畢志剛， 閆向君， 禹彥杰， 李文杰

(1.中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司， 陜西 西安 710018； 2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 洛陽(yáng) 471023)

我國(guó)高速公路與鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，在山川溝谷地區(qū)修建了眾多高墩大跨橋梁[1]。高墩施工常用的方法有滑模、翻模、爬模等?；７ù嬖诨炷帘碛^(guān)質(zhì)量差、墩身垂直度控制困難、滑升時(shí)易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、傾斜變形等問(wèn)題。爬模法存在結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、施工速度慢、造價(jià)高等缺點(diǎn)。翻模法因具有施工快速、墩身外觀(guān)質(zhì)量好、糾偏容易等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但翻模法存在施工難度高、安全性研究尚不成熟等問(wèn)題[2]。因此，對(duì)薄壁空心高墩翻模施工力學(xué)特性開(kāi)展相應(yīng)研究，進(jìn)而指導(dǎo)高墩安全施工就顯得尤為重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者已在橋梁高墩施工領(lǐng)域進(jìn)行了較為廣泛的研究。劉寶忠等[3]以瀑河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)模板設(shè)計(jì)、內(nèi)支架設(shè)計(jì)、塔吊布置與安裝闡述了塔吊翻模施工工藝，但研究?jī)H限于施工技術(shù)方面，未對(duì)翻模力學(xué)特性進(jìn)行研究。張發(fā)平等[4]以進(jìn)度、成本、安全為評(píng)判指標(biāo)，確定鄭家灣1號(hào)橋高墩施工采用液壓翻模法，但未經(jīng)更多工程實(shí)踐驗(yàn)證。夏克冰[5]以某船閘導(dǎo)航墩為研究對(duì)象，從鋼筋安裝、混凝土澆筑、墩身表面混凝土處理等方面闡述了滑模施工工藝，但滑模施工時(shí)易造成墩身截面尺寸偏差等問(wèn)題。魏延平等[6]采用ANSYS軟件建立了翻模模板有限元模型，分析了混凝土側(cè)壓力與風(fēng)荷載作用下模板的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載對(duì)模板應(yīng)力的影響不可忽略，混凝土側(cè)壓力隨澆筑高度的增加而增大，但其對(duì)模板應(yīng)力的分析過(guò)于簡(jiǎn)化，未考慮橫梁、豎肋對(duì)模板強(qiáng)度的影響。李志波等[7]采用有限元軟件Midas-Civil軟件建立了大量翻模有限元模型，分析了翻模設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其承載力的影響，并給出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。

本文以莆炎高速公路奇韜溪大橋薄壁空心高墩為研究對(duì)象，采用有限元軟件Midas-Civil分析最不利工況下翻模受力情況，研究翻模系統(tǒng)的力學(xué)特性，依據(jù)研究成果開(kāi)展墩身線(xiàn)型監(jiān)測(cè)，進(jìn)而指導(dǎo)工程施工。

1 工程概況

中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司承建的莆炎高速公路奇韜溪大橋位于福建省大田縣奇韜溪鎮(zhèn)下村南側(cè)，大橋全長(zhǎng)158 m，按雙向六車(chē)道，最高速度100 km/h，路基寬度33.5 m，最大縱坡4%設(shè)計(jì)，如圖1所示。橋址內(nèi)山巒起伏，地形復(fù)雜，交通不便。場(chǎng)地內(nèi)水系發(fā)達(dá)，地下水補(bǔ)給充沛，地下水位以上土層對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。光熱水資源分布差異大，年平均氣溫15.8 ℃，極端最低氣溫-5.5 ℃，極端最高氣溫40.5 ℃，氣候類(lèi)型復(fù)雜多變。

圖1 大橋設(shè)計(jì)效果圖Fig. 1 Bridge design renderings

奇韜溪大橋薄壁空心高墩最小墩高31.01 m，最大墩高43.29 m，最大截面尺寸3.2 m×8 m，壁厚0.5 m。經(jīng)對(duì)比滑模、爬模施工工藝，翻模法可借助墩旁塔吊輔助施工，模板可在相鄰高墩施工中周轉(zhuǎn)使用，具有施工成本低、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)。考慮本項(xiàng)目實(shí)際情況，決定采用翻模法施工。

