变截面高桥墩翻模结构及施工方法与流程

本发明涉及一种桥梁施工领域，具体是指变截面高桥墩翻模结构及施工方法。

背景技术

跨越大江大河、深沟峡谷的桥梁高桥墩一般采用有支架和无支架施工，近年来无支架翻模施工工艺应用较多。翻模施工一般由每段高度2m～3m的2～4段模板组成，浇筑顶段混凝土后，将最底段模板翻至顶段，以顶段模板作为支撑，安装上段模板现浇上段墩身混凝土，循环交替翻升施工。墩身主筋接长时，长度一般为一段高度的3～4倍，稳定性较差，未绑扎成型之前，将预埋在墩身的劲性骨架作为参照物固定定位。如变截面墩身，由于坡比率很小，施工精确较难控制，每段细微的偏差就会形成高桥墩较大的累计误差，影响高桥墩的受力和外形美观。因此，变截面高桥墩预埋的劲性骨架必须有足够的强度、刚度和精度，以及变截面墩身现浇模板坡比率精度调整灵活方便的模板体系,以免发生劲性骨架失稳、崩模事故和影响高桥墩的施工质量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种精度调整灵活、安全保障、质量可靠、节能环保的变截面高桥墩翻模结构及施工方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案实现：

一种变截面高桥墩翻模结构，包括基础承台，所述的基础承台上设置内、外套装的多段内模板系统和多段外模板系统，在多段内模板系统和多段外模板系统之间设有劲性骨架，该劲性骨架通过下端预埋在基础承台并逐步向上延伸至墩身顶部作引导固定定位，通过劲性骨架引导定位安装墩身钢筋；所述的多段外模板系统和多段内模板系统逐段向上循环交替翻模浇筑混凝土并形成桥梁墩身。

所述的劲性骨架是由型钢和上、下纵横交叉的系杆组成，首段劲性骨架的型钢底部预埋在基础承台上部，其上延伸4～5倍每段外模板系统的高度，并作为参照物固定定位墩身钢筋和外模板系统、内模板系统。

所述的劲性骨架，顶段即号段混凝土浇筑时，劲性骨架受力力学模型为：外模板系统和内模板系统从号段翻模至号段浇筑混凝土，每段高度为，假设号段混凝土已达到设计强度，号段混凝土正在凝固未达到设计强度要求，号段至劲性骨架顶端高度为，受风力作用，风荷载强度为，劲性骨架与号段混凝土以下为弹性连接；劲性骨架在号段混凝土中处、处自由的弹性地基梁，号段混凝土的弹性抗力系数为，弹性抗力符合文克尔(winkler)假设，劲性骨架任一点处的位移与作用在该点的抗力成正比而与作用在其他各点的抗力无关，即，劲性骨架抗弯刚度为；号段混凝土为液态，号段内劲性骨架处水平压力强度为、处水平压力强度为，式中为混凝土的重力密度，为浇筑混凝土振动棒的激振附加速度，混凝土振动棒为简谐振动；号段混凝土浇筑时，混凝土振动棒的激振附加位移和速度、劲性骨架水平压力强度和劲性骨架的挠曲线方程以及劲性骨架受力由以下公式计算：

公式一、

公式二、

解微分方程，得

令，得

解微分方程，得

解微分方程，得

在以上方程中，共10个待定常数，由于在处存在连续条件和边界条件：

联立以上10元一次方程组，得

公式三、

在公式一、公式二和公式三中，各符号意义如下：

——多段外模板系统、多段内模板系统每段的高度，即每段浇筑混凝土的高度，；

——多段外模板系统、多段内模板系统最上段混凝土顶面至劲性骨架顶的高度，；

——翻模施工每段浇筑混凝土高度的变截面横向水平内收距离，为变截面高桥墩的坡比率，；

——单位宽度劲性骨架的刚度，；

——混凝土振动棒简谐振动位移函数，；

——混凝土振动棒简谐振动速度函数，；

——混凝土振动棒简谐振动速度最大值，；

——多段外模板系统、多段内模板系统最上段混凝土顶面即处以上至劲性骨架顶即处所受的单位宽度风荷载强度，；

——多段外模板系统、多段内模板系统最上段混凝土视为液态时的顶部单位宽度水平荷载强度，为浇筑混凝土振动棒引起的激振附加水平荷载强度，；

——多段外模板系统、多段内模板系统最上段混凝土视为液态时的底部单位宽度水平荷载强度，由浇筑混凝土振动棒引起的激振附加水平荷载强度与液态混凝土的水平荷载强度叠加，，；

