1 工程概况
金沙江路真北路人行天桥工程位于上海市普陀区长风生态商务区西北部，横跨中环线（真北路）、金沙江路和轨道交通13号线，连接金沙江路与真北路交叉口的4个象限地块，建成后可疏导地区交通、减缓高峰期道路拥堵。
项目的桥体部分为整体预制的钢结构桥身，在工厂中建造完毕后分块进行运送、吊装，在临时支撑墩的支撑下完成起吊、对接、安装作业。桥墩地面部分为4个大型异形混凝土墩柱，外观为自下而上逐渐变宽的、包含24个侧立面的不规则类梯形台，选用清水混凝土施工工艺作为表观装饰方案（图1）。
该桥墩的施工具有模板定位精度要求高、混凝土对模板的侧向压力大、模板接缝处开裂风险高、混凝土表面平整度要求高、钢筋绑扎与固定难度大等一系列困难因素，对施工技术提出了非常高的要求。
图1 桥墩外形效果图
由于桥墩地面部分体积大、形状不规则，因此在混凝土浇筑过程中，会对模板产生极大的侧向压力，对模板材料性能和加固体系均提出了较高要求[1]。因此前没有此类大型异形墩柱的施工经验，本工程在施工设计阶段进行了大量的结构计算和计算机软件模拟，最后决定采用大型定制钢模板来进行桥墩的混凝土浇筑施工，采用钢结构桁架、钢管支撑排架和对拉螺杆相结合的方案进行钢模板的加固和支撑，从而保证施工过程中模板的拼合牢固、支撑稳定。
2 定制钢模板工艺特点
1）钢模板的刚度远远大于传统模板，其面板具有整体平面刚度，由钢模板面板组成的模壳本身即有一定的承重能力，因此不仅可以满足大型混凝土墩柱施工中的混凝土侧压力要求，还可以满足外观上大下小的异形墩柱在施工过程中混凝土自重的竖向承载力要求。定制钢模板施工工艺能够满足各种外观的异形混凝土墩柱的施工工况，以钢桁架体系固定的定制钢模板本身具有承受一定施工荷载的能力，并且能够满足复杂工况条件下的钢筋绑扎施工要求。
2）采用定制钢模板施工的成品混凝土墩柱具有表面平整度高、外形尺寸偏差小、材料消耗低等优点，还可以满足清水混凝土装饰方案对施工技术的严苛要求，为装饰工程提供多种可能，节约装饰工程费用。并且在加固桁架体系、满堂排架支撑体系和对拉螺杆体系的综合作用下，钢模板安全系数高，混凝土浇筑过程可控而稳定，可以确保重大危险源工程的安全施工。
3）定制钢模板施工技术克服了大型异形混凝土墩柱施工难的问题，为市政工程建设中桥梁墩柱和装饰性墩柱的设计提供了更广泛的可能性；以往难以施工的外形设计方案可以使用定制钢模板进行施工，可提高市政工程的观赏性和艺术价值，为市容美化作出贡献。
3 施工流程
1）异形墩柱定制钢模板施工流程为：测量放线→模板工厂试拼及验收→模板运输进场→吊装关键部位模板及加固桁架→设置临时支撑排架→核心部分钢筋制作绑扎→沿模板边缘的箍筋制作及绑扎锚固→外挑部分的箱型钢筋笼制作绑扎→其他部分钢筋的制作及绑扎锚固→对拉螺杆安装→剩余模板及加固桁架吊装→以螺栓固定各模板和桁架分块→检查模板位置→以千斤顶进行模板位置校正→拆除临时支撑排架→进行满堂排架安装→浇筑混凝土→拆除模板及其加固体系。
2）异形墩柱钢筋加工制作顺序为：墩柱核心受力钢筋体系→出挑部分的箍筋体系→出挑部分的斜撑钢筋体系→其他部分钢筋。
4 深化设计与施工应用
我们从钢模板厂定制用于大型异形混凝土墩柱浇筑施工的钢模板，以及用于钢模板加固支撑的槽钢桁架。钢模板的加固由槽钢桁架体系、对拉螺杆体系和满堂排架体系组成，保证模板在加固过程中的稳定性。3种体系在加固过程中共同作用，相互支撑；相关节点的可靠度和稳定性验算非常复杂，传统施工安全计算软件无法进行合理验算，因此我们选用Ansys和Midas等有限元计算分析软件进行安全性验算，并且对需要加固的部分进行辅助设计（图2）。
图2 桥墩模板3D建模和加工现场
4.1 异形墩柱钢模板分块设计