2 翻模構(gòu)造組成及設(shè)計(jì)參數(shù)

翻模系統(tǒng)為組拼式鋼結(jié)構(gòu)，除拉桿采用PSB785預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋外，其余鋼材型號(hào)均為Q235B，木材選用松木板。材料參數(shù)如表1。

表1 翻模材料參數(shù)Tab. 1 Overmolding material parameters

翻模系統(tǒng)由模板系統(tǒng)、操作平臺(tái)系統(tǒng)、固定系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)組成。各部分構(gòu)造如下：

(1) 模板系統(tǒng)：由外面板、內(nèi)面板、模板加固系統(tǒng)等組成。面板采用厚度6 mm鋼板。模板高度7.5 m，均分3節(jié)，每節(jié)模板共8塊，其中順橋向、橫橋向各2塊，每側(cè)圓弧拐角1塊。模板加固系統(tǒng)背楞采用16#槽鋼，間距30 cm；橫梁采用2根16#槽鋼拼合，間距100 cm，共設(shè)置11道橫梁。

(2) 操作平臺(tái)系統(tǒng)：分為外模操作平臺(tái)和內(nèi)模操作平臺(tái)。用8#槽鋼作三角支撐焊接在模板豎肋上，三角架上用松木板鋪平，四周安裝護(hù)欄，構(gòu)成外模操作平臺(tái)；在內(nèi)模板上用方木鋪平，構(gòu)成內(nèi)模操作平臺(tái)。

(3) 固定系統(tǒng)：采用直徑25 mm的拉桿固定，拉桿間距140 cm，拉桿距離模板邊緣110 cm。

(4) 動(dòng)力系統(tǒng)：采用手動(dòng)倒鏈葫蘆配合塔吊拆卸和安裝模板。

3 有限元模型

3.1 模型建立

為分析薄壁空心高墩翻模施工力學(xué)特性，采用有限元軟件Midas-Civil建立翻模系統(tǒng)三維力學(xué)模型。整體模型采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，共劃分10 017個(gè)單元，模型X方向?yàn)轫槝蛳?，Y方向?yàn)闄M橋向，Z方向?yàn)樨Q向。面板采用板單元模擬，豎肋、背楞、橫梁采用梁?jiǎn)卧M，拉桿采用只受拉單元模擬。面板背楞處采用只受壓彈簧連接，翻模下端固定連接。如圖2所示。

圖2 翻模有限元模型Fig. 2 Overturned finite element model

3.2 荷載參數(shù)

翻模系統(tǒng)承擔(dān)的荷載主要有側(cè)模壓力、水平荷載、振搗荷載、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、人員與材料設(shè)備荷載、風(fēng)荷載。依據(jù)相關(guān)規(guī)范[8]，荷載取值如下：

(1) 側(cè)模壓力：新澆筑混凝土對(duì)模板側(cè)壓力按模板高度施加，混凝土重度取25 kN/m3。分節(jié)施工時(shí)混凝土固化程度不同，第一、二、三節(jié)模板混凝土側(cè)模壓力分項(xiàng)系數(shù)分別取1.2、0.5、0.3。

(2) 水平荷載：傾倒混凝土產(chǎn)生的水平荷載取2 kN/m2。

(3) 振搗荷載：振搗混凝土產(chǎn)生的荷載取2 kN/m2。

(4) 結(jié)構(gòu)質(zhì)量：按構(gòu)件實(shí)際質(zhì)量，由軟件自動(dòng)計(jì)算。

(5) 風(fēng)荷載：依據(jù)相關(guān)規(guī)范[9]，作用在翻模系統(tǒng)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.42 kN/m2。

(6) 人員與材料設(shè)備荷載：上操作平臺(tái)取2 kN/m2，中操作平臺(tái)取1.5 kN/m2，下操作平臺(tái)取1 kN/m2。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置及結(jié)構(gòu)安全判別標(biāo)準(zhǔn)