——单位宽度混凝土的重力密度，；

——浇筑混凝土振动棒的激振附加速度，；

——浇筑混凝土振动棒的角频率，；

——浇筑混凝土振动棒的振动时间，；

——浇筑混凝土振动棒的最大振幅，；

——浇筑段混凝土的弹性抗力系数，；

——劲性骨架号段混凝土即段混凝土受力挠曲线纵坐标，；

——劲性骨架号段混凝土即段受力挠曲线纵坐标，；

——劲性骨架段受力挠曲线纵坐标，；

——劲性骨架段横坐标，；

——单位宽度劲性骨架在号段混凝土中的单位宽度弹性抗力，，；

——系数，，；

——单位宽度劲性骨架号段中处所受的弯矩，；

——单位宽度劲性骨架处所受的弯矩，；

——单位宽度劲性骨架处所受的弯矩，；

——单位宽度劲性骨架容许弯矩，；

——单位宽度劲性骨架处的挠度，；

——单位宽度劲性骨架处的挠度，；

——单位宽度劲性骨架处的容许挠度，；

——单位宽度劲性骨架处的容许挠度，；

——待定系数；

——劲性骨架在风力和浇筑段混凝土水平压力作用下对应的的水平位移或位置即对应挠度点。

所述的多段外模板系统和多段内模板系统均为钢质，每段外模板系统和每段内模板系统的高度均为2m～3m；所述的桥梁墩身是在外模板系统和内模板系统之间浇筑混凝土而形成的空腹墩身。

所述的每段外模板系统均是由两片外横向模板、两片外纵向模板共同围合而组成墩身的外形，在每段外模板系统内均设有用于固定模板的多根背楞、多根纵向拉杆和多根横向拉杆，每段外纵向模板的上部两侧各设置一对调节螺栓，并调节外纵向模板的平面位置使之符合墩身的变截面坡比率。

所述的每段外模板系统的顶部和底部分别设有多根螺栓，并经该多根螺栓相互连接上、下相邻的上段外模板系统和下段外模板系统；所述的每段外模板系统外侧均设置钢质工作平台、支承钢质工作平台的斜撑和位于钢质工作平台顶面外侧的栏杆。

