复杂条件下特大桥悬臂模板施工及线性控制技术_周祺凯.pdf

FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期近年来，我国高速路桥建设事业快速发展，部分特殊地区地形起伏大，桥墩使用要求高。墩身结构薄壁化发展和高强度材料的应用，使桥墩高度进一步突破，但质量、稳定、施工等问题也更为突出，对高墩施工技术也提出更高要求。众多学者对变截面薄壁高墩施工相关技术进行了研究：宋裕谋等1比对不同高墩施工技术，依靠实际工程进行分析，确定悬臂模板施工适用于等/变截面的实体或薄壁空心混凝土结构，具有墩身表面相对平滑等优势。陶正林2以宜昌香溪长江大桥主桥为工程背景，针对山区施工难点及特点进行方案比选，并验算悬臂模板结构受力情况，确定模板构造安全可靠。闫启金3以廖峪沟高架桥为工程背景，分析影响薄壁高墩施工竖直度控制的自然因素和人为因素，提出竖直度检测方法。薄壁高墩悬臂模板施工克服了滑膜和翻模施工的缺点并吸取其优点，具有施工速度快、经济投入低、外观质量好等显著优点4-5。实际工程中，悬臂施工并未引起企业的重视，且对于变截面高墩施工工艺及墩身监测控制领域，相关研究较少，导致悬臂模板施工应用效果不理想。本研究以洛阳市水兑河特大桥为研究对象，结合工程特征确定高墩施工方案，通过设计悬臂模板及工作平台，研究复杂环境下变截面空心高墩悬臂模板施工工艺，进一步分析影响墩身垂直度的因素，结合现场检测方法，给出相应控制措施，旨在为国内其他类似工程提供参考。1工程概况水兑河特大桥全长1 448.62 m，为预应力硂装配T梁，位于河南省洛阳市，线路途经山地，存在多处沟壑，交通条件差，工程所在区属于丘陵地貌，地形起伏不平，沟谷发育，施工环境判定为型。水兑河特大桥设有变截面薄壁空心高墩16座，最大墩高68.7 m，最大底面尺寸为5.5 m5.5 m，变截面薄壁空心墩结构见图1。墩柱施工环境复杂，作业面小，难度高，且施工周期长，跨越一年四季，不同季节昼夜温差和降水差异较大，环境因素对施工影响明显。为此，开展复杂环境下特大桥薄壁高墩施工技术研究，确保桥墩施工顺利显得尤为重要。2变截面空心墩施工方案基于作业地区地形特点，考虑经济技术合理性，认为悬臂模板施工系统为拼装式钢木组合结构，相较于滑模与翻模施工，具有施工速度快，桥墩外形美观，垂直度控制方便的优势，其模板可调节摘要针对复杂环境下薄壁高墩施工技术难题，以连霍二广高速宜阳水兑河特大桥工程为依托，研究薄壁空心高墩悬臂模板施工技术。从模板系统设计、模板系统安装、混凝土浇筑养护、模板提升、钢筋绑扎等方面提出悬臂模板施工工艺。结合实际工程，分析影响高墩线形控制因素，提出合理解决方案。结果表明：悬臂模板施工工艺较传统方法具有施工速度快、工程质量好、人员操作安全等优点；墩身采用垂球法配合全站仪进行测量，针对结构垂直度控制取得明显效果，墩身斜度最大偏差值顺桥向为8 mm，横桥向为7 mm，轴线偏位最大值为8 mm，断面尺寸偏差最大值为9 mm，满足规范要求；研究结果对类似工程具有一定的参考价值。关键词薄壁空心墩悬臂模板线形控制施工技术复杂条件下特大桥悬臂模板施工及线性控制技术周祺凯1，2，3王怡2高翔1，3林永峰1，3梁斌2*（1.中铁九局集团第六工程有限公司，沈阳110013；2.河南科技大学土木工程学院，洛阳471023；3.中铁发展投资有限公司，青岛266034）*为通讯作者基金项目：国家自然科学基金项目(U1604135)；中铁九局集团有限公司重点科研项目（202115）桥隧工程36福建交通科技2023年第1期性，更适合变截面箱型墩柱施工，故确定采用悬臂模板工艺进行施工。2.1悬臂模板施工方案悬臂模板施工是依靠预埋件将整体施工系统固定于已浇筑完毕的墩身，通过悬空支架作为支撑结构的无脚手架墩身施工技术。悬臂模板系统利用塔吊提升安装，利用不同高度作业平台进行后移装置安装、模板面板调节、混凝土浇筑、钢筋绑扎，墩身检测等工作。当一节段墩柱施工完成后，再次利用塔吊将悬臂模板系统拆运至地面进行养护，等待下一节段墩柱施工，由此循环使用。