摘 要 主要介绍了曼海沟大桥墩身施工中最为普遍的模板设计过程中的受力计算。通过实际施工的典型个例,阐述了模板设计过程中如何进行检算,以及在模板设计过程中应该注意的问题,对日常混凝土施工中模板工程有着现实的指导意义。特别是对模板数量不大,委托生产成本很高的情况下,通过自行设计、制造加工的途径,达到既节约费用,又能充分利用现有技术工人的人力资源的目的。
关键词 墩身模板 受力检算 施工技术
曼海沟大桥墩身最高56m,墩身最大截面尺寸3. 3 m×4. 3 m,共有4个墩身。考虑到模板数量较少,委托其他模板加工企业生产,势必费用较高。为节约投入,降低费用,因此采取自行设计、加工制作。
1 模板设计参数
为强调混凝土的外观整体效果,尽量减少模板接缝,采取整块大模板。面板采用A3钢板,厚度5 mm,尺寸为L×H=4 000×2 500 mm。横肋采用槽钢[8,间距h=300 mm,悬臂端h1=350 mm。竖向小肋采用扁钢-60×6 mm,间距s=300 mm。竖向大肋采用2根槽钢“背靠背”组合2 [8,间距t=1 100 mm,a=350 mm。穿孔对拉螺栓布置在竖向大肋上,顺大肋方向的间距为L1=250 mm、L2=1 000 mm、L3=1 000mm、L4=250mm。横向间距同大肋间距,也为1 100 mm。
2 模板受力检算
2.1 面板的计算
由于模板的面板是超静定结构,被纵肋、横肋分成多个小方格。根据方格长宽尺寸的比例,可把面板当作单向板或双向板考虑。在该项目Ly/Lx=h /s=300/300=1<2. 0,根据《钢结构设计规范》应视为双向板,采用直接设计法进行检算。对于一块模板,最不利的受力情况是三边固定、一边简支的受力状态。因此,对于模板的受力检算,就应该按照该状态进行。
(1)荷载计算
①模板最大侧压力Fmax的计算混凝土的容重ρ=24 kN/m3,采用混凝土输送泵浇注,浇注速度V=1. 2 m/h,浇注时的温度T=20℃,坍落度为130 mm,掺缓凝型外加剂。新浇注混凝土初凝时间
T0=200/(T+15) =200/(20+15) =5.7 h 最大侧压力
F =0.22T0ρβ1β2V1/2=
0.22×5.7×24×1.2×1.15×1.21/2=45.5 kN/m2 设计值
Fs =1.2×45.5=54.6 kN/m2 显然ρ×h (有效压头高度)>F=45.5,故取F=54. 6 kN/m2
②泵送混凝土出料口对侧模的冲击荷载根据设计规范,混凝土泵送过程中对侧模的水平荷载取标准值4 kN/m2,作用在有效压头高度内。
③大模板的最大侧压力Fmax=54. 6 kN/m2+4 kN/m2=58. 6 kN/m2。
(2)强度计算
由于Ly/Lx=300/300=1,查计算表得,支座处 弯矩计算系数K0Mx=-0. 06,K0My=0. 055,跨中弯矩计算系数KMx=0. 022 7,KMy=0. 016 8,挠度计算系数Kf=0. 001 6。
取1 mm宽、1 mm长的小方格作为计算单元,荷载设计值q0=0.058 6×1 N/mm=0. 058 6 N/mm,支座弯矩M0x=K0Mx×q0×Lx2=-0.06×0.058 6×3002N·mm =-316.44 N·mmM0y=K0My×q0×Ly2=0.05×0.058 6×3002N·mm =-290. 07 N·mm 面板的截面系数W =Lbh2/6=1×1×52/6 mm3= 4. 167 mm3 应力σmax=Mmax/W=316.44/4.167 N/mm2=75. 94 N/mm2<[σ]=215 N/mm2,满足要求。
跨中弯矩Mx=KMx×q0×Lx2=0.022 7×0.058 6×3002N·mm =119.72 N·mmMy=KMy×q0×Ly2=0.016 8×0.058 6×3002N·mm = 88. 60 N·mm
钢板的泊松比V=0. 3,所以M(V)X=MX+VMY=119.72+0.3×88.60 N·mm = 146. 3 N·mmM(V)Y=MY+VMX=88.60+0.3×119.72 N·mm = 124. 52 N·mm 应力σmax=Mmax/W=146. 3/4. 167 =35. 11N/mm2<[σ]=215 N/mm2满足要求。
(3)刚度验算
B0=Eh3/[12×(1-V2)] =2.1×105×53/[12×(1-0.32)]N·mm = 24×105N·mmfmax=Kfq0L4/B0=0.001 6×0.058 6×3004/(24×105)mm = 0. 316 mm fmax/L=0. 316/300=1/950<1/500,满足要求。
2.2 横肋计算
横肋间距300 mm,采用[8,支撑在竖向大肋上。荷载q=q0h=0. 058 6×300 N/mm=17. 58N/mm。[8的截面系数W=25. 3×103mm3,惯性矩I=101. 3×104mm4。