所述多根背楞的两端水平顶面设置刻度，并控制外纵向模板顶面安装固定位置。

所述的每段内模板系统均围合成墩身空腹的外形，并由多根纵向拉杆和多根横向拉杆予以固定。

所述的每段内模板系统的顶部和底部分别设有多根螺栓，并经该多根螺栓相互连接上、下相邻的上段内模板系统和下段内模板系统。

一种变截面高桥墩翻模结构的施工方法，主要包括如下步骤：

步骤一、设计制作变截面高桥墩翻模结构

①根据变截面高桥墩设计图纸，拟定劲性骨架和模板的尺寸；

②通过公式一、公式二和公式三试算劲性骨架和外模板系统受力，确定相应的尺寸；

③制作劲性骨架和外模板系统、内模板系统；

④工厂制作墩身钢筋；

步骤二、预埋劲性骨架

在承台钢筋绑扎时，首段劲性骨架底部预埋在基础承台上部，其上延伸4～5倍每段外模板系统的高度，测量精确度符合要求；

步骤三、施工基础承台上3段墩身混凝土

①连接承台预埋钢筋，绑扎工厂制作的3段墩身钢筋；

②安装基础承台上首段墩身混凝土1号外模板系统和钢质工作平台；

③浇筑基础承台上首段即1号段墩身混凝土；

⑤1号段墩身混凝土终凝后安装2号内模板系统、外模板系统和钢质工作平台，通过调节调节螺栓准确定位墩身的变截面坡比率；

⑥浇筑2号段墩身混凝土；

⑦2号段墩身混凝土终凝后安装3号内模板系统、外模板系统和钢质工作平台；

⑧浇筑3号段墩身混凝土；

步骤四、施工4号段墩身混凝土

①3号段墩身混凝土终凝后拆除1号段外模板系统和钢质工作平台；

②安装固定4号内模板系统；

③安装固定4号外模板系统的外横向模板和钢质工作平台，初步固定4号外纵向模板；

④通过调整调节螺栓准确定位墩身的变截面坡比率；

⑤接长3号段以上每段3～4倍外模板系统长度墩身钢筋；

⑥浇筑4号段墩身混凝土；

步骤五、施工5号段墩身混凝土

①待4号段墩身混凝土终凝后拆除2号段外模板系统和钢质工作平台；

②焊接接长劲性骨架，其上延伸4～5倍每段外模板系统的高度；

③安装固定5号内模板系统；

④安装固定5号外模板系统的外横向模板和钢质工作平台，初步固定5号外纵向模板；

⑤通过调整调节螺栓准确定位墩身的变截面坡比率；

⑥浇筑5号段墩身混凝土；

依次类推，墩身连续3段外模板系统和内模板系统内混凝土浇筑完成后，将最底下一段外模板系统、内模板系统和钢质工作平台拆除，再将其安装在最上一段上面，逐段向上翻模施工各号段的墩身混凝土直至完成整个高桥墩，劲性骨架和墩身钢筋也相应逐段接长；施工过程中外模板系统、内模板系统、钢质工作平台、劲性骨架、墩身钢筋和混凝土浇筑均采用塔吊吊装和运送，施工人员通过升降电梯或安全爬梯实现；加强施工监测，确保高桥墩平面位置和变截面的坡比率精度以及劲性骨架、钢筋和混凝土质量符合要求。

与现有技术相比，本发明主要设计了一种变截面高桥墩翻模结构及施工方法，该方法具有以下特点：一、通过公式一、公式二和公式三设计计算变截面高桥墩预埋的劲性骨架，计算公式考虑了高桥墩劲性骨架受风力和浇筑混凝土时振动棒的最大影响，保证了劲性骨架足够的强度、刚度，以免发生劲性骨架失稳、崩模事故，确保安全；二、以劲性骨架为导向，多根背楞两端水平顶面设置刻度，用以控制外纵向模板顶面安装固定位置以起到准确定位变截面坡比率的作用；三、设置调节螺栓，灵活调整外纵向模板位置，提高变截面墩身现浇模板坡比率的精度；通过以上结构并结合相应的操作方法，能更好提高变截面高桥墩的质量和确保施工安全，资源节约，进度加快，还具有节能减排的效果，经济效益和社会效益显著。

附图说明

图1为本发明的立面结构示意图。

图2为图1的左视图。

图3为图1的俯视图。

图4为翻模结构的立面结构示意图。

图5为图4的俯视图。

图6为劲性骨架的受力计算图式。

具体实施方式

下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。

如图1~图6所示，1.基础承台、2.墩身、21.混凝土、22.空腹、3.劲性骨架、31.型钢、32.系杆、4.墩身钢筋、5.外模板系统、51.外横向模板、52.外纵向模板、53.背楞、54.纵向拉杆、55.横向拉杆、56.调节螺栓、57.螺栓、6.内模板系统、7.钢质工作平台、71.栏杆、72.斜撑。

变截面高桥墩翻模结构及施工方法，如图1~图3所示，涉及桥梁中混凝土高桥墩施工领域，其结构主要是由基础承台1、多段内模板系统6、多段外模板系统5和劲性骨架3等构成。

其中，多段外模板系统5和多段内模板6系统均为钢质，以内、外套装的形式安装在基础承台1上，并用于现浇桥梁的高桥墩，每段外模板系统5和每段内模板系统6的高度均为2m～3m。

所述的每段外模板系统5均是由两片外横向模板51、两片外纵向模板52共同围合而组成墩身2的外形，在每段外模板系统5内均设有多根背楞53、多根纵向拉杆54和多根横向拉杆55，起到固定模板的作用，每段外纵向模板52的上部两侧各设置一对调节螺栓56，用于调节外纵向模板52的平面位置使之符合墩身2的变截面坡比率；多根背楞53的两端水平顶面设置刻度，用于控制外纵向模板52顶面安装固定位置，以起到准确定位变截面坡比率的作用。

