倒棱型墩帽托架技术方法研究与应用

王文柱

（中国水利水电第十一工程局公司，河南郑州 450000）

1 工程概况

坦桑尼亚新瓦米大桥项目为坦桑尼亚政府投资的路桥项目，包括大桥、两侧连接道路两大部分以及旧桥修复工作。项目主体工程桥梁长度0.51 km、连接道路3.90 km。

桥梁上部为5跨预应力混凝土连续箱梁结构，下部为钢筋混凝土扩大基础及变截面圆形空心墩加倒棱体墩帽结构，肋板式和U形重力桥台，中墩为单墩，采用扩大基础，中墩为变截面圆锥体空心墩，壁厚80 cm。

P1、P4墩高19.6 m，P2墩高37.0 m，P3墩高44.1 m，墩柱底部最大外径6 700 mm，墩顶直径2 500 mm。墩帽为单柱支撑，从形状上分上、下两部分，上部分为矩形，外形尺寸5 m×7 m×1.5 m，下部分为倒棱台，底面尺寸为2.8 m×2.8 m，上部和矩形体衔接。本项目桥梁跨度120 m，变截面圆柱空心单墩和倒棱体墩帽为国内外罕见的结构形式，施工难度较大。

2 方案比选

圆形墩柱上架设托架的基础条件恶劣，预埋构件的后期处理较为烦琐。设想在墩柱顶板埋设井架，以井架为依托，采用四周悬吊的方式，对倒棱体模板体系进行架设。井架的主立柱采用400 mm的方钢，悬吊拉杆采用Φ16的钢筋，但墩顶截面较小，横梁所覆盖的径直悬吊范围较小，采用大部分斜向悬吊时，其抗扭性能较差。

井架主柱采用多层外伸杆悬吊，改善悬吊条件时，多层外伸杆与加固杆件的交叉数量较大，墩帽钢筋密集，在墩帽内遗留的钢结构最多可达3 t，方案不经济。纯悬吊系统的抗扭性较差，放弃采用悬吊模板系统的方案。

预埋件受侧压力分布不均匀，为充分利用墩柱的侧向位移限制作用，设计时考虑托架方案，采用长钢柱作为托架上的横梁。但最长横杆大于10 m时，安装这种横杆仍有较大难度，如中间焊接，将影响整体强度。各横杆整体埋入土时，会产生中间位置冲突，占用大量的混凝土体积，不利于结构的受力。经过多方面考虑，决定采用预埋件托架、托架间加斜撑加固、配梁分布荷载、桁架支撑以及拉杆对拉约束侧移方案。

3 托架设计

对墩顶2.5 m范围内的8个方向进行布置，将混凝土浇筑在墩柱顶部500 cm处，使之成为墩顶实心段，作为墩柱的底模，增加托架最上一排梁的底座厚度。墩帽为倒棱台结构，为了保证模板系统的抗压、抗扭及抗倾覆能力，建议使用内拉外托支撑。

外三层采用型钢三角托架，上架设钢管架作为倒棱体的底部支撑单元，外三层通过水平拉杆固定于台帽下部斜面。通过水平拉杆固定上部直面部分，各个桁架间用钢管连接，使桁架间形成一个整体结构，防止墩帽扭转。为了便于安装、拆卸、周转，型钢三角托架支撑预埋于墩柱预埋件上，三角托架采用销轴连接，4个型钢支撑采用横梁连接，构成桶架内支撑机构。

下倒棱部分采用圆钢斜拉杆，通过桶架支撑对拉，直面部分采用直拉杆对拉；完成两两三角支架的安装校正，利用斜撑对拉简易加固，全部完成加固后进行整体加固，使围绕墩柱四周的支座结构满足承载要求。将整个托架系统锁定，避免倾斜；模板支架采用钢管架体系，钢管架以桁架形式支撑模板后波纹板，管架放在下式钢托架上，纵横波纹板采用10 cm×10 cm方木双管系统。管桁结构各面之间相互连接，构成一个牢固的模板支撑系统。