详细施工流程见图2。图2悬臂模板施工流程2.2悬臂模板结构悬臂模板施工系统见图3，包括模板系统、后移装置、工作平台。（1）模板系统主要由模板底板、木质工字肋、横肋组成。模板面板采用21 mm厚维萨板，利用纤维板钉与木质工字肋连接，再使用连接爪将横肋与木质工字肋固定，形成完整模板结构。变截面薄壁箱型桥墩顺桥向按501坡比收坡，模板养护时可使用切割机对模板底板进行切割，保证墩身浇筑尺寸。（2）后移装置包括滑轨、主背楞、斜撑3部分，滑轨通过螺栓固定于主工作平台，上部设置滑动构件与主背楞连接，并通过斜撑加固。后移装置与模板系统通过螺杆对拉固定，为工作平台与模板系统连接装置，起到调节、固定模板的作用。（3）工作平台分为主平台、上平台和外架吊平台。主平台采用三角架支撑，宽2 m，由L756 mm角钢制作，顶面满铺脚手架板，供施工人员行走作业和安装后移装置；上平台宽1 m，采用三角架作支撑，为混凝土浇筑和钢筋处理提供操作平台；外架吊平台使用立杆外吊于主平台下端，采用横杆为底，上满铺脚手架板，宽1 m，以便于混凝土检测养护和爬锥预埋件处理。工作平台外围间隔设置脚手架钢管作为围栏立柱，水平焊接16钢筋，形成环向围栏，并在内侧挂设安全立网，平台下挂设安全平网，防止人、物高空坠落。图3悬臂模板施工系统结构图1变截面薄壁空心墩结构（a）平面（b）侧面37FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期3悬臂模板施工工艺3.1模板系统安装悬臂模板系统到达施工现场后需对构件质量及规格进行检查，并按编号进行现场试拼，确保板面对角线误差值、相邻模板标高偏差值、板面平整度、模板局部变形值小于2 mm。模板系统安装在顶面找平凿毛、绑扎钢筋之后进行。在墩身预埋爬锥上安装三角支架，并在上面搭设主施工平台。随后将后移装置、斜撑和模板系统安装到位，进行加固。模板加固采用对拉螺杆，实体段为20螺纹钢两端焊接300 mm长对拉螺杆，通过锥形接头与1.4m长外连杆连接，利用碟形螺母固定于外模板阳角处钢背楞上形成对拉。模板加固、校核之后在模板上口向下300 mm处安装预埋爬锥，以便拆模之后安装支座、提升模板。固定完成的模板见图4。图4模板固定3.2混凝土制备及浇筑混凝土依据项目所在地原材料情况进行配合比设计，采用拌和站集中拌制，通过运输车运送至施工现场；根据现场实际地形情况，浇筑作业使用汽车泵或利用吊车配合料斗进行。3.2.1混凝土配合比选用本项目变截面墩高均在60 m以上，混凝土设计强度等级C40，水胶比为0.37，具有良好的和易性，可减少振捣后出现蜂窝和空洞现象。水泥采用新安万基牌P.042.5级水泥；细骨料采用黄沙；粗集料为531.5 mm连续级配碎石；掺加剂选用缓凝剂与减水剂；粉煤灰采用F类级。高墩混凝土配合比为水泥338 kgm-3、黄沙696 kgm-3、碎（砾）石1 136 kgm-3、水156 kgm-3、掺加剂4.64 kgm-3、粉煤灰84 kgm-3。混凝土设计坍落度180200 mm，实测坍落度185 mm，和易性较好；设计抗压强度40 MPa，实测标准条件下7 d龄期强度45.7 MPa，28 d龄期强度52.3 MPa，混凝土性能均满足设计要求。项目工期跨越春、夏、秋、冬四季，注意季节、气温造成的砂石含水率的变化，适时调整施工配合比。作业人员对混凝土施工全过程实时监控，确保混凝土在制备、运输、浇筑和养护过程中的质量，提高墩身检测合格率。3.2.2混凝土浇筑混凝土浇筑通过串筒进行，在墩身4个角安装铁皮制作的串筒，直径20 cm，每节长度50100 cm。浇筑时从4个角同时分层均匀对称进行，每层浇筑厚度不超过300 mm；将振捣棒插入下层混凝土50 mm进行充分振捣，以提高混凝土外观质量。待混凝土浇筑完成，表面收浆后，使用土工织物覆盖墩顶砼外露面，并进行间断洒水；墩身模板拆除后，均匀喷涂养护水剂进行养护，养护时间视气温条件确定；气温低于5时不进行喷水养护，改为覆盖保温薄膜。