所述的每段外模板系统5的顶部和底部分别设有多根螺栓57，并经该多根螺栓相互连接固定与其上、下相邻的上段外模板系统和下段外模板系统；所述的每段外模板系统5外侧均设置钢质工作平台7、支承钢质工作平台7的斜撑72和位于钢质工作平台7顶面外侧的栏杆71。

所述的每段内模板系统6均围合成墩身2空腹22的外形，本实施例为围合成矩形空腹墩身的外形，其也由多根纵向拉杆54和多根横向拉杆55予以固定。在每段内模板系统6的顶部和底部也分别设有多根螺栓57，并经该多根螺栓相互连接固定与其上、下相邻的上段内模板系统和下段内模板系统。

所述的劲性骨架3设置在多段内模板系统6和多段外模板系统5之间，该劲性骨架3是由型钢31和上、下纵横交叉的系杆32组成，首段劲性骨架3的型钢31底部预埋在基础承台1上部，其上延伸4～5倍每段外模板系统6的高度，即逐步向上延伸至墩身2顶部作引导固定定位，通过劲性骨架3引导定位安装墩身钢筋4。

同时，劲性骨架3上安装墩身钢筋4，然后将多段外模板系统5和多段内模板系统6逐段向上循环交替翻模浇筑混凝土21，就形成了桥梁墩身2；因此，该桥梁墩身实际就是在外模板系统5和内模板系统6之间浇筑混凝土21而形成的空腹墩身。

所述的劲性骨架3，顶段即号段混凝土浇筑时，劲性骨架3受力力学模型为：外模板系统5和内模板系统6从号段翻模至号段浇筑混凝土21，每段高度为，假设号段混凝土已达到设计强度，号段混凝土正在凝固未达到设计强度要求，号段至劲性骨架3顶端高度为，受风力作用，风荷载强度为，劲性骨架3与号段混凝土21以下为弹性连接；劲性骨架3在号段混凝土中处、处自由的弹性地基梁，号段混凝土的弹性抗力系数为，弹性抗力符合文克尔(winkler)假设，劲性骨架任一点处的位移与作用在该点的抗力成正比而与作用在其他各点的抗力无关，即，劲性骨架抗弯刚度为；号段混凝土为液态，号段内劲性骨架处水平压力强度为、处水平压力强度为，式中为混凝土的重力密度，为浇筑混凝土振动棒的激振附加速度，混凝土振动棒为简谐振动；号段混凝土浇筑时，混凝土振动棒的激振附加位移和速度、劲性骨架3水平压力强度和劲性骨架的挠曲线方程以及劲性骨架受力由以下公式计算：

公式一、

公式二、

解微分方程，得

令，得

解微分方程，得

解微分方程，得

在以上方程中，共10个待定常数，由于在处存在连续条件和边界条件：

联立以上10元一次方程组，得

公式三、

在公式一、公式二和公式三中，各符号意义如下：

——多段外模板系统5、多段内模板系统6每段的高度，即每段浇筑混凝土21的高度，；

——多段外模板系统5、多段内模板系统6最上段混凝土21顶面至劲性骨架3顶的高度，；

——翻模施工每段浇筑混凝土21高度的变截面横向水平内收距离，为变截面高桥墩的坡比率，；

——单位宽度劲性骨架3的刚度，；

——混凝土振动棒简谐振动位移函数，；

——混凝土振动棒简谐振动速度函数，；

——混凝土振动棒简谐振动速度最大值，；

——多段外模板系统5、多段内模板系统6最上段混凝土21顶面即处以上至劲性骨架3顶即处所受的单位宽度风荷载强度，；

——多段外模板系统5、多段内模板系统6最上段混凝土21视为液态时的顶部单位宽度水平荷载强度，为浇筑混凝土振动棒引起的激振附加水平荷载强度，；

——多段外模板系统5、多段内模板系统6最上段混凝土21视为液态时的底部单位宽度水平荷载强度，由浇筑混凝土振动棒引起的激振附加水平荷载强度与液态混凝土的水平荷载强度叠加，，；

