预制节段桥墩模板设计试验研究

  黄  涛，卢文良，高  聪，苟停停，阚龙川

 （北京交通大学土木建筑工程学院，北京  100044）

[摘要]采用组装的方式进行预制节段桥墩钢模板设计，介绍对预制节段桥墩钢模板的要求，钢模板的设计思路、组装工艺以及加工使用过程中常见的问题和注意事项；为验证钢模板的使用效果，进行了标准节段桥墩模板组拼浇筑工艺试验。结果表明，采用该种钢模板用于节段拼装桥墩浇筑可行。

[关键词]桥梁工程；预制桥墩；节段；模板；设计

[中图分类号] U445. 57；TU755.2 [文章编号]1002-8498 (2016)11-0001-03

0  引言

 随着我国建设步伐的加快，高架桥在城市交通中的作用日益凸显。在城市修建高架桥时，已有道路线形及现场路况对传统现浇施工方法提出了新的挑战，采用预制化节段拼装桥墩成为时下较为合理的施工方案。预制节段桥墩施工工期短，受周围环境干扰小，节段构件能够在工厂预制。与传统现浇钢筋混凝土桥墩相比，预制节段桥墩的优势不言而喻。

 在过去30年里，预制节段桥墩在欧美等国得到快速发展，其实际工程应用较多，积累了大量的工程经验。其中，著名的有Seven Mile Bridge，SunshineSkyway Bridge，Mid-Bay Bridge，佛罗里达州的JohnT．Collison Bridge，Louetta Road Overpass，得克萨斯州的183号公路等。我国目前在这方面的研究较为滞后，与实际工程需求严重不符。

 在进行节段拼装桥墩研究之前，首先需要对桥墩的钢模板进行设计。其中，标准节段的钢模板设计是模板设计的重中之重，其质量好坏直接影响整体拼装桥墩的质量效果。本文主要进行预制节段桥墩模板设计试验研究，通过介绍墩柱钢模板设计要点及要求，结合实际试验需求提出组装式钢模板设计方案，并阐明这种钢模板的组拼工艺、浇筑效果及使用过程中的常见问题。

  1  节段拼装桥墩简介

 节段拼装桥墩，是指沿垂直方向将桥墩墩柱按一定模数分为若干节段，并与承台、盖梁（墩帽）一起在桥址周围预制场地进行预制，通过运输工具运至施工现场进行拼装施工，其特点是节段接缝间通过拼接接头连接，而无普通钢筋穿过。在拼装过程中，预制构件之间的接缝区域被视为相对薄弱环节。与整体现浇桥墩相比，节段拼装桥墩技术的关键是接缝构造。因接缝区域应力集中，长期运营后更加容易劣化和破坏，如果接缝不密实会使得钢筋容易锈蚀，影响结构的耐久性。

 预制拼装桥墩常用的拼装接头形式有承插式、钢筋锚固、焊接、扣环式、法兰盘、后张预应力等。按照接缝间填涂材料分类又可分为湿接缝、干接缝及胶结缝3种。采用湿接缝连接的桥墩，在力学性能上和整体现浇差异不大，但湿接缝不利于桥梁的快速施工。相比而言，胶结缝则是在构件的拼接段上涂抹环氧树脂水泥胶薄层，在其硬化前合龙使拼接面密贴，提高结构抗剪能力、整体刚度和不透水性，这更符合快速施工的理念。

 本试验设计的预制节段桥墩采用胶结缝拼装，节段墩柱截面形式为中空矩形截面，外部尺寸为400mm×400mm，内部尺寸为200mm×200mm，标准节段墩身高40mm，墩身立面如图1a所示。在拼装接缝截面设计有8个棱柱状剪力键，以增强混凝土抗剪能力，截面尺寸及剪力键分布位置如图1b所示。

2模板设计

2.1对模板要求

 1)强度和刚度要求  混凝土凝结硬化过程中会对钢模板产生一定的挤压应力。为防止钢模板产生过大挠度变形，用于浇筑的钢模板必须满足一定的强度和刚度要求。本例中钢模板采用4mm优质钢板，在特殊位置进行加厚处理。

 2)平整度要求  预制节段拼装桥墩施工时通过胶结或干接的方式拼装，墩柱表面平整度对施工质量影响极大。对于干接缝拼装桥墩而言，墩柱平整度不高会导致在桥墩使用过程中，雨水通过接缝渗透进入钢筋混凝土桥墩内部，使钢筋产生锈蚀，缩短桥墩寿命。为保证施工质量，混凝土墩柱的尺寸经过严格设计，表面要求平整光滑。因此，钢模板必须板面平整、尺寸精确，同时这也有利于钢模板组装。

