空心薄壁墩是目前高速公路桥梁墩台构造设计中广泛采用的一种形式。因其墩身可达到较高高度,且结构经济实用、施工简便而普遍受到欢迎。王家口特大桥的部分下部构造就采用了这种形式。该桥是兰州至西宁高速公路上一座重要的桥梁,已于2003年建成。特大桥总体上分两部分:跨线部分(横跨312国道和甘青铁路)和跨河部分(横跨湟水河)。其中跨河部分的1019#墩设计为空心薄壁式构造,墩身高度从25m至38.5m不等。施工方法采用塔式吊机提升翻模施工法,钢管塔脚手支架,组合式大块钢模板拼装并用拉杆、螺栓加固,钢筋现场焊接绑扎成骨架,并随混凝土施工逐次焊接加长(每次4.5m),混凝土集中拌和,输送泵直接泵送入模浇筑,洒水养生。

1、钢管支架

空心薄壁墩施工支架采用扣件式钢管支架,主要作用是为施工作业提供工作平台及安装固定混凝土输送泵管。钢管支架从墩身底部即承台顶面开始塔设,随着墩身增高同步升高。如图1所示:支架分外支架和内支架两种。外支架由里外两排塔设成双排支架,里排即靠墩身一排,距离墩身混凝土表面30cm,两排之间间距50cm,用横向短杆连接加固,立杆间距为1m,水平杆每1m一道,辅以剪刀形加固杆件,整个外支架形成框架结构,非常牢固可靠;内支架构造与外支架类似,根据内部空间尺寸,适当调整杆件间距。另外,增加一些加固短杆件,固定在墩身混凝土表面。使支架与墩身形成一个整体,增加其稳固性和可靠性。

支架外侧面悬挂安全网,工作平台上铺脚手架板,方便使用。因一个墩的施工期较短,并考虑该桥墩身并非特别高的具体情况,未设施工电梯,在支架一角设有人工爬梯。内支架在墩身完成,浇筑盖梁之前拆除;外支架在墩身、盖梁及垫石等施工全部完成后拆除。

2、起重设备

高墩台施工方法中有自带起重体系和外配起重设备两种。我们所用翻模施工法自身不带起重提升系统,一切施工机具及材料的高空运送均靠外配起重设备完成。考虑到该桥跨径40m,相临两桥墩对角线最大间距约45m,在保证安全的前提下尽量发挥吊机的功能,综合多种因素,选配了63型塔吊作为空心墩施工的起重设备,这种塔吊有效作业半径为50m,高度40m以内不用扶臂,一台塔吊同时可以完成三个墩身施工的各种起重作业,大大提高了塔吊的工作效率。

塔吊的起重作业主要包括钢管支架材料的运送;墩身钢筋的起吊;模板的拆卸、翻升及安装就位;混凝土输送泵管的安装,以用其他各种施工器具的运送等。

3、钢筋

空心薄壁墩主筋为沿竖向布设的φ25mm二级钢筋,其接头采用电渣压力焊对接,施工中9m定尺的φ25钢筋一截为二,将钢筋及加工机具用塔吊吊至工作平台上,现场对焊施工,每次接长钢筋骨架为4.5m;φ12mm构造钢筋用绑扎的方式与主筋相连,构成钢筋网架,网架焊接及绑扎完成后在内外两侧均绑扎与保护层厚度相同的混凝土垫块,以固定钢筋网架在模板内的位置,保证保护层厚度符合规范要求。

4、模板构造及翻模施工过程

a、模板构造

墩、台侧模板的荷载主要有新浇混凝土对侧面模板的压力和倾倒混凝土时产生的水平荷载。泵送混凝土灌筑施工,用插入式振捣器捣固时新浇混凝土对模板的侧压力可用公式PMAX=4.6V1/4计算PMAX---表示最大侧压力,单位是KPaV---表示混凝土浇筑速度,单位是m/h根据施工具体情况,V取4m/h(施工中一般不会超过此值),代入公式计算得出PMAX=6.5054KPa。

另外泵送混凝土倾倒时的水平荷载根据施工具体情况和经验取2KPa,两项合计模板承受的最大侧压力P=8.51KPa。

根据上述计算,模板加工采用45mm厚普通钢板作为面板,配相应的加劲构件就可满足施工需要。但我们在模板设计中除考虑满足上述压力要求外,重点考虑到高空作业及安全的要求,增加模板刚度和整体强度,合理加大模板尺寸,减少块数,简化模板高空组装和加固的程序及工作量,并保证模板在反复周转使用过程中不变形、不损坏、强度不降低等要求。模板选用8mm厚的普通钢板加工制作,并用角钢加劲,保证模板不变形并有足够的强度。虽然模板的重量增加了,但连同加固体系总体重量并未增加,施工中安全、可靠且高率。

模板分内模和外模两部分。根据墩身外形尺寸,外侧面为6.8×3.0m的长方形,里面空心部分是4.8×2.2m带倒角的长方形,倒角尺寸0.5×0.5m。模板设计和加工中遵循多通用、少异形;大尺寸、少品种的原则。如图2和图3所示:模板共有A、B、C、D、E五种型号,模板高度均为1.5m。A型模板为长2m的大块平面模板,这种模板的数量也是最多的;B型模板为0.4+0.5m的外侧拐角模板;C型模板为0.2+0.707+0.2m的内侧拐角模板;D型模板为长0.4m的平面模板,E型模板为长0.8m的平面模板。整层模板设计为大块平面模板加弯角模板的组合方式。组装非常简便,并有效保证了空心墩的外形尺寸。D型模板的主要作用是让内模板的安装拆除更加方便。模板之间螺栓连接,加固时在模板外侧安装槽钢横肋,每层模板安装两道,并穿φ18螺栓加固。这种模板在空中作业时不但操作程序非常简便,而且安全可靠。

b、模板翻升施工过程各规格型号模板按上图拼装后称为一层,第层高度为1.5m,四层模板组成墩身施工完整的一套模板,总共高度为6m。翻模施工法的模板翻升施工过程如图4:

①开始施工时,在承台顶面将上述四层一套的模板安装并加固,浇筑混凝土完成第一次6m高墩身的浇筑;

②从下向上逐层拆除最下面的三层模板即第一层、第二层和第三层,将最上面第四层模板保留不拆,每拆除一层模板翻转至最上面一层模板之上安装并加固,再次浇筑混凝土,完成第二次4.5m高墩身的浇筑;

③重复上述过程,逐层拆除下面三层模板,翻升、安装并加固,浇筑墩身混凝土;完成第三次4.5m高墩身混凝土的浇筑;

④多次循环上述翻升施工过程之后,接近墩身设计高度时,通过测量对浇筑高度进行调整,完成一个墩身混凝土施工过程。

翻模施工依靠自身的优势,外部塔吊的强大起重能力,充足的混凝土拌合输送能力,施工速度快、效率高,平均4~5d完成一个循环,40m高的桥墩在40d左右就可以完成。