首先根据混凝土墩柱外形，对钢模板进行合理的分块处理。因模板间以螺栓连接的部位相对薄弱，所以原则上尽量减少分块数量。但考虑钢筋施工等因素，同一块模板的转折夹角不宜过小，故综合考虑各种因素后决定模板分块数量和分块位置[2]。确定分块后在加工厂内对钢模板进行加工制作；在定制钢模板表面按照平行于钢板间接缝的方向等距焊接槽钢，用于增加钢模板的平面刚度，减少模板变形对施工质量的不利影响；并提供与桁架进行横向连接的焊接点。多块模板之间采用螺栓进行连接。
4.2 异形墩柱钢模板加固桁架设计
在模板设计的同时，设计制作与之配套的钢结构桁架加固体系。按照横向均匀传递侧压力的原则进行加固桁架体系设计，再运用有限元计算技术模拟侧压力下桁架各部分的受力情况和变形情况（图3），综合考虑各种影响因素进行进一步优化设计。桁架采用3层槽钢焊接，上下2层为多重环形，用于承受混凝土初凝前对模板的侧向压力；中间层与上下2层焊接，起到连接桁架中多个平行环形体系，并向外侧传递侧压力的作用。桁架应和对应钢模板共同进行分块，不同块之间以多孔螺栓板进行连接。钢结构加固桁架同样在加工厂进行定制，制作完成后焊接于相应模板分块上（图4）。
图3 第6层桁架有限元计算设计建模
4.3 异形墩柱箍筋建模设计
图4 加固桁架建模设计和加工现场
由于异形混凝土墩柱的受力情况较为复杂，在配筋设计时预留了较大的安全系数；其内部整体配筋原则为以中心部分的规则等截面棱柱体为竖向主受力柱进行配筋设计，四周挑出的结构按类似悬臂梁的配筋方式进行配筋设计；两者之间设计锚固钢筋，按照模板轮廓线设计整体箍筋。
设计院只给出了顶面和底面2个截面的箍筋配筋图，我公司利用三维建模技术，截取了各个标准平面的轮廓线，在各个标高处进行了配筋深化设计，便于在现场进行钢筋预制施工（图5）。
图5 不同标高模板轮廓线截取
现场的钢筋施工按照先制作绑扎中心受力筋，再布设绑扎箍筋，然后制作挑出部分钢筋笼，最后制作锚固钢筋将各部分连接为整体的顺序进行。中心受力筋的施工过程类似常规等截面混凝土柱配筋施工；箍筋施工前应先竖立出挑部分的角模，以进行尺寸核对，防止出现钢筋穿出保护层或者保护层过厚的情况；出挑部分钢筋制作完成后按照设计院出图和深化设计图进行锚固钢筋加工绑扎，使整个钢筋受力体系连为整体。
4.4 异形墩柱钢模板支撑排架和对拉螺杆
在现场模板吊装装配、钢筋施工完成后，我公司对满堂支撑排架和对拉螺杆加固体系进行了设计；利用三维建模技术控制排架尺寸和间距，使其能够顺利穿过各层桁架；利用有限元计算技术进行安全验算，确保混凝土浇筑、初凝前不会因过大的侧向压力和竖向荷载而产生安全隐患（图6～图8）。
图6 支撑排架建模设计（局部）
图7 对拉螺杆建模设计
图8 桁架和支撑排架安装现场
5 质量控制
5.1 模板质量控制
在模架上制作钢模板及其加固桁架，制作要求为尺寸精确，表面平整度符合标准要求，接缝处不得产生空鼓，转角角度精确、保持不同标高的转角角度一致；模板分块的连接处应预留准确的螺栓孔，螺栓孔尺寸必须符合设计要求，并且对接精确[3]。模板在出厂前须进行试拼，在保证拼合完好、接缝平顺、相应螺栓孔全部精确对接的情况下方可同意接收，并运输至施工现场。在模板运输进场后应该使用砂轮磨光机或者同类设备进行模板表面打磨，将模板上的锈迹和其他污垢清理干净，在打磨之后涂刷脱模剂，涂刷过程应保持有序均匀，无死角、无遗漏。
5.2 测量控制
钢模板吊装前应该进行严格测量放线，在地面安装定位钢筋来辅助进行定位安装。测量放线前应在异形墩柱的施工位置承台面混凝土做凿毛处理并进行清理，保证地面的平整度和清洁度；根据导线点设置墩柱的中心轴线并进行标记；该轴线应延长至模板外一定距离，在其余模板安装过程和混凝土浇筑过程中可以用于几何参数与坐标校正。其余墩柱的外轮廓线也应在测量出控制点后进行弹线，确定模板外轮廓以进行模板组装施工。由于墩柱施工的特殊性和工况复杂性，放线完毕后应该进行验线，保证放线与验线人员、方法、设备三分离；其中平面和高程控制、主轴线测设、高程传递、曲线、中线测设等关键测量环节应该组织专业人员验线，其余由质检员验线。
5.3 钢筋绑扎质量控制