——单位宽度混凝土21的重力密度，；

——浇筑混凝土振动棒的激振附加速度，；

——浇筑混凝土振动棒的角频率，；

——浇筑混凝土振动棒的振动时间，；

——浇筑混凝土振动棒的最大振幅，；

——浇筑段混凝土的弹性抗力系数，；

——劲性骨架号段混凝土即段混凝土受力挠曲线纵坐标，；

——劲性骨架号段混凝土即段受力挠曲线纵坐标，；

——劲性骨架段受力挠曲线纵坐标，；

——劲性骨架段横坐标，；

——单位宽度劲性骨架3在号段混凝土21中的单位宽度弹性抗力，，；

——系数，，；

——单位宽度劲性骨架号段中处所受的弯矩，；

——单位宽度劲性骨架处所受的弯矩，；

——单位宽度劲性骨架处所受的弯矩，；

——单位宽度劲性骨架3容许弯矩，；

——单位宽度劲性骨架处的挠度，；

——单位宽度劲性骨架处的挠度，；

——单位宽度劲性骨架处的容许挠度，；

——单位宽度劲性骨架处的容许挠度，；

——待定系数；

——劲性骨架在风力和浇筑段混凝土水平压力作用下对应的的水平位移或位置即对应挠度点。

另外，变截面高桥墩翻模结构的施工方法，主要包括如下步骤：

步骤一、设计制作变截面高桥墩翻模结构

①根据变截面高桥墩设计图纸，拟定劲性骨架3和模板的尺寸；

②通过公式一、公式二和公式三试算劲性骨架3和外模板系统5受力，确定相应的尺寸；

③制作劲性骨架3和外模板系统5、内模板系统6；

④工厂制作墩身钢筋4；

步骤二、预埋劲性骨架

在承台钢筋绑扎时，首段劲性骨架3底部预埋在基础承台1上部，其上延伸4～5倍每段外模板系统5的高度，测量精确度符合要求；

步骤三、施工基础承台上3段墩身混凝土

①连接承台预埋钢筋，绑扎工厂制作的3段墩身钢筋4；

②安装基础承台1上首段墩身混凝土1号外模板系统和钢质工作平台7；

③浇筑基础承台1上首段即1号段墩身混凝土；

⑤1号段墩身混凝土21终凝后安装2号内模板系统6、外模板系统5和钢质工作平台7，通过调节调节螺栓56准确定位墩身的变截面坡比率；

⑥浇筑2号段墩身混凝土；

⑦2号段墩身混凝土终凝后安装3号内模板系统5、外模板系统6和钢质工作平台7；

⑧浇筑3号段墩身混凝土；

步骤四、施工4号段墩身混凝土

①3号段墩身混凝土21终凝后拆除1号段外模板系统5和钢质工作平台7；

②安装固定4号内模板系统6；

③安装固定4号外模板系统5的外横向模板51和钢质工作平台7，初步固定4号外纵向模板52；

④通过调整调节螺栓56准确定位墩身2的变截面坡比率；

⑤接长3号段以上每段3～4倍外模板系统长度墩身钢筋；

⑥浇筑4号段墩身混凝土21；

步骤五、施工5号段墩身混凝土

①待4号段墩身混凝土21终凝后拆除2号段外模板系统5和钢质工作平台7；

②焊接接长劲性骨架3，其上延伸4～5倍每段外模板系统的高度；

③安装固定5号内模板系统6；

④安装固定5号外模板系统的外横向模板51和钢质工作平台7，初步固定5号外纵向模板52；

⑤通过调整调节螺栓56准确定位墩身2的变截面坡比率；

⑥浇筑5号段墩身混凝土21；

依次类推，墩身2连续3段外模板系统5和内模板系统6内混凝土21浇筑完成后，将最底下一段外模板系统5、内模板系统6和钢质工作平台拆除，再将其安装在最上一段上面，逐段向上翻模施工各号段的墩身混凝土直至完成整个高桥墩，劲性骨架3和墩身钢筋也相应逐段接长；施工过程中外模板系统5、内模板系统6、钢质工作平台7、劲性骨架3、墩身钢筋4和混凝土21浇筑均采用塔吊吊装和运送，施工人员通过升降电梯或安全爬梯实现；加强施工监测，确保高桥墩平面位置和变截面的坡比率精度以及劲性骨架、钢筋和混凝土质量符合要求。

本发明所述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围内。