為驗(yàn)證有限元模型的安全性[10]，在翻模結(jié)構(gòu)橫梁、面板等關(guān)鍵受力構(gòu)件布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)施工過(guò)程中應(yīng)力、變形開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)時(shí)以墩頂為起點(diǎn)，沿墩頂向下為正方向。面板上的應(yīng)力、變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在中部，間隔分別為0.5 m、0.35 m；橫梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在順橋向橫梁上，左側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于距橫梁左端1/3距離處，右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于距橫梁右端1/3距離處，中間監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于橫梁中點(diǎn)。

在對(duì)翻模結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形分析時(shí)，結(jié)構(gòu)各組成部分的最大應(yīng)力值應(yīng)小于材料許用應(yīng)力值，最大變形值應(yīng)小于控制變形L/400[11-12](L為最大長(zhǎng)度)，若翻模結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形不超過(guò)上述規(guī)定，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)安全。

4 模型計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 面板應(yīng)力與變形

面板應(yīng)力、變形的模擬值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值如圖3所示。在墩頂和距離墩頂2.5 m之間的第一節(jié)施工段，面板應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，在距墩頂2.5 m處達(dá)到最大應(yīng)力值，這與新澆筑混凝土尚未固化，側(cè)模壓力隨深度增大有關(guān)。在距離墩頂2.5 ～5.0 m的第二節(jié)施工段，混凝土開(kāi)始固化，側(cè)模壓力開(kāi)始減小，面板應(yīng)力開(kāi)始降低。在距離墩頂5.0～7.5 m的第三節(jié)施工段，混凝土已接近完全固化，側(cè)模壓力趨于穩(wěn)定，面板應(yīng)力基本不變。面板應(yīng)力最大值53.06 MPa小于許用強(qiáng)度125 MPa，面板應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

圖3 面板應(yīng)力模擬值與監(jiān)測(cè)值Fig. 3 Panel stress simulation value and monitoring value

面板變形模擬值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值如圖4所示。由圖4可知，在距墩頂0～3.5 m之間，面板變形模擬值變化趨勢(shì)與監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致；在距墩頂0～2.1 m之間，面板變形模擬值逐漸增大，在2.1 m處達(dá)到第一次最大值16.17 mm，小于控制變形L/400=20 mm(L為橫橋向面板最大長(zhǎng)度8 000 mm)；在距墩頂2.1～3.5 m之間，面板變形模擬值逐漸減小。在距墩頂3.5～4.2 m之間，面板變形模擬值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，在距墩頂4.2 m處達(dá)到第二次最大值4.43 m。在距墩頂4.2～5.95 m之間，面板變形模擬值呈下降趨勢(shì)。在距墩頂5.95～6.8 m之間，面板變形模擬值呈現(xiàn)再次增大趨勢(shì)，在距墩頂6.8 m處達(dá)到第三次最大值1.63 mm。在距離墩頂6.8～7.5 m之間，面板變形模擬值下降，在距墩頂7.5 m處面板變形模擬值減小至0。

圖4 面板變形模擬值與監(jiān)測(cè)值Fig. 4 Panel deformation simulation value and monitoring value

4.2 豎肋應(yīng)力與變形

混凝土澆筑時(shí)豎肋應(yīng)力、變形模擬值如圖5、圖6所示。豎肋最大應(yīng)力發(fā)生在順橋向豎肋下部，最大應(yīng)力值為159.96 MPa，小于許用應(yīng)力215 MPa，豎肋強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；最大變形發(fā)生在內(nèi)模板中間豎肋，最大變形值為7.16 mm，小于控制變形L/400=20 mm(其中L為橫橋向墩身最大長(zhǎng)度8 000 mm)，變形滿(mǎn)足要求。

圖5 豎肋應(yīng)力模擬值Fig. 5 Vertical rib stress simulation value

圖6 豎肋變形模擬值Fig. 6 Vertical rib deformation simulation value

4.3 背楞應(yīng)力與變形

混凝土澆筑時(shí)背楞應(yīng)力與變形云圖如圖7、圖8。背楞主要承受面板、豎肋傳遞的荷載，背楞最大應(yīng)力值為125.75 MPa，小于許用應(yīng)力215 MPa；最大變形值為5.97 mm，小于控制變形L/400=20 mm(其中L為橫橋向背楞最大長(zhǎng)度8 000 mm)。可見(jiàn)，背楞應(yīng)力、變形均在規(guī)定范圍內(nèi)，滿(mǎn)足使用要求。最大應(yīng)力、最大變形均出現(xiàn)在角點(diǎn)處，應(yīng)對(duì)此處背楞加密或采用更高級(jí)別鋼材。施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，對(duì)上部背楞安排專(zhuān)人檢查，及時(shí)觀(guān)察背楞變形量，保證施工安全。