(1)强度检算
σmax=Mmax/W=21.27×105/(25.3×103)N/mm2=84. 07 N/mm2<[σ]=215 N/mm2,可满足要求。
(2)刚度检算
悬臂部分刚度ω=qL4/(8EI) =17.58×3504/(8×2.1×105×101.3×104)mm = 0. 155 mmω/L=0. 155/350=1/2 258<1/500,满足要求。
跨中部分刚度ω=qL4(5-24λ2) /(384EI) =17.58×1 1004×(5-24×(350/1 100)2) /(384×2.1×105×101.3×104)mm = 0. 810 mmω/L=0. 810/1 100=1/1 358<1/500,满足要求。
2.3 竖向大肋计算
选用2 [8,以上、中、下三道拉模螺栓为支撑点,截面系数W=50. 6×106mm3,惯性矩I=202. 6×104mm4。大肋下端荷载
q1=q0t =0.058 6×1 100 N/mm = 64. 46 N/mm 大肋上端荷载
q2=q1(L3+L4) /2 100=64.46×(1 000+250) /2 100 N/mm = 38. 37 N/mmq1=64.46 N/mm q2=38.37 N/mm
大肋为两端带悬臂的两跨连续梁,为对称结构,只需对较大荷载q1部分进行检算。利用弯矩分配法计算得最大弯矩在中间支点处,弯矩分配系数为0. 125,则Mmax=0.125×64.46×1 0002N·mm=8 057 500 N·mm。
(1)强度检算
σmax=Mmax/W=80. 575×105/(50. 6×103)N/mm2=159. 2 N/mm2<[σ]=215 N/mm2,可满足要求。
(2)刚度检算
悬臂部分刚度ω=q1L41/(8EI) =64.46×2504/(8×2.1×105×202.6×104)mm = 0. 074 0 mmω/L=0. 074 0/250=1/337 8<1/500,满足要求。
跨中部分刚度ω=q1L42(5-24λ2) /(384EI)=64. 46×1 0004×(5-24×(250/1 000)2) /(384×2. 1×105×202. 6×104)mm = 1. 381 mmω/L=1. 381/1000=1/724<1/500,满足要求。
2.4 组合的挠度计算
用上述方法分别求出面板、横肋和竖向大肋的挠度,则面板与横肋组合f=0. 316 mm +0. 810 mm=1. 126<3 mm
面板与竖向大肋组合f=0. 316 mm+1. 381 mm=1. 697<3 mm均满足施工对模板质量的要求。
2.5 模板设计中应注意的几个问题
(1)模板型材的选择,应力求通过合理的受力检算,满足要求即可,不可凭经验感觉进行,避免造成材料的不必要的浪费和施工工效的降低。
(2)模板的横肋、纵肋、拉模螺栓孔等的位置确定应力求对称设置,通用性强,规格型号尽可能少。一者便于受力检算的简化,避免过于繁琐的计算;二者可以力求模板的通用,便于安装。
(3)尽量力求结构简单,制作、装拆灵活方便。只有这样,模板的结构在满足施工要求的前提下,有利于提高施工工效。同时模板的重量不得超出模板安装时使用的起重设备能力。
3 模板制作过程中的几点技术要求
(1)面板要求板面平整,拼缝严密,有足够的刚度和强度,与横肋、竖肋的焊接必须牢固;
(2)横肋与竖肋承受面板传来的荷载。横肋、竖肋与面板用断续焊缝焊接成整体。焊缝间距不得大于20 cm。
(3)竖向大肋与横肋要求满焊。
(4)在模板的四周边缘焊接角钢做边框,使板面结构形成一个封闭骨架。
4 模板接缝的处理
(1)由于模板的宽度与墩柱的宽度一致,不存在竖向接缝。
(2)纵向相邻两模的水平接缝处理采用导墙法,即安装时每次都将模板下落5 cm,利用下层已浇注混凝土墩身做导墙,可有效防止接缝处漏浆,并保持墩身上下层的平整一致。
(3)模板四个角的竖向接缝处理:采用15×15 cm角模连接,可以有效地保证转角处阳角的垂直和方正。注意在大模板面板的尺寸确定时应扣减角模的宽度。
5 施工效果
经过实际施做后,检测模板的最大挠度变形为2.1 mm,允许位移值为4/400=10 mm,满足规范规定值,符合要求。
6 结束语
在日常的混凝土工程中,模板工程是非常普遍的。由于对模板的受力计算等方面不太熟悉,对于相对简单的模板的日常设计和制作如果都拿到专业厂家生产,势必既耽误时间,增加费用,更为主要的是不能充分利用工地现场的技术工人的劳力资源,造成资源浪费。因此,对模板的受力分析显得尤其重要。
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