水電站閘墩懸臂大鋼模板的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

邢 軍，羅維成，應(yīng)小軍，程劍兵

（中國(guó)水利水電第二工程局有限公司，北京 100120）

0 引言

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣境內(nèi)，是我國(guó)東北擬建中的第一座大型純抽水蓄能電站。工程的主要樞紐建筑物泄洪排沙閘壩段為重力式混凝土壩（以下簡(jiǎn)稱閘墩），由4號(hào)和11號(hào)兩個(gè)邊墩及5～10號(hào)6個(gè)中墩組成，38.00m高程以下為墩基礎(chǔ)，墩頂高程為70.10m，最大墩高34.1m，墩寬4.0m，墩長(zhǎng)42m。

閘墩上游迎水面38.00m高程至65.70m高程為垂直上升，端頭截面為半徑2m的半圓弧，并在上游48.167m高程至55.763m高程預(yù)留有二次澆筑混凝土的錨固預(yù)留槽；65.70m高程至67.70m高程為后仰45°上升，端頭45°截面為半徑2m的半圓??；67.70m高程以上為垂直上升；端頭截面變?yōu)榫匦巍?/p>

閘墩下游背水面38.00m高程至59.00m高程為垂直上升，端頭截面為半徑2m的半圓?。?9.00m高程以上截面變??；59.00m高程至60.60m高程為前傾12.42°上升；60.60m高程至63.99m高程為為垂直上升，63.99m高程至67.90m高程為后仰45°上升，67.900m高程至70.10m高程為垂直上升；端頭截面為矩形。

閘墩的側(cè)面結(jié)構(gòu)形狀為直線上升，閘墩之間在高程38.00～48.00m范圍內(nèi)設(shè)計(jì)為WES實(shí)用溢流堰，堰中心上游側(cè)設(shè)計(jì)有寬2 500mm、深800mm的檢修門槽和下游側(cè)的內(nèi)弧R=20 018mm，寬1 01.7mm，深800mm的弧形閘門槽。

閘墩下游端55.74m高程處接有下傾12.42°錨塊，錨塊高5m，底長(zhǎng)5.5m，寬7.6m，錨塊兩側(cè)凸出墩側(cè)表面1.8m。

1 模板方案的選擇

鑒于該工程閘墩屬大體積混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度42 000mm、厚度4 000mm，設(shè)計(jì)不分段，整體澆筑施工，施工質(zhì)量要求較高，模板不便采用對(duì)拉螺桿加固承受施工荷載。另外，閘墩上部上下游端面都有牛腿，并考慮到錨塊混凝土澆筑的問題，經(jīng)過考察、研討和論證，決定在閘墩施工中主要采用懸臂大鋼模板技術(shù)，弧形閘門槽和豎直檢修門槽處采用木模板拼接技術(shù)。

2 懸臂大鋼模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸臂大鋼模板主要由整體定型大鋼模板和懸臂架子組成，見圖1。

2.1 整體定型大鋼模板

圖1 懸臂模板構(gòu)造圖

面板采用6mm厚Q235冷軋鋼板，板面上開有上下四排預(yù)埋螺栓安裝孔，每個(gè)孔都設(shè)有堵孔器，用時(shí)打開，不用時(shí)堵上；豎肋采用國(guó)標(biāo)8號(hào)熱軋槽鋼，橫肋采用6mm厚鋼帶；豎邊框采用8號(hào)熱軋等邊角鋼，中間開有間距＠300mm的模板連接孔；上下橫邊框采用10mm厚Q235冷軋鋼板帶；橫背楞采用雙排16號(hào)熱軋槽鋼，上下共設(shè)置三道。每塊標(biāo)準(zhǔn)大鋼模板的幅面尺寸為寬度b=3m，高度H＝3m；模板定位系統(tǒng)包括爬錐、陀螺等，為模板快速準(zhǔn)確定位安裝提供了方便。

爬錐與預(yù)埋在壩體內(nèi)的預(yù)埋螺栓配合使用，保證模板的位置準(zhǔn)確，且可從壩體混凝土中取出周轉(zhuǎn)使用，承受經(jīng)受力螺栓傳遞過來的來自于懸臂大模板的全部施工荷載。陀螺通過受力螺栓與爬錐相連，可周轉(zhuǎn)使用，承受懸臂大模板的全部施工荷載。

2.2 懸臂架子

主要由模板連接器、上下操作平臺(tái)、花籃螺桿機(jī)構(gòu)、模板高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、豎向主背楞、錨固系統(tǒng)、退模機(jī)構(gòu)、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、主三角掛架、滯后平臺(tái)10個(gè)部分組成。

3 懸臂大鋼模板關(guān)鍵部件驗(yàn)算

3.1 荷載計(jì)算

懸臂大鋼模板是否具有足夠的強(qiáng)度和剛度直接關(guān)系到施工的安全和質(zhì)量，對(duì)工程施工具有重要影響。因此，其強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算極為必要，其中，大鋼模板、主三角架和錨固系統(tǒng)受力螺栓的設(shè)計(jì)計(jì)算尤為關(guān)鍵。

