桥梁空心薄壁高墩柱爬模施工技术研究

桥梁空心薄壁高墩柱爬模施工技术研究

李小龙  赵维东

中交二航局成都建设工程有限公司

摘 要：桥梁空心薄壁高墩柱因其优良的抗震性能，高效的材料利用率和良好的经济效益，已被广泛应用于大跨径桥梁工程中。本文以神山特大桥空心薄壁高墩柱爬模施工为切入点，详细分析了空心薄壁高墩柱结构特点及其爬模施工技术，包括模板系统设计、钢筋施工、混凝土浇筑及模板爬升等。并进一步研究了爬模系统选择、爬模系统运行机制等关键技术，以期为空心薄壁高墩柱爬模施工提供科学合理的技术指导和参考，确保施工质量，提高施工效率，推动桥梁工程的稳定和可持续发展。

关键词：桥梁空心薄壁高墩柱  爬模施工  施工技术

引言

桥梁工程是交通基础设施的重要组成部分，其质量直接影响着交通安全和运输效率。在桥梁工程中，空心薄壁高墩柱因其优良的结构性能和经济效益，逐渐成为大跨径桥梁工程的首选结构形式。然而，由于空心薄壁高墩柱的结构特殊性，其施工过程中常规的施工方法难以满足工程需求，因此急需开发新的施工技术和设备。空心薄壁高墩柱的施工技术研究是桥梁工程领域的重要研究课题。其中，爬模施工技术是空心薄壁高墩柱施工的关键技术之一。爬模施工技术不仅能有效提高施工效率，降低施工成本，而且能够确保施工质量，提高工程的安全性。因此，对空心薄壁高墩柱爬模施工技术的研究和探索具有重要的理论价值和实际意义。

1空心薄壁高墩柱的结构特征及施工挑战

1.1 空心薄壁高墩柱的结构特性

空心薄壁高墩柱是一种独特的桥梁墩柱结构，它的主体结构由两部分组成，即内外壁，形成一个中心空腔。这种设计赋予了空心薄壁高墩柱一系列独特的结构特点：

（1）结构形式多样：空心薄壁高墩柱的形状可根据具体工程需求进行设计，可以是圆形、矩形或其他任何复合形状，以适应各类复杂的地质和地形条件[1]。这种结构形式的多样性提供了广阔的设计空间，使其能够满足各种不同应用场景的需求。

（2）自重轻且抗震性强：由于墩柱的中心部分为空，使得整个结构的自重大大降低，从而减轻了对地基的压力。同时，空心结构降低了地震作用下的惯性力，从而提升了结构的抗震性能。此外，空心薄壁高墩柱由于其独特的形状，还具有良好的抗风性能。

（3）材料利用率高：空心薄壁高墩柱的内外壁都是薄壁结构，这意味着在保证建筑物强度和稳定性的同时，可以大大节约建筑材料，提高材料利用率，从而提升经济效益。

1.2 空心薄壁高墩柱施工的难点

桥梁空心薄壁高墩柱施工面临诸多挑战。首先，空心薄壁结构的稳定性较差，壁厚误差控制严格，模板定位和制作要求高，且混凝土浇筑需防止位移或翘曲变形，同时，由于内部无法人工维护，要求施工质量和混凝土密实度高。其次，高墩柱混凝土浇筑难度体现在运输和振捣困难，需要分段连续浇筑，控制单次浇筑高度，并配备可拆卸的内振捣系统，以保证混凝土质量。再者，桥墩柱的连续性和尺寸精度要求高，以保证桥面平顺性，需要精确对位模架，逐层控制垂直度，合理安排冷缝，并保持表面平整性。因此，空心薄壁高墩柱施工需要精心设计施工方案和控制工艺流程，采取专门的浇筑与振捣措施，严格质量控制，才能确保建成后结构质量。

