浅谈箱形通道无拉杆施工工艺及受力计算

浅谈箱形通道无拉杆施工工艺及受力计算摘要：江海高速公路JH-HA4标K89+759通道采用无拉杆施工工艺，克服了有拉杆混凝土外观质量及混凝土结构上存在的工艺缺陷；本文根据无拉杆施工取得的经验，着重介绍了钢管支架的搭设方法及受力计算。1前言随着高速公路的迅速发展，施工工艺和施工水平显著提高，对砼结构物外观及内在质量的要求也不断提高。箱通常规施工多采用钢管支架配合拉杆固定内、外模板的施工工艺，但砼表面“钢筋疤点”和“孔洞”较多，修饰困难，很难达到理想的效果，并且拉杆眼的存在对墙身砼的整体性和受力系统存在不利影响。为提高箱通整体质量，江海高速公路JH-HA4标K89+759箱通采用了无拉杆施工工艺，克服了有拉杆施工砼外观质量及混凝土结构上存在的工艺缺陷，取得了良好的效果。2无拉杆施工工艺通道施工工艺：测量放样→基坑开挖→铺设碎石垫层→浇筑垫层砼→钢筋砼底板浇筑→箱身内模板安装及支撑→侧墙及顶板钢筋加工及安装→箱身外模板安装及支撑→箱身砼浇筑→养护及拆模。有拉杆施工时砼产生侧压力最终传递到拉杆上，足够数量的拉杆能保证模板不易变形，而无拉杆内、外模支撑体系相互独立，若支撑不稳定，砼浇筑时易造成跑模，因此在无拉杆施工中内、外模支撑体系显得相当重要。2.1内模拼装及支撑2.1.1放样箱通底板砼浇筑后，在底板上用墨线精确放出模板位置。2.1.2打钢筋桩钢筋桩是整个通道支架的核心受力部位，砼浇筑时产生的侧压力通过支架传到钢筋桩上。钢筋桩则靠与底板砼的侧向锚固力，保证了支架不会出现整体平移。2.1.2.1钢筋桩选材钢筋桩一般采用20公分长，直径20的螺纹钢。钢筋桩嵌入底板砼的深度以8~10公分为宜。由于钢管扣件的可调内径远大于螺纹钢的直径，须在钢筋桩的周围绑上一圈Ф10的钢筋，如图1所示。图1钢筋桩的绑扎形式2.1.2.2钢筋桩的位置为保证通道两侧受力对称，钢筋桩须设在通道中轴线的位置。根据以往的施工经验，钢筋桩若采用预埋的方式和底板钢筋一起被浇筑进底板砼中，虽然锚固力得以提升，但钢筋桩的位置很难放准，不利于控制内部支架的受力体系。故实际操作中，我们根据在底板上放出的模板样，弹出中轴线的位置，然后以高速公路路线中线与通道中轴线交叉点为起点，延通道中轴线向两旁按1m的间距采用凿入的方式对称的布设钢筋桩，如图2、图3所示。图2钢筋桩位置示意图（图中红点所示）图3钢筋桩实体图2.1.3搭设内模支架图4内模支架搭设示意图如图4所示，内模支架主要可分为横撑（①号杆）、竖撑（②号杆）、斜向剪力撑（③号杆）。①横撑能克服砼浇筑时对箱通内模产生的侧向压力，防止侧墙模板错位变形。考虑到砼对模板的侧压力自上而下逐渐增大，若按照墙身高度平均的分配横撑的竖向步距，不符合模板的实际受力情况，容易造成下部模板跑模涨模且钢管资源造成不必要的浪费。在施工中，我们将第一层横撑的竖向步距设为70cm，第二层设为65cm，第三层设为60cm，横撑的竖向步距自上而下逐步缩小，而其水平支撑力也相应增大，符合模板的实际受力情况。②竖撑能克服砼浇筑时对箱通顶板模板产生的垂直压力，竖撑的横向步距为1m，纵向步距为70cm。竖撑和横撑的连接处用十字扣件扣接牢固，使得两种支架连接形成整体。③斜向剪力撑主要作用是借用三角形的稳定性质，加强内模支架的稳定性，防止支架产生平行移位；同时斜向剪力撑也在一定程度上对侧墙模板起到支撑作用。两种斜向剪力撑延通道走向间隔布置，其相互间距为1.2m。此三种受力杆件所形成的内模支撑体系最终依靠钢筋桩与底板砼的锚固力维持内部模板的稳定性。