摘要：桥梁高墩交替提升模板由支架系统、预埋件、模板和塔吊组成，相邻两墩共享一套模板和塔吊交替施工、易拆装，施工速度快，无需另设动力系统。项目施工中，多以经验为主，常常忽视模板体系的计算分析，本文结合工程实际操作，对模板系统各部分应力及变形进行简化计算分析，并对模板架体的刚度、强度和整体稳定性进行了验证，为类似结构施工提供参考。
关键词：高墩；交替提升；模板；施工；计算分析
1、工程概况
贵州省江口至瓮安高速公路（以下简称安江高速公路）TJ1B合同段起讫桩号为K6+453.4～ZK12+247(YK12+227),线路长度5.774km ，起点位于江口县闵孝镇沙坝河村，终点位于石阡县石固乡龙塘坳村。主要工程内容包括：特大桥1座、大桥3座，桥涵全长2.4km，其中大青山特大桥有矩形薄壁高墩22处，截面为2.8*6m，最高桥墩高68米。
本项目四座桥梁桥位均处于半山腰，山高沟切，地势狭窄，地面坡度达50度以上，纵、横向便道均无法彻底打通，无设备、模板等作业位置，且薄壁高墩数量多、工期短，施工难度大。
为了保证工程质量和总工期，项目开展了桥梁高墩交替提升模板施工技术研究，项目高墩采用了交替提升模板施工工艺，极大地加快了项目施工进度；提高了高墩施工质量和安全；提升了项目经营效益。
2、交替提升模板的组成特点及原理
2.1组成
交替提升模板系统主要是由模板、支架系统和塔吊三个部分组成，如图1所示。
（1）模板系统由面板、竖肋、背肋、拉杆、上平台、后移装置组成。模板高度根据现场实际情况有4.65m或6.15m，一般选用4.65m，本文也以4.65m进行研究、计算。其面板采用18mm厚的WISA板，竖肋采用高200mm的木梁，木梁的背楞组采用双14#槽钢，根据构造物的截面尺寸制作相应的模板。
（2）支架系统，包括支架和预埋件系统。支架主要由三脚架、主平台和吊平台组成；预埋件系统由预埋板、高强螺杆、爬锥和高强螺栓等组成。埋件板为D20；高强螺杆为D20；爬锥为M42/D20；受力螺栓为M42。三脚支架平台宽2.5米，三脚架横梁为双[14A槽钢，斜撑为80*5的Q235B钢管组成。
（3）塔吊主要是提升、转移模板，吊装钢筋，由专业厂家提供，在此不再进行计算。
2.2原理
相邻墩柱共用一套模板、一个塔吊、两套支架系统，混凝土浇筑前预埋爬锥，混凝土强度达到要求后，拆除模板，用塔吊提转到相邻墩；原墩柱继续提升支架，安装下一节段的钢筋，钢筋安装完成，待相邻墩拆模，如此重复交替提升直至施工完成。
交替提升模板施工中受力计算主要是模板和支架系统。由于墩柱混凝土的侧压力完全由穿墙对拉螺栓承担，因而模板不必有另外的加固措施；支架系统受力主要是模板和支架自重，以及作业人员的施工荷载。
2.3交替提升模板的特点
（1）模板利用VISA板，整体性良好，浇筑的混凝土表面平整，外表美观，且质量轻，便于拆装，施工安全性好。
（2）相邻两墩交替施工过程中，可共享一套模板和塔吊，无需另设动力系统，节约资源，降低成本。
（3）模板清理、刷油、拆装均可在主平台上完成，十分适用于山区地面坡度较大，不利于地面操作等狭窄部位施工。
3、交替提升模板计算分析
交替提升模板研究计算时，取施工中最不利情况。模板按墩身长边6m侧进行计算，每侧安装2套支架系统，支架取后移装置至预埋爬锥段进行计算，具体情况如图2所示：
图2 交替提升模板平面布置图
3.1计算荷载
墩身长边侧模板如下图所示，H200木工字梁间距27cm（最大28cm）共计23根，主背楞4榀双[14A槽钢，拉杆沿主背楞布设，按最大间距1.2m计算；80*80*5方钢管单位中11.77kg/m，具体参数详见表1。
3.2模板受力分析
维萨板抗弯强度设计值取fm=13MPa,弹性模量取E=9.5*103MPa，面板截面惯性矩I=bh3/12=1300*183/12=63.18*104mm4；木工字梁截面系数W=461cm3，木工字梁截面惯性矩I=4613cm4。
钢材E=2.1*105MPa；双槽钢面积A=37cm2，w=161cm3，惯性矩I=1.117*10-5m4，i=5.52cm；80方钢面积A=15cm2,w=35.31cm3,i=3.07cm。
3.2.1侧压力计算
混凝土作用于模板的侧压力，根据测定，随混凝土的浇筑高度而增加，当浇筑高度达到某一临界时，侧压力就不再增加，此时的侧压力即位新浇筑混凝土的最大侧压力。侧压力达到最大值的浇筑高度称为混凝土的有效压头。通过理论和实践，可按下列二式计算，并取其最小值：