3.3钢筋安装及定位钢筋安装定位通过钢支架辅助进行。混凝土养护完成后，在墩身顶面固定可提升的钢支架，置于内外层竖向钢筋之间，用以定位、固定钢筋。钢筋通过套筒对接固定，钢筋连接完毕，用油漆画上标记，使用中的钢支架见图5。图5使用中的钢支架钢支架利用墩旁塔吊起吊，就位后调整倾斜度及轴线偏位。钢筋使用导链配合吊车安装，利用全站仪和水准仪全程监控劲性骨架的轴线位置、倾角偏差、平面位置和顶面标高，检测合格后进行焊接固定。桥隧工程38福建交通科技2023年第1期3.4模板系统提升模板系统提升分为上升和固定2个阶段。为确保工程质量和施工安全，系统提升工作在钢筋绑扎完毕且混凝土强度达到10 MPa以上后进行。（1）模板系统上升。先利用后移装置将模板脱离混凝土面，利用塔吊将模板移至地面进行养护、清洗、拼装、涂刷脱模剂，见图6；再将后移装置和施工主平台拆除，安装在下一节预埋爬锥位置；最后将调节完成的模板系统安装在后移装置，完成提升。（2）模板系统固定。首先调节主背楞下端调节座，使外模面板下部包住已浇混凝土100 mm；然后旋转斜撑，调整模板垂直度；最后在模板系统阳角位置设置斜拉螺杆，提高固定效果。图6模板涂刷脱模剂4墩身线形控制技术墩身线性控制结果的好坏，关系到桥墩质量的优劣，影响着施工的后期评估。本项目作业环境复杂，施工周期长，对于线形控制要求更高，难度更大，做好全面精确的垂直度测量与控制，是保证施工质量的关键。4.1墩身垂直度影响因素4.1.1环境温差施工地点夏季日照时间长，阳光照射不均匀，昼夜温度起伏大，高墩墩壁内外及阴阳面产生较大温差，引起拉应力，使墩身水平方向产生一定程度偏移，对结构的线性控制造成不利影响。项目采用喷水降温法，在内外模板施工平台上安装环形喷水养生管，向墩身间断喷水，降低墩身温差并养护混凝土，以此减少因温差导致的墩身轴线偏差；确定测量基准时间和基准温度，每日早晨630，在模板下口沿墩身横、纵方向中心线精确安放水平尺，用全站仪进行测量，用此位置的日照偏差作为待施工部位的模板偏差值，在模板中线纠偏时进行调整，减少温差影响。4.1.2风荷载工程地区受季风气候影响，冬季风力较大，可达6 m/s，且多为顺桥向，导致柔性墩身产生较大幅度摆动，最大幅度可达3 cm，对于墩身定位测量造成不利影响。因此，施工进行中应时刻注意天气变化，尽量避免在大风天气测量施工；若必须进行施工作业，则安装防风架。4.1.3机械振动和施工偏载上工作平台安装于模板顶部，导致模板不仅要承受混凝土侧压力、振捣荷载、冲击荷载等混凝土施工荷载，还要承受工作平台荷载及人员流动荷载，可能导致模板系统受力不均匀而产生偏移，对墩身线形控制产生不利影响。项目在模板进场后对各部件质量、规格等进行检查和试拼，确保模板拼装后满足施工要求；混凝土浇筑过程中，严格控制浇筑高度和振捣强度，并用测量仪器随时观测预埋爬锥位置及模板、支撑架等构件情况，如有变形和沉陷立即校正并加固。4.2墩身垂直度测量与控制高墩垂直度测量包括墩身倾斜度测量、墩顶断面尺寸测量、墩身中心轴线测量，在悬臂模板提升前、后分别进行。（1）墩身倾斜度采用垂球法进行测量，每次浇筑混凝土前，在墩身4个角点上用铁丝悬挂垂球于混凝土接缝处，用直钢尺反复测量垂线距离模板上端水平距离；同时在地面上选取适当位置架设全站仪，测得与模板上端和下端间距及2次测量竖向转动角度，通过三角函数计算出上下端水平间距。浇筑完成后，利用全站仪对墩身顶面各角点再次测量，实行双控检查制度。（2）墩顶断面尺寸利用全站仪进行测量，以墩柱中心实际位置为观测点，对墩身四角的控制点进行测量，通过观测结果推算出实际尺寸，并与设计尺寸相比较，确定高墩的断面尺寸偏差。（3）墩身中心轴线利用全站仪进行测量，按墩柱中心设计的设计坐标进行放样，确定墩柱中心的理论位置，与实际位置对比计算出墩柱轴线偏位。依据JTG/T 3650-2020公路桥涵施工技术规范6中桥墩高墩垂直度控制要求，墩身倾斜度偏差应小于0.3%墩高H，且不大于30 mm；墩身轴线偏39FU