图5内模支架搭设详图图6内模支架整体形式2.1.4内模模板拼装通道浇筑完成以后，其外表面会在台背施工中被填土覆盖，而内表面则会永久性的暴露在外，因此通道内表面砼的外观质量尤为重要。施工中，我们选用18mm厚，1.22m×2.44m的优质竹胶板作为内模材料，其背面用5×10cm的方木固定，间距为20cm。为保证拼缝平整严密，模板后的方木要统一尺寸，特别是高度必须一致。模板在使用前应清洁表面，并喷洒脱模剂。模板拼缝采用双面胶带、玻璃胶处理，防止拼缝处漏浆。2.2外模拼装及支撑外模采用大型组合钢模板，尺寸1.2m×1.5m，模板与模板之间用U型扣连接固定。钢模在使用前须打磨除锈并涂刷按“柴油：机油=3：7”比例配制的脱模剂。模板的拼缝采用填塞海绵处理。2.2.1填筑5%石灰处置土2.2.1.1填筑灰土的原因由于砼浇筑时产生的侧压力全部由钢管承受，钢管与模板面的夹角越大，越能发挥钢管的受力作用。故钢管与模板面的夹角必须控制在一定角度内，一般在75°～90°之间为宜。为保证钢管的受力角度，钢管必须有足够的长度。以K89+759通道为例（图7），该通道②号支架的最上面一层钢管若要伸到与基础垫层齐平的原地表上，该钢管至少要8~12m长，这样不仅钢管消耗量大，而且钢管越长，绕度越大，即便花费很大的代价也很难克服这种应力变形。因此，在通道周围做上一圈灰土以“抬高”地面标高，将极大的节省钢管的投入量，并能减少钢管绕度对支架整体性带来的不利影响。2.2.1.2灰土的位置和填筑高度图7灰土位置和高度灰土离箱通墙身的距离越近，箱通施工对路基作业面的影响越小，钢管的消耗也越少。如图7所示，K89+759箱通除去牛腿部分，墙身仅有1.65m的长度范围可供支架搭设，②号支架的4层钢管在此墙面上均匀布置，各层钢管之间的间距为。市面上所售钢管的尺寸有2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m几种规格，②号支架最上一层钢管若选择4.5m长，则其垂直投影长度，水平投影长度；②号支架最下一层钢管若选择2m长，则其垂直投影长度，水平投影长度。因而灰土设在箱通侧墙外侧1.93m~4.35m范围，且高于底板砼表面0.49m~0.52m能够满足钢管的尺寸要求。另外考虑到钢管桩在灰土中的受力情况，灰土的截面宽度向两侧各延伸1m，即灰土距箱通侧墙外缘1m~5.5m范围可满足外侧模板的受力需要。2.2.2外模支架搭设图8外模支架体系示意图外模支架体系可分为如图8所示的4部分，各部分的作用及搭设方法如下：①号支架：在底板砼上预埋螺杆，这样在搭设墙身模板时，即可依靠该螺栓的侧向拉力将模板牢牢的扣在底板砼面上，防止砼浇筑时模板下角出现涨模、漏浆等情况。同时也可拉住③号地龙桩，防止地龙桩在砼压力下向后移动。该支架延通道走向间隔1m布置。图9①号支架祥图②号支架为主要承力部位，一般有3~4层钢管，各层间距为50~60cm。钢管的一端支撑在外墙模板上，另一端与③号地龙相连。②号支架延通道走向每隔1m设置一组。③号支架为外模支架体系的核心受力部位，俗称“地龙”。采用1.5m长的钢管垂直打入碾压密实的灰土中，形成抗侧压力极强的钢管桩。钢管桩的横向步距为1~1.5m，纵向步距为1m，各钢管桩用横杆连成整体。如图10所示。图10“地龙”详图④号支架反拉②号支架，能够减少②号支架在受力时产生的绕度变形，大大增强了②号支架的刚度，提高了外模支架体系的整体性能。④号支架延通道走向的间距为1.2~1.5m。图11④号支架反拉住②号支架砼对牛腿模板的压力不同于墙身模板，墙身模板主要受到砼的水平侧压力，而牛腿则主要受到斜向下的压力。故牛腿部位的支撑不能照搬墙身的方法。