桥梁工程模板设计与施工技术的介绍
ulpe50838
ulpe50838 Lv.9
2015年08月23日 19:27:00
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一、前言 除了特殊需求之外,一般来说模板并不存在于桥梁工程永久的结构体中,也就是说模板仅是一临时性的构造物,故相较于钢筋及混凝土等主要材料而言,可以理解的是模板受设计者、施工者重视的程度较轻了些。但模板应用得当与否,实为桥梁工程成败的重要因素之一,而各式的桥梁工法又牵动着模板的应用;是故整理一些数据及使用案例,包括模板及桥梁的定义、分类与组成,模板于桥梁主要结构的应用情形,其他部位应用概况的说明,以及结语与建议等,分述于后。

一、前言

除了特殊需求之外,一般来说模板并不存在于桥梁工程永久的结构体中,也就是说模板仅是一临时性的构造物,故相较于钢筋及混凝土等主要材料而言,可以理解的是模板受设计者、施工者重视的程度较轻了些。但模板应用得当与否,实为桥梁工程成败的重要因素之一,而各式的桥梁工法又牵动着模板的应用;是故整理一些数据及使用案例,包括模板及桥梁的定义、分类与组成,模板于桥梁主要结构的应用情形,其他部位应用概况的说明,以及结语与建议等,分述于后。

二、模板的定义与分类

模板依其字面意义,可解释为使之成形的平面薄片,在未特别说明时,土木工程上一般系指CONCRETEFORM而言。至于模板的「板」字,为了名词能尽量简化统一,并采用CNS国家标准现有之规定,例如木板、钢板、混凝土板、塑料板等,CNS均规定采用「板」字,故本文以「模板」称之。

关于模板的分类,列举如下:

(一).依材料上的分类:(采用木料、钢材或其他经核准之材料)

1.木制模板:木料须干燥平直、无节瘤、无裂缝及其他缺点,且不因木料之吸水而膨胀变形,或因干缩而发生裂缝者。(板材用二级以上之针叶木,撑材用杉木或坚实之杂木。)

2.合板:应符合CNS8057「混凝土模板用合板」之规定。

3.防水合板:应符合CNS1349「普通合板」之规定。

4.钢制模板:应符合CNS7334「钢筋混凝土用金属模板」之规定。

5.螺旋钢制管模:使用于中空板梁桥,应符合CNS12737「中空楼板用螺旋钢制管模」之规定。

6.热浸镀锌钢网模:即俗称的「铁板网」、「龟甲网」,常使用于上部结构箱形梁之垂直施工缝。一般应符合CNS9455「钢板网」之规定,或是依ASTMA525及C847之规定。

(二).依拆模后预期之混凝土模铸面质量分类(功能导向):

1.普通模板:一般木制模板、合板,亦有称混水模板者。

2.清水模板:合板、防水合板、金属(钢制)模板及经特殊处理之模板(如芬兰板、Doka系统模板)等。清水模板拆模后之混凝土表面平整、无需粉光。

(三).依组合型式分类:

1.系统模板:基本定义为组合单元面积大、装拆容易(使作业便利)及可多次重复使用(设计标准化、工程作业的重复性高)。一般所称之滑动模板、爬升模及飞模等均属之。系统模板使用钢制模板时,背撑材及配件以钢制品为主;若系统模板使用经特殊处理之合板时,背撑材采用钢制品或是木制品搭配铝制品方式,配件则仍以钢制品为主。系统模板一般均为清水模板。

2.散拼模板:即俗称之散模,通常为木制模板或合板,可任意施作(裁切、组合)成任何形状之外观、以及已普遍使用为其主要优点。散拼模板可单独使用,亦常搭配系统模板使用(补系统模板模具化之不足)。一般可视需要采用清水模板或普通模板,如较为老旧或被裁切成小块后,常被俗称为「垃圾模」,多利用于可不需拆模处或是当作免拆模板使用。

三、桥梁的定义、分类与组成

桥梁可定义为:跨越河川、渠道、山区、谷地、溪谷、湖泊、海峡、市街、公路、铁路等障碍而构筑人行、公路、铁路、捷运或水路之通道,其构造物之总称。与模板相仿的是,目前桥梁的「梁」字,在工程统一用字上,应采用「梁」字,而非「梁」字,交通部颁布之「公路桥梁设计规范」及「公路桥梁耐震设计规范」即采用「梁」字。