3爬模施工原理

3.1爬模施工特点

爬模施工是高大结构混凝土施工的主要方法之一。其主要特点是模架高度较低，支撑相对简易，不需进行整体承重。浇筑完混凝土后，等待混凝土初步硬化，然后将模架往上移位，进行下一段的施工。这样可分段逐步完成整个结构的混凝土浇筑。爬模最大优点是模架重量较轻，不需要特殊的起重设备，模架稳定性好;同时每次仅浇筑较少高度，减少了混凝土压力和温度影响。此外，爬模施工现场操作相对简单，可大大提高作业效率。

3.2爬模施工步骤

3.2.1爬模支撑系统架设。

根据桥梁高墩柱的具体尺寸和形状来设计支撑系统。设计过程中要考虑到实际施工条件和环境因素，以确保设计方案的可行性和实用性。支撑系统可以选择固定支架或移动支架。固定支架适用于墩柱尺寸固定、地形较为平坦的地方，其优点是稳定性好，但灵活性较差。移动支架则适用于墩柱尺寸变化大、地形复杂的地方，虽然稳定性略逊于固定支架，但其灵活性高，施工效率更高。无论选择何种支架，都要确保整个爬模结构的稳定性。

图1 爬模系统概述图

3.2.2模架安装和调平

在支撑系统上安装刚性模架，并精确调平。模架之前需要进行拼装预制，以提高现场作业效率。模架要与支撑系统连接牢固，防止模架移位。安装模架时，必须精确控制模架的高度、垂直度和对中性。这些参数的控制直接影响到桥墩柱的尺寸精度和结构质量。另外，不同模架之间的连接也需要保证平顺严密，以防止混凝土在浇筑过程中发生泄漏，影响施工效果和桥梁的结构质量。

3.2.3钢筋绑扎

在模架内绑扎钢筋笼，并预留连接钢筋。钢筋要严格按照设计图纸要求绑扎，保证配筋尺寸及间距。连接钢筋要精确对位，确保钢筋连续性。钢筋锚固长度要做好计算，保证与混凝土的黏结强度。

3.2.4混凝土浇筑

开始浇筑前要对模架连接、内部衬层等进行检查。浇筑时要控制漏斗高度，分层匀速浇筑，避免产生冷层。要配备内部振捣系统，保证混凝土密实。要控制层高和垂直度。

3.2.5养护保养

混凝土浇筑后，要进行标准养护，控制温度和湿度，确保混凝土质量。

3.2.6模板移位

混凝土初硬后，拆除模架，模板系统移位到下一施工位置，进行下一段的施工。

3.3爬模稳定性计算

爬模施工中，必须进行爬模稳定性计算，确保爬模结构在各个施工阶段的整体稳定。主要考虑以下几个方面:

（1）支撑体系稳定计算：计算支撑体系在承受自重、风载等不同作用下的整体稳定状态，防止发生倾覆。采用空间杆系计算法，建立支撑体系计算模型。支撑采用Φ600×12圆钢管，杆件组装间距1000mm。按下式计算轴力:

N=P/n

P为竖向负荷，n为支撑数。

计算弯矩:

M=PL/4

L为单节支撑高度。

核查轴力Nu≤φPn，弯矩Mu≤φMn，确保强度满足要求。计算应力Util化率，控制在0.85以下。

（2）模架稳定计算：计算模架在混凝土浇注压力作用下的稳定性，是否会发生变形。模架采用C100×50×4.5型钢，计算模架在混凝土侧压q和自重G作用下的位移:

δ=ql3/48EI

q取15KN/m2， l为模架跨度3m， E为杨氏模量，I为惯性矩。控制δ小于允许值5mm。

（3）连接部位稳定计算：计算模架和支撑之间的连接部位在各种载荷下的应力状态。采用M24高强螺栓，核查螺栓剪切强度:

τ≤τs

τs取螺栓抗剪强度值，保证连接强度满足要求。

（4）基础稳定计算：根据基础情况，计算支撑整体及局部基础的承载力是否满足要求。采用φ1.5m灌注桩基础，按公式计算桩端和桩身阻力，控制基础沉降在允许范围内。

通过上述计算，找出爬模结构在施工过程中的薄弱环节，采取必要的加固措施，确保爬模施工安全。同时计算结果也可为施工监测提供依据。

4空心薄壁高墩柱爬模施工技术

4.1爬模安装与调平

爬模安装与调平是保证施工质量的关键步骤。在预制环节，爬模支撑采用Φ600×12的圆钢管，模架采用 Channel 型钢100×50×4.5，连接处焊接处理。现场吊装时，采用20t起重机将预制环节吊装至位。环节之间采用螺栓连接，连接螺栓为M30，扭矩控制在300Nm。环节吊装误差控制在±5mm以内。吊装完成后，采用水平仪和千分尺进行精确调平，模架顶面误差控制在±2mm以内，模架两侧错开控制在±0.5mm以内。每环节吊装后立即进行调平，吊装环节层数不超过3层。调平后进行临时固定，待环节全部吊装完成后，再进行全面复核，保证模架整体匹配度和垂直度符合要求。

4.2标准空心段的模架设计与施工

标准空心段模架采用钢管脚架与钢模板组合形式。脚架间距设定为1000mm，脚架采用Φ200×8钢管，底部焊接200×200×12钢板。 模版排列间距为300mm，采用50# 100×50×4.5形钢，内侧焊接φ6纵筋，横向焊接φ6@150配筋。模板与脚架采用螺栓连接，螺栓规格M20，预埋长度100mm。模板与模板之间通过φ12肋条焊接连接，确保面板总体刚度。浇筑时采用两侧浇筑的方法，单侧最高混凝土压力控制在15KN/ m2。采用内部电动振捣器进行振捣，确保混凝土密实性。模架拆除前，混凝土抗压强度达到设计值的70%以上。通过精确的模架设计和严格的施工控制，保证空心段混凝土质量。

4.3隔板段的模架设计与处理

隔板段的模架需兼顾隔板和标准空心段的设计要求。隔板采用钢管脚架与密度板模板组合，脚架间距1000mm，采用Φ200×8钢管，底部焊200×200×12钢板。密度板规格为1220×2440×18mm，模板排列间距300mm。标准空心段模板与隔板模板采用螺栓连接，确保整体刚度。浇筑采用两侧分次浇筑，单侧混凝土压力控制在15KN/m2。使用细长振捣器进行内部振捣。模架拆除前混凝土强度达设计值的70%以上。采用聚氨酯密封隔板连接缝隙。通过精确设计和处理，保证隔板段与空心段一体化施工质量。

4.4爬模爬升过程与质量控制要点

爬模操作通常采用电动千斤顶，这既能提高效率，又能保证准确性。在进行爬模时，千斤顶的间距应控制在1.5米以内，以保证模架受力均匀，增加其稳定性。同时，爬升速度也需要控制在2米/小时，这样可以在保证施工进度的同时，确保操作的可控性和安全性。在爬模过程中，需要实时对支撑体系的应力和位移进行监测。如果任何指标超过了预设阈值，就需要立刻停止爬升并进行检查，以找出问题并及时解决。完成爬升后，应及时拧紧螺栓接头，并控制扭矩在300Nm，这是为了确保模架接头的稳定性。为了保证模架位置的精度，需要使用全站仪复核模架位置，控制模架顶面误差在±5mm范围内。同时，需要检查联结螺栓和钢筋续接，以确保整个结构的连续性。在进行混凝土浇筑前，还需要再次检查模架，确保模架连接牢固，没有发生相对位移。在每一段混凝土浇筑完成并达到预设强度后，才能进行下一次的爬模，以此确保每一次爬模都是在结构安全的前提下进行。通过严格的操作流程和质量控制，可以确保整个爬模作业的安全和效率，从而保障整个桥梁施工项目的质量和进度。

4.5模架拆除及表面处理

模架拆除前，对混凝土抗压强度进行检测，达到设计强度的85%以上方可拆除模架。拆除时采用起重机吊装拆除，安装限位挡块，避免对结构产生第二次应力。拆除模架后，及时清理模板连接处残留混凝土，修复较大裂缝。使用混凝土表面修平层将较小缺陷修复平整。表面修平层采用与混凝土相匹配的砂浆，层厚控制在5mm以内，进行细致抹面处理。混凝土养护期间采用湿布覆盖并持续喷水，保证混凝土湿度不低于95%。养护期满后，检查修补表面裂缝和其他缺陷，进行二次修复，保证表面质量。