F=0.22γct0β1β2V1/2
F=γcH
式中F------新浇筑混凝土对模板的最大侧压力（KN/m2）
γc------混凝土的重力密度（kN/m3）取24kN/m3
t0------新浇混凝土的初凝时间（h）,可按实测确定。当缺乏实验资料时，可采用t=200/(T+15)计算；t=200/(25+15)=5
T------混凝土的温度（°）取25°
V------混凝土的浇灌速度（m/h）;取2m/h
H------混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度（m）；取4.5m
β1------外加剂影响修正系数，掺外加剂时取1.2；
β2------混凝土塌落度影响系数，当塌落度小于30mm时，取0.85；50—90mm时，取1；110—150mm时，取1.15。取1.15
F=0.22γct0β1β2V1/2
=0.22*24*5*1.2*1.15*21/2
=51.37kN/m2
F=γcH=24*4.5=108kN/m2
取二者中的较小值，F=51.37kN/m2作为模板侧压力的标准值，有效压头为：h=51.37/24=2.14m，并考虑倾倒混凝土产生的水平载荷标准值4kN/m2，风荷载Wk=ßzμsμzWo=0.5 kN/m2；取荷载系数1.2和1.4，则作用于模板的总荷载设计值为：
q=51.37*1.2+（4+0.5）*1.4=67.94kN/m2
3.2.2 Visa面板计算
将面板视为两边支撑在木工字梁上的多跨连续板计算，面板长度取最大板板长6m，板宽度b=1.3m（主背楞最大间距1.3m），面板厚为h=18mm维萨板,木梁最大间距为l=0.28m。
（1）强度验算
面板最大弯矩：Mmax=ql2/10=(67.9*280*280)/10=0.53KPa
面板的截面系数：W=1/6bh2=1/6*1300*182=7.02*104mm3
应力：σ= Mmax/W=0.53/24.3*104=7.55KN/m2<fm=13000KN/m2
故满足要求。
（2）刚度验算：
刚度验算采用标准荷载，同时不考虑振动荷载的作用，则
q2=51.37*1.3=66.78 kN/m
模板挠度由式ω= q2l4/150EI=66.78*2804/(150*9.5*1000*63.18*104)
=0.46mm<[ω]=280/400=0.7mm，故满足规范要求。
3.2.3木工字梁验算：
木工字梁作为竖肋支承在横向背楞上，可作为支承在横向背楞上的连续梁计算，其跨距等于横向背楞的间距最大为L=1300mm，模板上部悬臂部分L=750mm。
木工字梁上的荷载为：q3=ql=67.94*0.28=19.02KN/m
q-混凝土的侧压力，l-木工字梁之间的水平距离
（1）强度验算
最大弯矩Mmax=0.1q3L2=0.1*19.02*1.3*1.3=3.21KPa
应力：σ= Mmax/W=3210/0.000461=6.96MPa<fm=13MPa 满足要求。
（2）挠度验算：
悬臂部分挠度：
w=q114/8EI=19020*0.754/(8*9.5*103*4613*10-8)=1.7mm<[w]=L/400=1.875mm
跨中部分挠度：
w= q1l24*（5-24λ）/384EI=19020*1.34*(5-24*0.372)/(384*9500*46.1*10-6)
=2.8mm<[w] =L/400=3.25mm
λ-悬臂部分长度与跨中部分长度之比，λ=l1/l2
3.2.4主背楞计算
横向主背楞为双[14A槽钢，最大间距为1.3m，通过水平对拉杆固定，对拉杆按最不利1.2m间距计算。
主背楞上的荷载为：q4=ql=67.94*1.3=88.32KN/m
最大弯矩Mmax=q4*L2/8=88.32*1.22/8=15.9KN.m
应力σ=M/W=15.9/0.161=98.74MPa<215 MPa
跨中部分挠度
w= 5qL4/384EI=5*88.32*1.24/(384*2.1*108*1.117*10-5)
=1mm<[ω]=1200/400=3mm，故满足要求。
3.3三架支架受力分析