圖7 背楞應(yīng)力模擬值Fig. 7 Back corrugation stress simulation value

圖8 背楞變形模擬值Fig. 8 Back corrugated deformation simulation value

4.4 橫梁應(yīng)力與變形

橫梁是翻模結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，其可靠性處于翻模系統(tǒng)的核心地位。本文施工中的橫梁應(yīng)力模擬值與監(jiān)測(cè)值如圖9所示。橫梁應(yīng)力隨混凝土澆筑高度的變化而變化，同一道橫梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)，橫梁應(yīng)力模擬值、監(jiān)測(cè)值整體變化趨勢(shì)基本相同。數(shù)值模擬顯示，橫梁應(yīng)力從第1道橫梁開(kāi)始逐漸增大，并在第4道橫梁左側(cè)達(dá)到最大值，其值為44.40 MPa；而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第3道橫梁左側(cè)，其值為48.25 MPa。模擬值與監(jiān)測(cè)值出現(xiàn)差別，是由于實(shí)際施工時(shí)混凝土未對(duì)稱(chēng)澆筑，出現(xiàn)混凝土偏載，導(dǎo)致第3道橫梁承受較大荷載。橫梁最大應(yīng)力模擬值與監(jiān)測(cè)值雖出現(xiàn)位置不同，但模擬值與監(jiān)測(cè)值相差僅3%。通過(guò)分析可知，橫梁最大應(yīng)力模擬值為44.40 MPa，小于許用應(yīng)力215 MPa，橫梁應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖9 橫梁應(yīng)力模擬值與監(jiān)測(cè)值Fig. 9 Beam stress simulation value and monitoring value

4.5 拉桿應(yīng)力

拉桿承擔(dān)翻模施工時(shí)的全部荷載，其可靠性關(guān)系著高墩施工安全性，應(yīng)具有足夠的承載力。施工中最不利拉桿應(yīng)力模擬值如圖10所示。從圖中看出，拉桿最大應(yīng)力值模擬值為224.27 MPa，小于許用應(yīng)力650 MPa，可見(jiàn)拉桿承載力儲(chǔ)備充足，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

圖10 最不利拉桿應(yīng)力模擬值Fig. 10 The most unfavorable tie rod stress simulation value

4.6 鋪板應(yīng)力與變形

工作平臺(tái)鋪板承擔(dān)施工人員與材料堆放荷載。鋪板應(yīng)力、變形模擬值如圖11、圖12所示。從圖11、圖12可知，鋪板最大應(yīng)力值為2.24 MPa，小于許用應(yīng)力15.2 MPa，鋪板強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；鋪板最大變形值為4.71 mm，小于控制變形L/400=14 mm(其中L為橫橋向工作平臺(tái)鋪板最大長(zhǎng)度5 600 mm)，變形滿(mǎn)足要求。施工中應(yīng)避免在鋪板應(yīng)力最大位置處人員聚集與施工材料集中堆放，以防局部荷載過(guò)大，引發(fā)鋪板應(yīng)力激增，同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)鋪板的固定，使材料、設(shè)備在鋪板上對(duì)稱(chēng)堆放，防止鋪板因偏載而造成一邊上翹。

圖11 鋪板應(yīng)力模擬值Fig. 11 Plank stress simulation value

圖12 鋪板變形模擬值Fig. 12 Plank deformation simulation value

5 翻模施工技術(shù)