3.1 材料要求

（1）模板面板选用15 m厚双覆面胶合板。

（2）方木选用10 cm×10 cm方木。

（3）脚手架钢管采用Φ48×3.5木模钢管。

（4）Φ16 mm拉杆，采用Φ16 mm丝杆。

（5）托架支撑体系采用型钢材料，三脚架采用200 mm槽钢对扣成矩形截面组合型钢，三脚架分配梁采用254 mm的工字钢。

3.2 托架体系的结构形式

（1）预埋件。

预埋件采用圆弧钢板和锚筋连接的底座，在底座上焊接双耳板，在耳板上设销孔。

（2）托架。

采用三角形托架形式，4个边角规格比4个正面的三角托架大，边角跨度大，采用2个斜撑；正面的三角托架采用一个斜撑，三角托架的上横梁（悬臂梁）受到的拉力较大，采用耳板直接埋在混凝土里面，基座钢板起到锚板的作用，为了保证混凝土顺利流动，在耳板上开孔以便使混凝土流动。

（3）分配梁。

分配梁采用245 mm的英标工字钢，在托架上封圈排列布置。

（4）钢管桁架及模板设计。

钢管桁架之间以及各面的桁架之间通过横杆相互连接，在桁架一侧设平作平台。

（5）拉杆设计。

考虑混凝土的侧向推力，在模板中设水平和斜向拉杆抵抗混凝土的侧向推力，使托架免受混凝土水平推力带来的远端偏压，减少偏压带来的托架构件内力增加，特别是托架上横杆预埋件处的拉力。为了发挥拉杆的受力性能，对应桶架的中心部分的拉杆，考虑通过或桶架的横梁改变拉杆角度，使拉杆方向尽量可能地与模板垂直，桶架以外的斜棱部分只设平拉杆。

4 有限元分析

4.1 模型建立

采用midas力学分析软件，采用有限元分析的方式，输入材料性能参数、边界条件和荷载，建立力学模型。自动生成各个节点的应力和变形数据，墩帽托架模板体系及拉杆模型如图1所示。

图1 墩帽托架模板体系及拉杆模型

4.2 结果分析

按照英国BS规范要求，评估托架的力学可行性。分次浇筑和一次浇筑两种施工的托架，均满足Q235钢的屈服强度1/2（117.50 MPa）的力学性能要求

分次浇筑后各结构性能指标统计如表1所示，一次浇筑各结构性能指标统计如表2所示。

表1 分次浇筑后各结构性能指标统计

表2 一次浇筑各结构性能指标统计

一次浇筑安全系数较高，符合英国规范的要求，二次浇筑略欠一些，符合中国规范。

5 实际应用效果验证

在墩帽模板周围设置沉降观测点，托架系统在浇筑过程中的沉降值最大为1 mm，浇筑过程未出现异常响动，构件未出现偏移、变形、倾斜等现象；焊接处未出现裂纹、断开现象。该模板体系性能稳定，强度、刚度、稳定性满足施工要求，4个墩承台采用托架施工，施工过程平稳无异常。

6 结语

本托架支撑系统设计充分利用拉杆效应，仅靠托架托举会受钢管架倾覆力矩的影响，造成外侧点位荷载过大，使底部杆件中的应力超标；仅用吊拉托箍、不用外托箍时，浇筑混凝土易使支撑体系发生扭转。建立外托内拉托举体系，保证竖向荷载和侧压作用下的承载能力以及支撑体系的抗扭性能。托架支撑系统施工时，倒棱体面钢管支撑架比较稠密，此处的0#块支撑预埋件需要在简易支撑后埋设并割除耳板部分，拆模后再焊接，否则在钢管架搭设后无法安装。耳板在焊接时应在销轴状态下进行定位焊接，否则难以对焊板孔，采用吊线方法保证耳板上下对照，以免影响三角托架安装。