陈志强
湖南长沙中铁五局一公司
浅谈空心板梁变截面内模的设计
陈志强
湖南长沙中铁五局一公司
本文通过对某公跨铁20m空心板梁变截面内模设计过程的分析，在不影响空心板梁结构质量的前提下，采用活络式抽芯内模技术，不仅顺利取出了内模，而且节约了拆模时间，达到了内模循环使用的目的。
变截面；内模设计；活络式；空心板梁；抽芯内模
1 引言
公路桥梁建设中，预应力空心板梁因其受力明确、构造简单、易于施工而发展较快，是国内桥梁应用最为广泛的桥型之一。较为普遍的梁板跨径有13m、16m、20m，与其他形式的梁相比，具有截面小、自重轻、刚度大、抗裂度高、抗弯性能好、耐久性好、使用年限长、变形小、造价低等优点。既可现浇又能预制，利于集中成批生产，能够有效提高工程施工质量进度，有着极强的竞争力。
2 工程概况
某公跨铁20m空心板梁宽为124cm，梁高为95cm，混凝土重力密度26.0kN/m3,混凝土强度等级C50，采用集中预制的方法制梁，要求梁端与梁身整体浇筑，一次成型，模板可重复利用，脱模容易。
3 传统模板介绍
通过调研大量资料，发现传统空心板梁在预制过程中一般采用橡胶气囊或者木芯模。橡胶气囊几何尺寸容易产生变形、位置不好控制，常发生内模上浮现象，从而造成顶板厚度减小，在张拉起拱时产生裂缝，直接影响了空心板梁的质量。而木芯模，刚度较差，造成芯模上浮和板内表面漏浆；周转次数少，折算成本高；不易散热，容易产生混凝土裂缝；节数多，装卸速度慢。为了保证模板的强度、刚度和稳定性，目前国内16m以上空心板梁内模已成功采用钢模板。
以往空心板梁钢模板分为外模、内底模、内侧模、内顶模。在施工过程中，首先安装刚外模、内底模、内侧模，然后进行第一次浇筑，待浇筑的混凝土初凝后拆除内底模跟内侧模，然后再安装内顶模进行第二次浇筑。两次混凝土浇筑时间间隔约为4～6小时，而且两次浇筑导致了明显的施工缝，不仅在外观上留下了一道显眼的疤痕，更为严重的是影响了空心板梁整体质量。
4 钢模的设计
下面以20m空心板梁为例，详细介绍变截面活络式抽芯内模的设计方法。
4.1 设计参数
如图1所示，空心板梁内模由两个截面构成，其中端头截面尺寸为60cmx71cm，中间截面尺寸为76cmx71cm，端头截面比中间截面小。
4.2 方案分析
由于空心板梁几何尺寸较小，工人很难进入洞口拆除内模，所以根据实际情况决定采用目前较为先进的活络式抽芯内模。但是受内模变截面的影响，要想顺利抽出模板，须使大截面处的模板穿过小截面后，方可脱模，这样就增加了设计难度，并最终导致内模的拆除更加困难。
4.3 设计原理
活络式抽芯内模的设计原理是：内模断面设计为一个闭合圈，采取彷“雨伞”形内模支撑，运用雨伞开合的原理，起到推撑和拉合的效果。安装时推起槽钢拉杆，使内模撑起并达到内模的设计尺寸后，通过简易的固定实现模板支立；混凝土浇筑完毕并达到拆模条件后，松开简易固定处的螺栓，通过电动卷扬机拖动槽钢拉杆，槽钢拉杆的前移带动模板的收缩，实现模板与混凝土的分离，从而将芯模从梁内取出。
4.4 模板设计
4.4.1 长度分节
根据业主交底要求，考虑拆除内模的便捷性，结合拆除拉力和施工拼装长度，将内模设计制作为6个独立单元，其中标准单元长3m，共4个，用于中间截面；非标准单元长4m，共2个，用于两端变截面。在满足施工拼装长度20m的条件下，这样分块不仅减少了模板类型，而且增加了模板的通用性，便于生产加工及组装。内模凭借自身的重梁和钢筋网的作用，各独立单元之间不需要采用连接。
4.4.2 截面分块
图1 20m空心板梁设计参数
以往等截面内模都是由左右对称的4块模板合并而成，对于变截面内模，由于受到空间的限制，若采用左右对称模板，将导致标准节(大截面模板)不能脱模。鉴于此，我们以腹板中心为界，将模板分为上下两部分，并将其设计为左右不对称模板，拆模的时候先将较小的模板拿出，然后再拆除较大一侧模板，确保模板能顺利拿出。具体分块见图2。
图2 空心板梁模板横截面图
4.4.3 旋转合页
为确保模板能随拉杆的推拉灵活张开、收缩，模板采用合页的连接方式，在上下模板腹板分界处焊接无缝钢管，通过销子紧固，当推动拉杆时，上下模板借助合页沿销子轴线旋转，见示意图3。
图3 内模整体结构断面图
4.4.4 连接装置
在模板能够灵活张开收缩的前提下，既要确保模板张开时的尺寸与设计尺寸相符，又要保证模板收缩时能顺利脱模，连接装置起到了支撑和推拉的作用，是整套模板系统中最为关键的一部分。连接装置由槽钢拉杆及2个纵向支撑板组成，通过三处铰链传动连接。中间铰链主要用于支撑板与拉杆间的连接，而两侧的铰链一方面与模板相连接，另外一方面通过拉杆的轴向运动，使两侧钢模向中心收缩，确保模板顺利脱出。
4.4.5 转动干涉
该内模结构铰链较多，加之内截面尺寸小，尤其是带八边形的棱角又多，在收缩张拉的过程中极易产生干涉，所以在模板的设计中要排除干涉。如图2所示，当向外拉动拉杆的时候，上下模板围绕合页轴心旋转的同时带动模板向中心收缩。这时候要特别注意左右模板搭接处的角度，该角度必须满足模板收缩时不对顶板混凝土产生向上的压力，即必须满足模板在以合页轴心为圆心，以模板最远点为半径的圆内运动不干涉。
4.4.6 设计验算
预应力空心板在混凝土浇筑过程中，混凝土对内模有较大的浮力，如果内模固定不牢，就会发生内模上浮现象，造成顶板厚度减小，同时在张拉起拱时造成裂缝。
根据《建筑施工手册》，采用内部振捣器时，新浇混凝土对模板的最大侧压力取下面两式中较小值：
振捣混凝土时产生的载荷为4.0kN/m2;
将空心板梁近似为立方体，因其浇筑高度＜1m,可将混凝土近似为纯液体，通过混凝土压力随深度变化的曲线可知,当混凝土刚好覆没内模顶部时混凝土对空心板梁内模的浮力最大，选用5mm面板，L63x63x6加强筋，每个单元（3m）模板重量0.72t。
其中：h为有效压头高度，h=F/γC(m)
根据上述结果可看出，每个单元（3m）内模的浮力小于内模自重，在浇筑过程中可保证内模不上浮，无需采取抗浮措施，设计合理。
图4 侧压力计算分布图
5 结束语
某公跨铁采用变截面活络式抽芯钢模，成功预制了20m变截面空心板梁，梁板成品拼缝少、表面光滑，顶板、腹板各项几何尺寸均达到了设计要求，整体受力性能较好，而且施工简单，大大降低了劳动强度，节约了施工成本，取得了较好的经济效益和社会效益。
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