5.1 模板安裝

模板進(jìn)場(chǎng)后，首先對(duì)模板的規(guī)格、尺寸進(jìn)行檢查。然后對(duì)模板進(jìn)行打磨、去污，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試拼。接著在墩身頂面使用水泥砂漿對(duì)模板安裝位置進(jìn)行找平，測(cè)量放樣模板安裝位置線(xiàn)，再在墩身頂面進(jìn)行模板的安裝。模板安裝時(shí)先安裝順、橫橋向模板，再安裝倒角圓弧段模板。安裝完畢后，使用直尺與全站儀對(duì)模板安裝位置進(jìn)行校核，確保安裝位置準(zhǔn)確。墩身與模板底面的間隙，用水泥砂漿填充；模板拼縫，用膠條填塞。

5.2 混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑高度應(yīng)低于模板上沿，澆筑時(shí)從中間向四周均勻下料，以防出現(xiàn)偏載而造成翻模偏移。每層澆筑厚度30 cm，振搗后及時(shí)覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)。墩身混凝土采用雨淋管?chē)娏莛B(yǎng)護(hù)，確?；炷帘砻鏉駶?rùn)，不因高溫及山谷內(nèi)日照不均而失水。

5.3 模版翻升

安全、快速的模板翻升是高墩翻模施工的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著高墩施工安全與施工進(jìn)度。在混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行模板翻升時(shí)，第一節(jié)模板固定不拆卸，作為其上墩段的支撐。將第二、第三節(jié)模板按照與安裝相反的順序分塊拆除，用塔吊將拆卸的模板吊放至地面，并進(jìn)行打磨清理；清理完畢后，使用塔吊吊放至第一節(jié)模板上方，進(jìn)行模板組合安裝，擰緊拉桿將模板固定，進(jìn)入新一循環(huán)施工。

5.4 高墩線(xiàn)型監(jiān)測(cè)

在莆炎高速公路奇韜溪大橋施工過(guò)程中開(kāi)展線(xiàn)型監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)，每次模板翻升前后對(duì)墩身傾斜度、軸線(xiàn)偏位、斷面尺寸偏差進(jìn)行測(cè)量[13]。其中，順橋向墩身傾斜度以向大里程偏移為正、向小里程方向偏移為負(fù)；橫橋向墩身傾斜度以向大里程順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°方向傾斜為正、向小里程逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°方向傾斜為負(fù)；軸線(xiàn)偏位無(wú)正、負(fù)之分；斷面尺寸偏差以大于設(shè)計(jì)尺寸為正、小于設(shè)計(jì)尺寸為負(fù)。因監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較多，為簡(jiǎn)化分析，取橋墩每施工3 m高度時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最大值進(jìn)行分析，如表2所示。

表2 墩身線(xiàn)型監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab. 2 Monitoring results of pier body line shape

依據(jù)相關(guān)規(guī)范[15]，墩身傾斜度應(yīng)小于墩身高度的0.3%，且不超過(guò)20 mm；軸線(xiàn)偏位小于10 mm；斷面尺寸偏差不超過(guò)±20 mm。墩身線(xiàn)型現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如下：墩身最大傾斜度發(fā)生在順橋向，其值為10.24 mm，軸線(xiàn)偏位最大值為6.85 mm，斷面尺寸偏差最大值為8.69 mm，均小于規(guī)定值?？梢?jiàn)，奇韜溪大橋墩身線(xiàn)型控制良好。

6 結(jié)論

(1) 從模板系統(tǒng)、操作平臺(tái)系統(tǒng)、固定系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)翻模系統(tǒng)構(gòu)造組成進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明翻模系統(tǒng)構(gòu)造組成合理，針對(duì)翻模系統(tǒng)力學(xué)特性的分析正確。

(2) 翻模系統(tǒng)各組成構(gòu)件應(yīng)力、變形模擬值均在規(guī)定范圍內(nèi)，翻模系統(tǒng)安全。

(3) 背楞最大應(yīng)力、最大變形均出現(xiàn)在角點(diǎn)處，應(yīng)對(duì)此處背楞加密或采用更高級(jí)別鋼材。橫梁、面板的應(yīng)力與混凝土澆筑高度有關(guān)，同一橫梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)。

(4) 運(yùn)用薄壁空心高墩翻模施工技術(shù)對(duì)墩身進(jìn)行線(xiàn)型監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明墩身各項(xiàng)線(xiàn)型數(shù)據(jù)均小于規(guī)定值，滿(mǎn)足規(guī)范要求。