考虑到牛腿砼的方量少，单位长度范围内施加给支架的压力较墙身来说是非常小的。故在施工中，我们将支撑牛腿模板的⑤号支架穿过②号与④号支架的节点，固定在②号支架的第三层钢管上面。详见图12。图12⑤号支架详图图13正在施工的外模支撑体系3支撑体系受力计算本文仅对支撑体系所产生的侧向压力进行计算。3.1侧向荷载分析箱通洞身砼采用砼运送车运输，由泵车输送砼入模，分层对称浇筑，每层厚度控制在30cm左右，采用插入式振捣器。砼浇筑速度在6m/h以下时，作用于侧模的压力可按下面两式进行计算，取两式计算值较小者为侧压力。…………………⑴……………⑵箱形通道的浇筑速度为4m/h，坍落度控制在130mm，砼掺外加剂，砼温度15℃，振捣砼产生侧压力为4Kpa，输送泵倾倒砼产生侧压力2Kpa。掺外加剂取β1=1.20坍落度130mm取β2=1.15砼温度15℃取将已知各值代入砼侧压力计算公式：⑴⑵P1、P2取较小值，即P=P2=60.96KPa考虑振捣荷载及输送泵倾倒砼产生侧压力，荷载组合Pm=P+4+2=66.96KPa单位长度内产生得总侧压力F=P×H×L=66.96H=6.96×2.54=170.1(KN)3.2内模支撑受力计算内模在单位长度范围内均共4根钢管支撑，而箱形通道两侧对称浇筑，则每根钢管所受压力为（注：θ48×3.5规格钢管截面面积489mm2）钢管最大允许受压荷载，故箱形通道内模支撑满足施工要求。3.3外模支撑受力计算一侧外模在单位长度范围内共设4根钢管支撑，则每根钢管所受压力为故箱形通道外模支撑能满足施工要求。在实际施工中，应在内、外模各支架交汇处用十字扣件扣接牢固，加强支撑体系的整体性。4拉杆施工注意事项⑴灰土的质量关系到外模支撑体系的稳定性，若处理不好，容易造成支架错动，出现鼓模、涨模等现象。施工中务必按5%的掺灰量均匀拌制灰土，并以台背回填的标准将灰土一层层碾压密实，待灰土过了保养期后，再于其上打入钢管桩。⑵为防止大块模板拼缝处出现错台，应在拼装模板的过程中严格控制拼缝处理，做好拼缝的覆盖。并在原来大块模板拼缝处增加方木和支撑，使两块不同大的模板拼装在同一根方木上。另一方面，应尽量减少模板拼装的施工停留时间，避免模板和支撑体系发生严重局部变形。⑶为防止内模板出现局部不平整，可改进内模支架的横撑方式。原方案横撑采用钢管支架通过钢管与扣件之间的摩擦力来平衡砼浇筑时产生的侧压力，钢管与扣件之间极易出现位移。为消除扣件松动导致砼表面不平整，内模支架横撑可采用通长的钢管，钢管两端用碗口支架的可调顶托调整顶进内模板。这样内模板产生的侧压力通过钢管所受的压力来实现平衡，而且钢管不会出现大的变形，模板不会出现局部变形和不平整。⑷一般来说，模板与方木之间的连接采用传统的元钉正面铆钉，这样在拆模后会在砼表面留下难看的钉印。为克服这种工艺缺陷，可用螺纹钉从方木背面钻进，直至钻入竹胶板中，借用螺纹钉与方木和竹胶板之间的摩擦力将模板和方木锚固住。⑸由于侧墙与顶板砼的浇筑时间间隔长，在两者的结合面处有较为明显的砼冷缝现象，对砼外观质量影响较大。为消除这种现象，可在顶板钢筋表面铺设废旧竹胶板以防止在浇筑侧墙砼时不慎将砼洒落在顶板模板上；同时在浇筑最上一层侧墙砼时，注意让砼的顶面尽可能的与顶板模板表面齐平，防止砼漫上顶板。⑹本次施工中，外模支撑采用钢管支撑，但由于钢管自身的弹性模量小，抗弯性不理想，虽经多方加固，但还是在侧墙处出现了较为明显的涨模现象。在今后的施工中，可考虑采用弹性模量大，抗弯、抗扭性均很强的工字钢和槽钢来作为外模的主要支撑。5结束语箱形通道采用无拉杆施工较大地提高了砼外观质量，能保证在浇筑砼后不再在其表面进行拉杆的处理和孔