由于閘墩施工時(shí)，大鋼模板的安裝不是始終豎直的，當(dāng)施工到端頭后仰牛腿面部位時(shí)，模板要后仰45°，所以，作用于模板的荷載，既有水平荷載，又有豎向荷載。當(dāng)模板后仰45°時(shí)，大鋼模板所承受的綜合荷載最大，因此，應(yīng)按大鋼模板后仰45°的情況對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行驗(yàn)算。大鋼模板所承受的豎向荷載[1]主要包括模板及支架的自重（q模＝1.2kN/m2）、新澆混凝土的自重（G混＝24kN/m3）、鋼筋自重（G筋＝1.1kN/m3）、施工人員及設(shè)備荷載（q施＝2.5kN/m2）、振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載（q振豎直＝4.0kN/m2）；水平荷載[1]主要包括振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載（q振水平＝2.0kN/m2）、新澆筑混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力（q側(cè)）和傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載（q傾水平＝6.0kN/m2）。

豎向荷載：q1＝q模+G混·Hsin45°+G筋·Hsin45°+q施+q振豎直＝60.945kN/m2。

水平荷載：q2≈q側(cè)。這里q側(cè)取 F1=0.22γct0β1β2·V1/2，F(xiàn)2=γcHsinα兩式中較小值。其中γc=24kN/m3，β1=1.2，β2=1.15，t0=200/（T+15）=6.67h，H=3m，V=1m/h[1]，α=45°。

經(jīng)計(jì)算得：F1=48.6kN/m2，F(xiàn)2=50.91kN/m2，則q側(cè)=F1=48.6kN/m2，乘以分項(xiàng)系數(shù)1.2和折減系數(shù)0.85，有：q2＝q側(cè)=48.6×1.2×0.85=49.572kN/m2。

3.2 大鋼模板的強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)大鋼模板后仰45°時(shí)，模板面板承受的最大彎曲應(yīng)力σmax≈71.89N/mm2＜215N/mm2，安全；面板最大撓度fmax≈0.35mm，滿足混凝土面平整度要求；模板豎肋所承受的最大彎曲應(yīng)力σmax≈136.41N/mm2＜215 N/mm2，安全；豎肋的最大撓度fmax≈0.55mm，滿足要求。

圖2 懸臂模板承受的荷載

圖3 主三角架主要構(gòu)件內(nèi)力圖

3.3 主三角架的受力計(jì)算

主三角架的受力分析如圖2所示：

根據(jù)靜力平衡條件可得方程：

∑Fx=0，∑Fy=0 和∑MD=0，

解得：NEX≈175 720.8N，TDX≈425 696.6N，TDY=259 421.2N。

用數(shù)解法，考慮節(jié)點(diǎn)平衡，求得懸臂架子主要構(gòu)件內(nèi)力如圖3所示。

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果和主三角架各桿件的結(jié)構(gòu)知，主三角架BP桿承受的拉應(yīng)力最大，斜撐桿EP所承受的壓應(yīng)力最大，所以需對(duì)BP桿進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核和對(duì)斜撐桿EP進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核。

斜撐桿EP為壓桿，最大內(nèi)力為NEP=254 708N，長(zhǎng)度 l=2 245mm，雙［8號(hào)熱軋槽鋼，2A=20.48cm2，2Ix=202.6cm4，［σ］P=215N/mm2，壓桿的長(zhǎng)度系數(shù)μ=0.5，慣性半徑ix=1.27cm。

強(qiáng)度驗(yàn)算：σ=NEP/2A≈124.37 N/mm2＜215N/mm2，強(qiáng)度足夠。

滿足穩(wěn)定性要求。

3.4 受力螺栓的安全驗(yàn)算

受力螺栓使用的材料是40Cr鋼，調(diào)質(zhì)后其抗剪強(qiáng)度[τb]=750～850 N/mm2，抗拉強(qiáng)度 [σb]=890～980 N/mm2，屈服強(qiáng)度[σS]=785 N/mm2。

受力螺栓所承受的剪應(yīng)力：

=254.87 N/mm2＜［τb］；

受力螺栓所承受的拉應(yīng)力：

=418.22N/mm2＜［σS］。

故受力螺栓的使用安全。

4 懸臂大模板的施工工藝

（1）施工工序：清理模板→涂刷脫模劑→吊裝模板→按設(shè)計(jì)圖在模板上安裝預(yù)埋螺栓→校正模板位置和垂直度或傾斜度→驗(yàn)收模板→澆注混凝土→養(yǎng)護(hù)→拆模板上預(yù)埋螺栓的連接螺栓→脫模→拆保險(xiǎn)栓→整體提升懸臂大鋼模板至上層→錨固懸臂大鋼模板→在滯后平臺(tái)上取出最下邊留在墻體上的錐體→修補(bǔ)已澆筑混凝土表面→下一循環(huán)施工。

