方案1的大模板进行二次尺寸修改，直线段按垂直方向划分为8个，水平方向划分3个，弧面段延高度方向划分为8段。其单元分割如图2-2所示。

图2-2 方案2单元划分

2.3 单元划分方案3

方案3根据单元重量及安装简便方面考虑，将桥墩直线段沿高度方向划分10个单元，沿水平方向划分6个单元，圆弧段沿高度方向划分10个单元，其单元划分如下图2-3所示[4]。

图2-3 方案3单元划分

3 有限元模型建立

根据图以上三方案划分的单元体系，利用Midas Civi建立空间板单元与梁单元的有元模型，板单元与梁单元连接采用弹性连接建立的约束关系。相关计算参考GB 5009-2012《建筑结构荷载规范》。其中混凝土浇筑初凝时间取10h，混凝土浇筑速度为1.5m/h，外加剂影响修正系数取1.2，混凝土坍落度影响修正系数1.15，通过计算选取小值作为侧压荷载，其有效高度为3.72m（即混凝土从顶面至3.72m是三角布置荷载，3.72m以下为均布荷载）[5]。则施加在板单元有：

竖向荷载（包括模板、施工荷载）；

水平荷载：浇筑混凝土时侧压荷载和振捣混凝土荷载，相关计算参考，计算得荷载如表1所示。

表1 模型荷载

4 模板受力特征分析

4.1 预制混凝土模板应力分析

通过建立的Revit模型导入至Midas civil中，通过节点/单元中的自动网格划分，对导入的实体进行网格划分，划分网格后对其边界、荷载进行添加。考虑其模板受力的对称性，选取一侧模板进行分析，模板间的连接通过弹性连接模拟其单元模板连接[6]。

方案1的最大应力值为137.11N/mm2，方案2的应力值为138.33N/mm2，方案3的最大应力值26.8N/mm2，其中方案3的应力最小，说明方案3的受力优于方案1、方案2，产生方案应力值过大的原因是单元划分的尺寸过大，其边界约束条件一致情况下，出现应力过大。

4.2 预制混凝土模板变形分析

模板受到浇筑时混凝土侧压力影响较大，方案1的最大变形值为11.2mm，方案2的最大变形值为11.78mm，方案3的最大变形值为0.7mm，经对比可知方案3变形量最小。综合以上结论，可知方案3的受力特征较优[7]。

5 单元划分、装配对比

5.1 单元划分的重量与拼装性对比

从拼装预制模板的重量、其预制模板受到应力及变形大小展开分析。

5.1.1 方案1。预制混凝土模板为大模板形式，其重量大，对起吊设备要求高，本单元未考虑现场施工设备起重要求，其预制模板的应力及变形较大，对支撑体系要求高，但墩柱成型混凝土质量较好。

5.1.2 方案2。预制混凝土模板根据起吊重量及吊点设置划分单元，其单元应力及变形相对于方案1较小，墩柱成混凝土型质量较好[8]。

5.1.3 方案3。相对于方案2来说，预制模板单元划分较多，其应力及应变较小，但其拼装复杂，在预制模板拼装完成后产生很多施工缝，墩柱混凝土成型质量较差。

5.2 施工简易性

5.2.1 方案1。划分的大模板单元可以快速拼装组合，但质量重对起重设备的要求高，同时预制模板间的缝可以通过调节块控制其对齐[9]。

5.2.2 方案2。单元划分数量相对于方案1较多，组装比较繁琐，需要对各单元进行编号，但重量比较轻，一般吊装设备可以满足要求，单元数量较多，其单元间的缝宽度控制会因预制过程中尺寸误差造成不对齐现象。

5.2.3 方案3。单元划分数量最多，虽然重量相对于前两个方案最轻，但因单元划分数量最多，其模板单元安装较前两个方案相对复杂，同时单元与单元间连接较多，施工时间相对前两个较长[10]。

综合受力特征和施工简易性对比，归纳三种方案比较分析结果，如表2所示。

表2 三种方案比较分析结果

6 结束语

通过以上桥墩的案例设计与分析，对三种不同装配式混凝土预制块进行对比，得出以下主要结论。

调节模块在装配式单元使用时可以调整单元间上下水平高程及左右单元施工缝距离，其调节块会影响到单元间连接及使单元沿施工缝应力产生集中现象，应注重调节块间单元连接处应力验算。

通过Revit 2016体量的UV网格进行单元划分时，应考虑自己施工设备及场地设备布置、施工场地周边建筑对起吊高度、起吊安全距离控制等因素影响。

通过建好的Reivt 2016模型导入到Midas civil里时，应考虑连接节点及实体单元受力特征等对实体单元进行网格划分，使计算的结果与实际基本一致。

利用钢管桩与工字钢的楔块、预制模板与钢筋调节块同时对预制模板的垂直度进行调整。

通过本文案例的设计与分析，为后期同类预制混凝土模板工程提供参考及设计分析流程。