三脚平台作为施工的活动平台，主要承受后移装置传来的模板自重和施工荷载，取ABC最不利情况进行简化计算（图4），一侧两个架体，其间隔为3m。施工荷载主要是作业工人，按照5人，70kg/人计算。
（1）支架受力
qm=1.2*G/2/1.25+1.4*q/2/1.25=1.2*2362.11*10/2/1.25/1000+1.4*5*70*10/2/1.25/1000=13.3KN/m。
RAV=qm*L=13.3*1.25=16.625 KN；
RAH= RCH = qm*L2/2/h=13.3*1.25*1.25/2/2.23=4.66 KN；
杆件内力：各杆件的轴向力计算，用截面法，求出桁架中各杆件的轴向力。
根据各杆件的几何关系可知：
NBc= RCH *2.56/1.25=4.66*2.56/1.25=9.54 KN（受压）；
NAB=16.625*1.25/2.23=9.32KN（受拉）；
NAC= RCH *2.23/1.25=4.66*2.23/1.25=8.31KN（受拉）；
（2）截面强度和稳定性验算
对于AB、AC杆件，杆件承受拉力，
M= qm*L2/8=2.6kpa
σAB=N/A+M/W=9.32/0.0037+2.6/0.000161=18667.99kpa=18.67MPa<[215]
σAc=N/A=8.31/0.0015=5540kpa=5.54MPa<[215]；
σBc=N/A=9.54/0.0015=6360kpa=6.36MPa<[215] ；杆件材料的长细比λ=l0/i=83<[λ]=150 (GB 20017-2003)，满足规范要求。
3.4预埋系统受力分析
3.4.1爬锥受力螺栓计算
预埋件支座A处采用M42高强螺栓，其有效面积A=1121mm2，如图5所示。
RAH=4.66kN，
σH= RAH/A=4660/1121=4.16N/mm2<170N/mm2；
螺栓的受拉应力满足要求。
（2）对爬锥螺栓受剪验算：
RAV=16.625kN，
σv=RAv/A=16625/1121=14.83N/mm2<170N/mm2；
螺栓的受剪应力满足要求。
对于同时承受杆轴方向拉力和剪力的普通螺栓，应满足以下条件：
[(σv/σvb)2 + (σt/σtb)2]1/2 ≤ 1
公式中，σt，σv --螺栓所承受的拉力和剪力
σtb，σvb --螺栓的受拉和受剪承载力设计值170 N/mm2
将数据代入公式计算得到0.091<1；
螺栓的综合应力满足要求。
3.4.2爬锥预埋件受拉验算
安装爬锥、支架时墙体的混凝土强度为f=10MPa；支架依靠受力螺栓连接基本不与墩身接触。全部由埋件的抗拔力承担。
根据《建筑施工计算手册》（公式8-157）,按锚板锚固锥体破坏计算（图6），预埋件螺栓最大承受轴向力F=0.2fc(2.3h2+bh)=777.7KN
式中 fc—混凝土抗压强度施工值（10MPa）;
h—破坏锥体高度（通常与锚固深度相同）（埋件长390mm）;
b—锚板边长（100mm）。
综合以上条件可知，整个支架系统满足要求。
4、结论
交替提升模板在贵州省安江高速公路研究应用，现已经在贵州省荔榕高速公路、铜仁市国省干道项目施工中得到广泛应用，文章通过详细计算得出在薄壁高墩混凝土浇筑过程中模版系统是安全的，而在项目实际施工中模板系统也是安全可靠的。同时，本文也为今后同类型的施工模板计算设计提供参考。
参考文献：
[1] JTG/T F50-2011公路桥涵施工技术规范[S].
[2]江正荣．建筑施工计算手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007.
[3]苏雄念．髙层建筑液压滑模整体外爬架设计与施工[D]．西南交通大学，2003.
[4]马建龙．桥梁高墩施工技术[J]．价值工程．2014 ( 8)．
作者简介：
祝河清（1981-09），陕西旬阳县人，学历：大学本科，高级工程师，研究方向：公路与桥梁施工技术
张周平（1968-11），陕西岐山县人，学历：大学本科，高级工程师，研究方向：公路与桥梁施工技术
论文作者:祝河清,张周平
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/26
标签：模板论文; 混凝土论文; 支架论文; 螺栓论文; 荷载论文; 系统论文; 预埋件论文; 《基层建设》2017年5期论文;