钢筋绑扎应严格按照设计尺寸和位置进行施工。应保证所用钢筋质量符合国家标准规定，按照每60 t一批次进行3根抽样送检，分别做抗拉试验（对屈服点、抗拉强度、伸长率进行测量）、冷弯试验和可焊性试验。骨架钢筋在安装时应该保证布置间距均匀一致，在钢筋与模板之间放置混凝土垫块，与钢筋之间绑扎牢固、相互交错。垫块颜色应与其他混凝土尽量接近，以免造成色差，影响整体视觉效果[4]。在纵向主承力钢筋中，任一截面的焊接处比例不得超过一半，相邻钢筋的焊接处之间在竖向至少间隔1 m。箍筋可以通过计算机建模截取计算来获取长度、角度，进行预制加工，以增加工作效率并保证保护层厚度均匀（图9、图10）。
图9 箍筋向核心钢筋内锚固
图10 挑出部分钢筋笼制作
5.4 模板与加固桁架安装质量控制
先安装对于箍筋安装有定位作用的角模板及相连的加固桁架，再进行钢筋施工；其余模板及相连接的加固桁架在钢筋安装完毕后进行安装。安装应使用250 kN以上的汽车吊进行，吊装就位后在模板与承台混凝土接触面铺设砂浆找平层，或者采用橡胶皮垫止浆，防止因承台混凝土地面平整度不够而导致漏浆；模板全部就位后，使用全站仪检查其中线、高程、垂直度等指标，对于误差较大的位置可以使用千斤顶进行微调；在各项指标准确后锁紧各块模板之间预留的螺栓连接板。
5.5 对拉螺杆安装质量控制
对拉螺杆安装前应在模板相关位置预留螺杆孔道。预留孔道应保证贯穿对应、尺寸适宜，以防螺杆对模板剪力过大，导致模板变形。对拉螺杆的竖向支撑件应保证竖向垂直度，并与桁架合理连接，向加固桁架体系传递并分担拉力[5]。
5.6 满堂排架安装质量控制
满堂排架支撑体系在安装时应严格控制间距，原则上按照500 mm×600 mm的间距布置纵、横杆，搭设支架时应严格保证横杆的水平度，以底托控制高差；为保证整个支架体系受力均匀，在顶部以可调节顶托与桁架连接，伸出高度应控制在250 mm以内。在支架外侧立面上应设置剪刀撑，确保空间网架的稳定性。
5.7 混凝土浇筑质量控制
混凝土在浇筑前应该先检查和易性，其中主要是坍落度检测。在运至现场后，坍落度应为160～200 mm。为保证混凝土外观颜色的一致性，应确保混凝土材料总量充足。为保证混凝土表面光洁度，振捣时应先将振动棒沿模板周围进行振捣，以引出气泡，再振捣中间部位。混凝土浇筑应尽量连续进行，如果必须产生间隔，应尽量减短间隔时间，并在前一层混凝土凝结前进行后一层浇筑。在浇筑过程中如果有模板位移或者其他异常情况应该立即停止浇筑并进行检查校正。
5.8 混凝土养护质量控制
墩柱混凝土在完成浇筑、达到终凝后，应覆盖遮挡布并洒水养护，养护时间不得少于14 d。在此期间应对混凝土温度进行持续测量，在混凝土内部与外侧翼设置多个测温点，控制温度不高于25 ℃。
6 结语
在某些大型异形混凝土墩柱施工案例中，原本成熟的混凝土墩柱施工工艺在模板强度、混凝土表面平整度等指标上无法满足设计要求。在这种情况下，通过对钢结构模板技术及其加固技术的研究，经过大量的讨论、计算，结合施工工程中发现并解决的实际问题，总结出了以定制钢模板为基础的大型异形混凝土墩柱施工技术。这种施工方式能够确保大型异形混凝土墩柱施工过程安全可靠，并且在外形控制、混凝土平整度等方面达到设计要求，圆满完成了工况复杂、难度大、危险高的上海市重点市政工程项目，工程效果受到了业主的高度评价与肯定。
[1]梁海军.谈拼装式楼梯定型钢模在工程中应用[J].山西建筑,2015(5):67-68.
[2]胡春苑.异形混凝土构件的浇筑技术探讨[J].城市建筑,2014(14):78.
[3]赵宇范.异形型钢混凝土梁施工技术[J].建筑施工,2014(10):1135-1136.
[4]周波林.如何控制异形结构的混凝土成型质量[J].江苏商报·建筑界,2013(18):100.
[5]邓申聪.异形饰面清水混凝土施工中结构模板体系的实现[J].科教导刊,2013(17):18-20.