承台墩身整体预制自动开合模板的设计与应用

摘要：港珠澳大桥CB05标浅水区非通航孔桥采用“大型化、工厂化、标准化、装配化”的建设理念，全桥共有62个墩台，承台墩身采用一次性整体预制施工工艺，针对整体预制模板设计成整体自动开合，在整体预制施工中起到至关重要的作用，并为今后同类型桥梁施工提供借鉴作用。

关键词：港珠澳大桥；承台墩身；整体预制；自动开合模板；模板设计 文献标识码：A

中图分类号：U445 文章编号：1009-2374（2015）27-0018-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.010

1 工程简介

港珠澳大桥CB05标非通航孔桥共62个桥墩，承台尺寸为15.6m×11.4m×4.5m（横桥向×纵桥向×承台厚度），四周倒以圆角。墩身截面尺寸为11m×3.5m（横桥向×纵桥向），墩身高在11～14m之间，顺桥向壁厚0.8m，横桥向壁厚1.2m。

承台与墩身采用一次性整体预制，针对整体预制模板设计成整体自动开合，其结构形式采用大桁架、大块件方式。该套模板体系合模与开模状态的实物图如图1和图2所示：

图1 承台墩身一体化

模板合模图 图2 承台墩身一体化

模板开模图

2 模板设计

模板以与预制构件匹配、安全牢固、操作方便、性能稳定、经济耐用、美观的原则设计。承台及底节墩身预制模板主要由底模体系、外侧模体系、外侧空间桁架体系、内侧模板体系、液压系统体系、自走行体系六个体系组成。

2.1 底模部分

底模由10mmQ235热轧平直钢板、I100内楞及8mm加劲板组成。底模在两侧滑道位置处设置活动块，以便于下沉移开，避让横移车移运预制节段。底模活动块自带支架及螺杆顶，以便浇筑阶段支撑及拆模时下沉活动块。

2.2 外侧模体系

墩身外侧模板采用由（1+8）316L、Q235B热轧钢板复合而成的不锈钢复合板，内楞由I12型钢及8mm筋板组成。墩身模板按最高节段配置。承台外侧模采用10mm钢板为面板，I126间距300mm作为内肋、2I250为外肋的结构形式。承台外侧模板采用“侧包底”的方式与底模相连接。模板在运输及吊运能力范围之内，坚持尽可能大块的原则，确保混凝土外观美观。

模板连接除需拆分部位外，其他分块均采用螺栓连接锁死，施工过程中无需拆开。

2.3 外侧空间桁架体系

外侧桁架为□200×6、□140×6等型号方钢组成的平面桁架，采用竖向腹杆及斜腹杆串联成空间桁架。承台外桁架横纵桁架组成一整体，分左右两半。左右两侧桁架采用Φ32精轧螺纹钢连接成一整体，共同整体受力。

2.4 内侧模板体系

内模分底部喇叭段、中间直线段、顶部喇叭段及顶部湿接缝段四段。内模高度与墩身高度匹配，实现以内模高度控制墩身高度。内模在墩身钢筋绑扎时同步拼装，在承台钢筋整体横移就位后，与墩身钢筋一起整体吊装插入承台钢筋内，墩身钢筋与内模支撑在墩身钢筋与内模支撑板凳上。

2.5 液压体系

为提高模板装拆效率，在模板体系中设计液压系统，液压系统沿模板开合方向分成两套液压体系，每侧一套。每套体系由两组液压系统组成：一组控制模板体系的升降及承台侧模的开合；另一组控制墩身侧模开合。每组液压系统内的油缸可以同步操作，也可以单独操作，便于施工中对模板状态进行调整。

2.6 自走行体系

自走行系统内嵌入模板桁架体系内部，由动力电机、主动轮及从动轮组成，实现模板由电机驱动，自行开合，方便操作，提高工作效率。

3 模板桁架体系计算

3.1 建模

承台墩身一体化模板面板采用1mm（316L不锈钢板）+8mm（Q235普通钢板），模板内楞采用I12.6，外楞采用I25b，模板桁架上下水平弦杆采用方通200mm×6mm钢管，腹杆及连接杆采用方通140mm×6mm钢管，竖向油缸支腿采用方通300mm×10mm钢管，水平油缸支腿采用方通160×10mm钢管，桁架连接螺杆采用Ф32精轧螺纹钢，丝杆撑采用Ф80螺纹钢。利用MIDSA建立整体模型，如图3所示：

图3 预制承台模板整体模型 图4 模板加载图（桁架未示）

3.2 模型加载荷载

出于安全考虑，取混凝土浇筑到底节墩身顶面工况作为计算工况，有效压头范围内新浇混凝土模板侧压力沿竖向线性变化，有效压头以下至承台底面范围内按照最大侧压力施加均布荷载，下端承台模板荷载按照承台模板最大侧压力施加，底节墩身模板荷载按照墩身模板最大侧压力施加（如图4）；振捣荷载及混凝土浇筑水平荷载垂直于模板平面满布，各荷载具体取值按照规范《路桥施工计算手册》计算取值。

3.3 下端承台模板整体检算

经模型分析计算，下端承台模板桁架杆件最大组合应力为191.5MPa，均发生在水平弦杆上，面板最大有效应力37MPa，依据模板设计说明，模板型材均采用Q345B钢材，强度设计值为310MPa，面板采用Q235B钢材，强度设计值为215MPa，强度满足规范要求。下端承台模板桁架挠度最大为9.7mm，根据公路桥涵施工技术规范，桁架允许挠度为计算跨径的1/400，刚度满足规范要求。