5神山特大桥空心薄壁高墩柱爬模施工实例分析

5.1 工程概述

神山特大桥是四川大渡河双江口水电站（S220线大渡河双江口水电站库区复建公路工程）IV标段的重要组成部分。该桥横跨足木足河，桥梁设计为90+158+90m连续刚构桥，主要采用预应力混凝土结构。墩柱为空心薄壁高墩柱设计，考虑到其特殊性和施工难度，采用了爬模施工方法。

5.2 空心薄壁高墩柱爬模施工过程

5.2.1测量和放线

施工前首先进行准确的测量和放线，以确定桥墩的精确位置。这一步骤使用高精度的三维测量设备进行，并且需要极其细致和精确地进行，因为任何误差都可能在后续的施工过程中引发问题。

5.2.2起始端施工

完成测量和放线后，施工团队开始进行基坑的开挖。根据设计要求，所需开挖的基坑深度达到了30米。在整个开挖过程中，需要进行土壤性质的检测，以确保基坑的稳定性。基坑开挖完成后，进行土壤的清理和平整，这为后续的桩基施工和模板安装做好了准备。

5.2.3模板安装

承台施工完成并确认其强度达到设计的C30标准后，开始进行底层模板的安装。模板的安装需要严格按照设计图纸进行，并需要使用专业的固定设备进行牢固固定，以防止在后续的混凝土浇筑过程中发生模板位移。

5.2.4钢筋绑扎和安装

模板安装完成后，开始进行钢筋的绑扎和安装工作。根据设计要求，直径达到32mm的预制钢筋笼被安装到模板内部。同时，也会预埋必要的预埋件，如导管、支架等。钢筋的位置和排列需要非常精确，以保证高墩柱的承载力和稳定性。

5.2.5混凝土浇筑

钢筋安装完成后，开始进行混凝土的浇筑。在混凝土进入模板前，需要进行必要的质量检查，包括混凝土的浇筑温度、塌落度等，以确保混凝土的质量满足设计要求。混凝土浇筑完成后，立即进行混凝土的振实，以确保混凝土充分填充模板，达到设计的密实度。

5.2.6混凝土养护

混凝土浇筑完成后，开始进行混凝土的养护工作。这包括覆盖保温毯，洒水养护等，以保证混凝土逐渐硬化并达到设计的强度。

5.2.7模板爬升

当混凝土达到一定强度后，开始进行模板的爬升。这是通过专门的爬模设备完成的。完成模板爬升后，可以开始下一段混凝土的浇筑。

5.3 工程效果与经验教训

通过有效的工程管理和技术实施，该项目顺利完成，达到了设计和质量目标，得到了业主和监理的高度认可。在施工过程中，采用了爬模施工法，这种方法提高了施工效率，确保了工程质量和安全。然而，施工过程中也暴露出一些问题，例如在模板安装和钢筋绑扎过程中，由于人工操作的误差，导致部分工序需要重新进行。因此，为了提高施工效率和质量，建议在今后的类似工程中，可以引入更多的机械化和自动化设备，减少人工操作的误差，同时也可以提高工作效率。

结束语

综上所述，空心薄壁高墩柱的爬模施工技术在桥梁工程中具有重要的实践意义。它的应用不仅能提升施工效率，降低工程成本，而且能有效提升工程质量，增强桥梁的安全性和耐久性。然而，空心薄壁高墩柱施工过程中的质量控制、材料选取、模板系统设计、施工方案设计等环节对施工技术和设备的要求较高。因此，我们需要进一步加强对空心薄壁高墩柱爬模施工技术的研究，优化施工方案，改进施工技术，以期在保证施工质量和安全的基础上，更好地推广和应用这一技术，为桥梁工程的建设和发展做出更大的贡献。

参考文献

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