现代桥梁的主要材料多采用混凝土及钢材,展现之型式有钢筋混凝土桥梁、预力混凝土桥梁、钢构造桥梁以及复合式、组合式等型态,原则上可概分为混凝土系列桥梁及钢构造系列桥梁两大系统。

至于桥梁的组成,可分为下部结构及上部结构两大部分。下部结构可区分为深基础、浅基础、桥台及桥墩,上部结构可区分为板桥(实心板桥及中空板梁桥)、梁桥、拱桥、斜张桥、桁架桥及吊桥等。实务上亦常采用上部结构型式作为桥梁之分类。其中梁桥为桥梁之主要桥形,如I形梁桥、U形梁桥、T形梁桥、双T形梁桥、箱形梁桥(可搭配预铸斜撑板设计)等。

四、模板在下部结构应用之概况

模板在桥梁工程下部结构应用之概况,说明如下:

(一).深基础:

一般直接以钻(挖)掘后之钻掘面(土体、岩体)或喷凝土保护面(或其他保护措施)为现场浇置混凝土之「模」,特殊而采用模板者如下:

1.预铸基桩:基桩依铸造地点可分为工厂预铸及现场浇置两种,工厂预铸之基桩常为预力混凝土基桩,采离心方式铸造,模铸面质量优良。于工地现址则采桩锤式或植入式等方式施工。

2.沉箱基础:以开口沉箱为例说明。施工顺序:先以钢制基脚(切削刃)就定位后为底,钢制之内、外模板为侧模浇置第一环节块混凝土,拆除侧模、开挖及下沉第一环节块,循环施筑后续各环节块,待下沉至预定高程后浇置混凝土封底、中空部分填土、施筑顶环节块及封顶钢筋混凝土。

3.井筒基础:顾名思义「筒」与沉箱的「箱」同为中空之结构物,故需利用模板施工。施工顺序:开挖及施作第一环之开挖面保护措施,逆打(定义向上为顺打、向下为逆打,以下同)循环施作各环直至底部预定高程,施筑底部及第一环节块钢筋混凝土,顺打循环施工各节块(组内模)至预定高程,中空部分填土、施筑顶环及封顶钢筋混凝土。

4.井式基础:开挖及施作保护措施,如同掘井之方式,故名之。施工顺序:开挖及施作第一环开挖面保护措施,逆打循环施作各环直至底部预定高程,组立钢筋及浇置混凝土。原则上并无模板之应用,实务上曾有因地质过差导致开挖面低于井式基础顶面高程,而不得不对井式基础顶部采用钢制模板围束、以浇置混凝土之案例。

(二).浅基础:

一般指直接基础及筏式基础,深基础之桩帽因外观及模板施工方式与直接基础相近,故本文亦纳入浅基础之范围讨论。说明如下:

1.直接基础及深基础之桩帽:一般以浇置PC(素地)为底,侧面采用普通模板,如工程规模较大时,亦常以系统模板之方式施作。应注意事项为:

a.开挖面应预留适当空间供模板及背撑支撑架装拆使用。

b.不宜以基础钢筋作为模板之侧向支撑。

c.基础板顶面如为二阶或三阶时,其阶与阶之间一般为斜面,斜面斜率若大于1:5时,斜面须设置模板(如照片一所示),另该基础应分段浇置混凝土为宜。

d.如侧面不组立模板(直接利用开挖面)而直接浇置混凝土时,若侧面钢筋保护层过大,该处应酌予设置钢筋(线)网。

2.筏式基础:基本上与前项同,唯需注意内面模板之应用。

(三).桥台:

桥台有矮墩式、重力式、悬臂式、扶壁式、溢土式、排桩式、箱式或蜂巢式桥台、加劲土式等,虽局部结构体埋入土中,但一般均全部采用清水模板,兹举较特殊者如下:

1.排桩式桥台:先行施筑排桩,开挖后适情况再修饰排桩表面或组模修饰之。

2.加劲土式桥台:采用壁式加劲土工法,混凝土面板为工厂预铸,模铸面质量优良。

四.桥墩:桥墩包括墩柱及帽梁两部分,亦常有无帽梁之设计。墩柱依支数可分为单柱式、双柱式、三柱式‧‧‧多柱式等,依结构形式可分为悬臂式、框架(门架、构架)式等,依断面可分为圆形、长圆形(小判形)、矩形、六角形、八角形、壁式‧‧‧等,以及V形桥墩、桩排式桥墩、预铸节块式桥墩等。相关说明如下:

1.墩柱通常以系统模板方式施工。设计时间一般并未设定模板高度,施工时由承包商自行采用之,例如实心柱采用6公尺、空心柱采用4公尺等,此高度为混凝土一次浇置之高度,实际模板高度通常较混凝土一次浇置高度略多(如30公分),略多部分为与前次浇置之混凝土模铸面密接。

2.墩柱横断面如含有曲线时,一般均采用钢制模板(如照片二所示)。

3.墩柱上端或帽梁如设计为曲线造型时,则通常采用钢制模板,其钢制模板应延伸至进入下方直线段若干距离,以便利模板组装。

4.墩柱高度扣除上端造型或帽梁高度后,通常并不为使用模板高度之整数倍,实务上为了美观考虑,亦有将其非整数倍部分置于基础上方、安排于第一次浇置桥墩柱混凝土节块之情况,如此各桥墩柱由上往下之混凝土节块施工缝,将非常整齐划一。

5.空心墩柱亦有设计为双箱室、以及水平设置中隔梁之案例,空心墩柱之水平中隔梁及顶部封顶之底模,因载重较大,故亦有采用预铸混凝土板充当免拆模板之情形。

6.墩柱模板的上升作业,大多利用轮式吊车、履带式吊车或是塔式吊车,少数案例采用油压设备自行顶升者。

7.因设计图示之高程通常仅为概估值,墩柱或帽梁顶面高程应重新依采用支承形式(厚度)等因素,重新核算。

五、模板在上部结构应用之概况

模板在桥梁工程上部结构应用之概况,说明如下:

(一).实心板桥及中空板梁桥:

实心板桥为较早广泛使用之混凝土桥型式,但因受限于自重及板厚,跨度无法放大。中空板梁桥则常采用「螺旋钢制管模」为内模(如照片三所示),以减轻部分自重,亦有利用螺旋钢制管模间之垂直混凝土体,施加纵向预力(类似I形梁)之案例。中空板梁桥在浇置混凝土前须确实固定螺旋钢制管模,浇置时应控制分段浇置混凝土之高度,以利螺旋钢制管模下方及侧面混凝土之捣实以及避免管模移位。

(二).预铸预力I形梁桥及预铸预力U形梁桥:

于工址附近选择面积足够、地基坚实之场所设置预铸梁场,梁身以钢制模板施作,拆除侧模后于达到施预力强度(一般为0.8fc'或fc')时施加预力。相关说明如下:

1.预铸预力梁梁头底模之地面,须以混凝土浇置,避免施预力时产生不当之沉陷。

2.预铸预力梁吊装后,因其处于较不稳定之状态,故应即进行桥面板、悬臂板及端、中隔梁之施筑,一般使用清水模板(如照片四所示)。

3.桥面板底模因装拆较为不易,故亦有利用镀锌钢承板作为免拆模板者。

4.山区道路常见之曲线桥梁,其设计之同跨各I形梁,偶有长度不一(即曲线外侧长而内侧短)、长短差异甚微之设计例,实宜予统一长度;另各跨之跨度亦宜尽量一致,以利钢制模板有效应用。

5.钢构造系列桥梁之钢箱形梁桥及钢I形梁桥,并无隔梁浇置混凝土项目,其桥面板及悬臂板施筑同I形梁桥方式。

(三).双T形梁桥:

以支撑先进工法或场铸逐跨工法施筑,如国道二号高速公路及国道一号汐止五股高架段之部分路段,其他亦有采场铸工法方式施筑者。

(四).箱形梁桥:

桥梁上部结构采用箱形梁可增加抗扭性,依桥宽可设计为单箱室、双箱室、三箱室‧‧‧等,并于适当位置、距离设置端、中隔梁。随着节块设计及施工理念的导入,使得此桥型之施工工法益加多彩多姿。兹以常用之施工工法为例,说明模板之应用如下:

1.场铸工法:同一单元(伸缩缝至伸缩缝间)以全面支撑或采船形架支撑方式施筑(如照片五所示),可先施筑底、腹板再施筑顶板及悬臂板,或是先施筑底板再施筑顶、腹板及悬臂板。箱室内则多以散拼模板施作,其拆除作业常利用顶板之预留开孔或端隔梁人孔移除。模板(含支撑架系统)一般设计须能承受施预力产生之载重。

2.场铸逐跨工法:基本理念与前项场铸工法相同,主要相异者在于将同一单元之上部结构,依跨数分段施工之;与场铸工法不同部分说明如下:

a.以SPANBYSPAN方式进行,第一循环施作第一跨全部及第二跨的1/5,第二循环施作第二跨剩余的4/5及第三跨的1/5,如此循环施作至同一单元最后一跨的4/5。

b.各循环箱形梁节块之间,多以「热浸镀锌钢网模」设置垂直施工缝。

c.箱室内仍多以散拼模板施作,其拆除作业可利用顶板之预留开孔或前进方向之箱室开孔移除。

d.如欲增进工程进度,可于第一循环施作时,另行以第二套外模(底板底模、腹板外侧模及悬臂板底模)与支撑架系统,先进行第二循环之前置作业。

e.如各上部结构施工时程与预定时程有所差异,而导致同一单元最后一跨无法以预定之前进方向施拉预力时,则可改以反向预力方式施作或于端隔梁顶部预留空间施拉预力之方式。

f.少数跨径较小时,亦有采用逐二跨施筑者。

3.支撑先进工法:基本理念与前项场铸逐跨工法相同;与场铸逐跨工法不同部分说明如下:

a.模板支撑方式改由工作车支撑,工作车又分为下承式及悬吊式两类,考虑施工便利性、以下承式较佳,目前国内亦多采用下承式工作车(如照片六所示)。通常工作车两端须设置鼻梁,于各桥墩柱处须设置托架(支撑点),必要时须设置临时支撑塔架。

b.前后施筑之两箱形梁节块交接处,须设置夹紧模板之设施,以保持前后节块混凝土模铸面平顺。

c.箱形梁底模之脱模方式,可采往两侧横移方式、或是下开之方式,采下开方式须注意是否妨碍桥下交通或空间之利用。

d.箱形梁底模之前进方式,有别于场铸逐跨工法之吊装方式,一般采推进(顶进)方式。

e.箱形梁内模(顶板底模、腹板内侧模)采用系统模板整体设计,须于底板架设轨道以便移动,脱模时内模内缩以便前进。

f.配合箱形梁内模移动需要,隔梁须俟内模移动后再进行二次混凝土浇置;隔梁可采散拼模板、以及利用隔梁上方顶板预留开孔浇置混凝土。

g.近桥台处之节块(即第一跨及最后一跨),通常采用场铸方式,如采用工作车施筑,则其桥台墙身须分段施工。

h.实务上亦有采一次完成浇置箱形梁底板、腹板、顶板及悬臂板之案例,箱形梁内模之顶板底模部分,须留设若干浇置底板之开孔,于浇置顶板时封闭之。

4.场铸悬臂工法:一般采对称平衡施工或非对称平衡施工(如为著名之花莲秀姑峦溪长虹桥(旧桥)之施工方式,则为不对称单侧施工,须特别注意后端之锚碇)。本工法为适用于大跨径,但安全性须特别注意之桥梁工法,相关说明如下:

a.柱头节块模板采地面支撑工法,若桥墩墩柱较高时可采用托架支撑方式。同一单元之端跨尾端数个节块常采地面支撑工法或是架设临时支撑塔架后,继续以场铸悬臂工作车进行施筑。少数设计例乃并其后之一个或数个跨径箱形梁,采地面支撑工法施筑。

b.正常节块之模板采场铸悬臂工法工作车支撑(如照片七、八所示),该工作车总重量一般依车道数于设计时决定,工作车支撑之模板须能配合变长度、变断面之箱形梁节块而调整。

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