3.4 上端墩身模板整体检算

经模型分析计算，上端底节墩身模板桁架杆件最大组合应力为212.5MPa，均发生在水平弦杆上，面板最大有效应力62MPa，依据模板设计说明，模板型材均采用Q345B钢材，强度设计值为310MPa，面板采用Q235B钢材，强度设计值为215MPa，则上端底节墩身模板强度满足规范要求。

3.5 承台模板桁架各类杆件内力检算

模板桁架主要受力杆件由不同截面方通型钢组成，根据钢结构设计规范，承台各类杆件最大拉力、最大压力、各主要受力杆件强度及稳定性均满足规范要求。

3.6 承台模板桁架连接螺栓强度检算

承台模板外空间桁架由横纵桁架组成一整体，分为左右两半，左右两侧桁架采用Ф32精轧螺纹钢连接成一整体共同受力，每根杆件采用四根螺纹钢连接。根据模板整体建模计算，桁架拼接处杆件轴力最大为65.8t，则单根Ф32精轧螺纹钢轴力为16.5t。Ф32精轧螺纹钢抗拉承载力设计值取450MPa，根据钢结构设计规范，单根钢筋Ф32精轧螺纹钢抗拉承载力设计值为36.2t>16.5t，则模板桁架连接螺栓强度满足规范要求。

3.7 模板面板刚度检算

预制承台模板面板由1mm（316L不锈钢板）+8mm（Q235普通钢板）组成，根据模板设计图，模板下端承台部分内楞间距300mm，底节墩身部分内楞间距350mm，有效压头高度以下模板侧压力均布，下端承台模板侧压力较上端墩身模板侧压力小，因此仅取内楞间距为350mm的墩身模板面板进行检算。内楞间距350mm，外楞间距1445mm，两边方向长度比大于2，故按照单向板进行计算。取1m宽度进行计算，则面板挠度：

根据公路桥涵施工技术规范要求，钢模板面板挠度不得大于1.5mm，故刚度满足规范要求。

4 整体自动开合系统

为方便模板装拆效率，减小施工机械的投入，在模板体系中设计液压系统达到整体开合的目的。液压系统由泵站动力系统、操作控制系统、液压管道系统及液压千斤顶系统组成，每套系统由1套泵站、12支50t竖向油缸、20支15t水平拉力油缸等组成。布设自走行系统，它由动力电机、主动轮及从动轮组成，实现模板由电机驱动，自行开合，方便操作，提高工作效率。

开合原理：精确控制开合轨道，要求控制轨道的标高和线型两个指标；利用自走行系统主动轮牵引模板桁架体系进行模板自动开合，开合后采用液压系统中竖向顶调整模板的垂直度，控制精度满足施工要求，从而做到模板自动开合。

脱模原理：承台墩身整体模板桁架体系总重量达到约420t，脱模顺序为先短边后长边。短边模板采用液压脱模，长边模板采用自重沉降式脱模。具体操作为：先将模板四条边之间的连接螺栓解除，再解除桁架之间的连接拉杆，利用短边方向的水平方向液压千斤顶将短边模板拉脱悬挂在短边方向的桁架上拆除短边模板，最后将长边桁架支腿竖向千斤顶回油，利用重力作用将模板桁架与混凝土脱开，从而达到脱模目的。

5 模板制作安装、使用及注意事项

5.1 模板制作安装

承台墩身预制节段模板采用大块钢模板，钢模板按照批准的图纸在大型的专业厂家制作。模板进场前在工厂预拼，检查合格后方可运送至施工现场。此外，模板焊缝要求饱满，不得有漏焊、假焊等现象，模板漆喷涂前必须将表面的浮锈、焊渣、灰层清除干净，模板连接法兰的螺栓孔必须采用钻床成孔，模板在运输过程中不得变形，模板要求喷涂油漆三道、铁红环氧脂底漆一道、面漆二道，并编号。模板安装分底模拼装、模板体系组拼、模板合模检查三步进行。

5.2 模板使用

模板组拼好后沿模板开合方向分为两部分，两部分在各自走行电机驱动下自行开合，在每一部分中受力桁架、长边承台模板、长边墩身模板三者固结成整体，短边承台模板、短边墩身模板由导管及套管固定在受力桁架上由平移液压千斤顶推动进行开合。

5.3 模板使用注意事项

严格遵守模板的使用步骤，严禁在模板与承台墩身之间为脱开之前，强行使用走行系统生拉硬拽脱模。竖向液压系统主要起到调整垂直度的作用，垂直度调整应该在模板合模后承台底部模板未固结前进行。整体模板迎风面积大，在打开状态时必须固结。

6 结语

港珠澳大桥CB05标浅水区非通航孔桥共62个桥墩，采用此套模板体系已成功完成了承台墩身的预制，使用方便，操作简单。该桁架模板体系使得单座承台墩身的预制周期可压缩在7天以内，工期有保证。已预制的承台墩身各项测量检验指标均满足设计与规范要求，达到了预期的目的，为以后的整体化预制施工提供了很好的思路与借鉴。

参考文献

[1] 张启文，夏志斌，等.钢结构设计规范（GB 500017-2003）[S].北京：中国计划出版社，2003.

[2] 宋曼华.钢结构设计与计算（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3] 杨文渊，徐犇.桥梁施工工程师手册（第二版）

[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4] 公路桥梁施工技术规范（JTG/TF50-2011）[S].

[5] 中铁大桥勘测设计院有限公司.港珠澳大桥施工图设计[S].

[6] 港珠澳大桥主体工程桥梁工程土建工程施工（CB05合同段）技术规范[S].

作者简介：刘志勇（1982-），男，中铁大桥局集团第五工程有限公司工程师，一级建造师，研究方向：道路与桥梁

工程。

（责任编辑：周 琼）