（2）模板錨固點(diǎn)混凝土強(qiáng)度達(dá)到10MPa以上后，方可進(jìn)行下一層模板的安裝。

（3）預(yù)埋螺栓和受力螺栓每次必須用廠家提供的專用力矩扳手?jǐn)Q緊到位。

（4）模板安裝前，上一次澆筑的混凝土頂部需貼5cm寬的防漏漿海綿條，安裝時(shí)，模板下口須覆蓋上一層老混凝土至少5cm，通過調(diào)整退模機(jī)構(gòu)，使模板下口壓緊老混凝土面。

（5）在施工到閘墩上部牛腿前一層，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖所標(biāo)注的位置安裝預(yù)埋螺栓，并調(diào)整模板的高度位置，確保在牛腿處模板能正確地安裝。

（6）混凝土澆筑到埋件附近時(shí)應(yīng)用軟軸振搗器振搗，防止埋件發(fā)生位移。模板的各層操作平臺(tái)上不得堆放重物，并注意隨時(shí)清理，以確保安全。

（7）拆模后對(duì)混凝土表面可能出現(xiàn)的麻面、氣孔等缺陷，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的修補(bǔ)方法，修補(bǔ)時(shí)采用水泥砂漿或者環(huán)氧砂漿，水泥與砂子的比例應(yīng)當(dāng)與原混凝土的配比一致。

5 模板施工中的難點(diǎn)和解決措施

懸臂大鋼模板在閘墩施工中的難點(diǎn)主要有：閘墩上下游上部后仰45°牛腿的支模和拆模問題；錨塊處如何使用懸臂大鋼模板的問題；弧形閘門槽處如何使用懸臂大鋼模板的問題。

（1）閘墩上下游上部后仰45°腿的支模和拆模問題，利用懸臂大鋼模板體系，可以很好地得到解決，它充分體現(xiàn)了懸臂大鋼模板體系優(yōu)勢(shì)，在這里專門設(shè)計(jì)制作了后仰三角掛架，附著在主三角掛架的前方，用它解決模板的安裝問題，澆筑混凝土?xí)r，在退模機(jī)構(gòu)上方的混凝土中垂直預(yù)埋一個(gè)φ42×3mm鋼管，拆模時(shí)，先拆大鋼模板，將其吊走，然后用吊裝器拆懸臂架子。

（2）閘墩錨塊主要用于預(yù)應(yīng)力混凝土張拉，其施工難點(diǎn)在于一個(gè)面是前傾12.42°，一個(gè)面后仰12.42°，兩側(cè)各挑出墩側(cè)面1.8m，所以，專門設(shè)計(jì)了兩個(gè)輔助挑平臺(tái)，懸掛在錨塊底部墩側(cè)面墻上，再把懸臂大鋼模板掛在輔助挑平臺(tái)的掛點(diǎn)處，這樣便解決了懸臂大鋼模板的支模問題，拆模時(shí)先拆懸臂大鋼模板，再拆輔助挑平臺(tái)。

（3）弧形閘門槽內(nèi)部主要采用木模板施工，利用懸臂大鋼模板支撐承受施工荷載，一塊懸臂大鋼模板一般包含一塊大鋼模板和兩榀懸臂架子，兩榀懸臂架子分別掛在兩個(gè)受力螺栓上。但由于弧形閘門槽形狀為弧形，法向?qū)挾? 100mm，深度500mm，從下往上橫向跨度4 200mm，所以，會(huì)出現(xiàn)因一個(gè)受力螺栓無法埋設(shè)而導(dǎo)致懸臂大鋼模板無法使用的情況，為此，把弧形門槽處的兩塊懸臂大鋼模板連成一個(gè)整體，并加大加長(zhǎng)模板橫背楞的型鋼規(guī)格，這樣就解決了弧形閘門槽處懸臂大鋼模板的使用問題。

6 結(jié)語

本工程閘墩混凝土結(jié)構(gòu)主要采用懸臂大鋼模板施工，大大加快了施工進(jìn)度，提高了施工質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是閘墩大尺寸牛腿處和錨塊部位的施工，既安全又快捷，不需搭設(shè)任何腳手架。實(shí)踐證明，在目前國(guó)內(nèi)水工建筑物，特別是閘墩的施工中，懸臂大鋼模板具有安全、方便、優(yōu)質(zhì)和高效的特點(diǎn)，值得推廣。

［1］建筑施工手冊(cè)（第四版）編寫組.建筑施工手冊(cè)2［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.149～151.

［2］機(jī)電技術(shù)常用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)編寫組.機(jī)電技術(shù)常用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)［S］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1994.2－37.

［3］江正榮，朱國(guó)梁.簡(jiǎn)明施工計(jì)算手冊(cè)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.