 3)切缝要求  组装式钢模板通过凹槽切缝拼装，切削加工中对切缝的精度控制对模板拼装质量有一定影响。而接缝尺寸及加工的质量控制对钢模板的组装和后期使用起着至关重要的作用。缝壁不好会导致挂浆、流浆等现象，甚至出现钢模板无法正常组装情况。

 4)耐久性要求  采用组装式钢模板与传统模板相比，优势在于平摊消费低。虽然钢模板一次性投资成本高，但其可多次使用的特点将钢模板的平摊成本降低。这同时对钢模板的耐久性提出了更高要求，即钢模板能够经过多次周转重复使用。

 5)易于脱模  当标准节段桥墩混凝土构件达到脱模强度时，应能方便地进行脱模，不应有任何障碍。

2.2模板尺寸确定

 对节段拼装桥墩而言，模板设计的重点是标准节段钢模板的设计，本文中钢模板的设计主要围绕标准节段展开。标准节段尺寸为400mm×400mm×400mm，三视图如图2所示。

 钢模板采用厚度为4mm的钢板，其中外模侧面钢模板设计如图3a所示，上下突出部分在组装过程中起固定作用，其上开有2个直径40mm孔洞，留作螺栓穿插之用。内侧模板由4块钢板组成，尺寸皆为196mm×400mm的矩形，如图3b所示。

 底板和顶板钢模板设计相对较为复杂，其上布置有8个相同的剪力键，具体尺寸及位置分布如图4a所示。底座钢模板作为承托模板，四角位置稍稍偏出10mm，且进行加厚处理，并在上面设置4mm宽凹槽，在组装过程中将侧面模板插入凹槽中，外围利用螺栓拴紧加固，使之形成一个整体。顶板设计和底板设计相似，区别在于键位朝向相反（见图4b）。

3模板加工

 钢模板制作工艺采用压轧成型，加工原材料应选取符合国家标准规范的钢材，以确保钢模板质量。加工时模板尺寸误差应控制在0. 1mm内，光洁度等级为▽5。由于本次试验设计的钢模板需组装后使用，如果出现尺寸误差太大情况，可能造成浇筑过程中混凝土浆体从缝隙流出现象，给后期试验带来不便。更严重的情况是无法将钢模板成功组装。

 另外，连接钢模板的螺栓必须保证一定的强度和刚度，在浇筑完成后，混凝土墩柱凝结硬化过程中会放热膨胀，对钢模板会有一定程度的挤压，易导致螺栓杆发生变形。同时，螺栓杆的开孔位置和尺寸也必须严格把关，以保证安装时穿插顺利。

4模板组装

 进行模板组装时，需要利用组装配件，包括螺栓杆、楔形塑料块、200mm×200mm方形塑料块等。

 钢模板组装采用设计时预留的凹槽和孔洞，将侧面钢板嵌入凹槽，并在外围通过螺栓穿插预留孔洞拧紧加固，内模则是通过塑料块挤压嵌固的方式达到固定效果。在组装过程中，按照先外后内的原则进行，即将外模组装好后再进行内模组装。为防止混凝土放热膨胀导致脱模，在螺栓与钢模板之间增加9个楔形塑料块加固，组装效果如图5所示。

5  模板组拼工艺试验

5.1  模型墩柱浇筑

 为了验证本文设计的标准节段墩柱钢模板的组装和浇筑效果，对该钢模板进行了组拼工艺试验。试验设计混凝土强度等级为C50，养护条件控制温度为20.00℃，湿度为99.8%，浇筑48h后进行拆模处理。

 浇筑工艺试验表明，采用本文设计的钢模板浇筑的标准节段混凝土墩柱键位成型完好，混凝土表面光滑平整，能够保证施工质量。

5.2  注意事项

 在加工和使用该钢模板过程中，有些事项需格外注意，具体阐述如下。

 1)组装过程中需要遵循一定的安装顺序，严格按照上述组装方式进行钢模板拼装。每次浇筑试验前需对钢模板进行涂油处理，防止钢模板产生锈蚀，影响钢模板使用效果。

 2)每次拆模后，钢模板表面会覆盖一定程度的混凝土浆体，在组装之前需对钢模板进行清理，在钢模板组装的凹槽处需引起重视。

 3)将浇筑混凝土放在标准养护室养护48h后即可进行拆模处理，由于混凝土的放热膨胀，钢模板之间相互挤压，造成脱模难度加大。最关键的剪力键位置的混凝土同时也是最容易在脱模时损坏处，整个脱模过程应当小心操作，避免损坏混凝土墩柱而引起缺陷。

6  结语

 利用本文设计加工制成的钢模板进行预制节段混凝土桥墩浇筑完全可行，这已在多次浇筑试验中得到验证。这种钢模板能够保证混凝土墩柱成型完整，达到加载试验所需的要求。同时，钢模板组装的特点有效提高了浇筑试验的进度，有助于提高预制节段桥墩受力行为试验研究的整体进展情况。