塔式支撐架在錦屏一級(jí)水電站導(dǎo)流底孔頂板施工中的應(yīng)用

韋 寧

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司，武漢，430033)

塔式支撐架在錦屏一級(jí)水電站導(dǎo)流底孔頂板施工中的應(yīng)用

韋 寧

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司，武漢，430033)

導(dǎo)流底孔整個(gè)結(jié)構(gòu)輪廓曲線均為過流面，混凝土表面平整度要求高，承重結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)流底孔混凝土施工是水利水電工程施工中的一大技術(shù)難題。導(dǎo)流底孔頂板混凝土的承重支撐結(jié)構(gòu)采用塔式支撐結(jié)構(gòu)，較好地解決了上述問題，較大地提高了施工效率。

導(dǎo)流底孔頂板 混凝土 塔式支撐架 施工方法

1 工程概況

錦屏一級(jí)水電站大壩壩身設(shè)置5個(gè)導(dǎo)流底孔，導(dǎo)流底孔進(jìn)口底板高程為1700m，頂板高程為1711m，上游底板進(jìn)水段為59°圓弧，半徑R=3.5m，進(jìn)口段頂板斷面形式為橢圓線，方程為x2/11002+y2/3502=1；進(jìn)口段左右兩側(cè)為R=2.8m的1/4圓弧段，孔身段斷面尺寸為11m×5m(高×寬)；出口尺寸為9m×5m(高×寬)。導(dǎo)流底孔在上游設(shè)置平面滑動(dòng)封堵閘門，下游設(shè)置直支臂工作弧門。3#～5#導(dǎo)流底孔，除沿軸線方向長(zhǎng)度有變化外，其結(jié)構(gòu)基本形勢(shì)一致。

2 承重支撐結(jié)構(gòu)型式選擇

據(jù)前期招標(biāo)合同文件，在正常施工工期的情況下導(dǎo)流底孔進(jìn)口段將采用滿堂腳手架支撐型式；洞身段、出口段采用在洞身兩側(cè)預(yù)埋工字鋼和孔中設(shè)四管柱作為頂板承重桁架模板的支撐型式。該支撐結(jié)構(gòu)型式優(yōu)點(diǎn)：成本低，構(gòu)架型式和尺寸靈活，適合正常工期使用。缺點(diǎn)：材料使用量、架設(shè)工作量及勞動(dòng)強(qiáng)度都非常大且整體穩(wěn)定性稍差。

因本工程前期受到其它因素影響，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開工時(shí)間推遲，在趕工發(fā)電的背景下，如何選擇合理的施工手段及施工方法，對(duì)整個(gè)大壩施工進(jìn)度和澆筑質(zhì)量的控制顯得十分關(guān)鍵。特別是特殊部位的混凝土施工，考慮到導(dǎo)流底孔底板與頂板結(jié)構(gòu)空間高度變化較大，頂板上方混凝土澆筑層厚最大達(dá)到1.7m，施工時(shí)混凝土方量和承重模板厚度大，所以承重支撐結(jié)構(gòu)型式選擇尤其重要。根據(jù)比較(見表1)，在保證施工質(zhì)量前提下，為縮短導(dǎo)流底孔頂板混凝土施工周期，本工程采用塔式支撐架。塔架布置見圖1。

表1 塔式支撐架與其它結(jié)構(gòu)型式比較

圖1 導(dǎo)流底孔頂板塔架布置

3 支撐塔架結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 孔身段塔架結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1.1 孔身段荷載計(jì)算

混凝土計(jì)算長(zhǎng)度L1=5.0÷2=2.5m，寬度B1=1.524+0.546=2.07m，澆筑厚度H1=1.5m。則：

A1=L1×B1=2.5×2.07=5.175m2

(1)模板自重W=2.1kN；

(2)新澆鋼筋混凝土自重(含埋件)194.1kN；

(3)施工人員及設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值q1=1.0kN/m2，Q1=5.175kN；振搗混凝土?xí)r對(duì)水平模板產(chǎn)生荷載標(biāo)準(zhǔn)值q2=2.0kN/m2，Q2=q2A1=10.35kN；荷載設(shè)計(jì)值N1=257.2kN；

(4)截面性質(zhì)：塔架主肢為Q345鋼管(φ60×3.5)，綴條為Q235鋼管(φ48×3.5、φ33×2.75)，組合截面中心長(zhǎng)度1524mm，寬度1524mm；鋼套管截面面積A=621mm2。套管慣性矩Ix=248913mm4，回轉(zhuǎn)半徑ix1=20mm，插件直徑為d2=52mm，相應(yīng)的插件慣性矩Ix1=417500mm4。故組合截面面積AZ=2484mm2，組合截面慣性矩IxZ=1443895615mm4，組合截面回轉(zhuǎn)半徑ixZ=762mm，綴條面積Ax′=531.4mm2，Ix′=31651mm4；

(5)整體穩(wěn)定性：塔架高度h=10.8m，n=Ix1/Ix=1.68，長(zhǎng)度換算系數(shù)μ=[(1+n)/2]1/2=1.16，計(jì)算長(zhǎng)度Iox=μh=12.53m，鋼管支柱的長(zhǎng)細(xì)比λ=Iox/ix=16.4，塔架的長(zhǎng)細(xì)比λox=(λ2+40AZ/Ax′)1/2=21.4，Q345鋼b類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.948，Q345鋼抗壓設(shè)計(jì)值f=300N/mm2，σ=N1/(φAZ)=109N/mm2

3.1.2 受力最大鋼管立柱的荷載計(jì)算

取孔身段受力最大的鋼管立柱進(jìn)行計(jì)算?；炷劣?jì)算長(zhǎng)度L2=1.524÷2+0.9÷2=1.212m，寬度B2=1.524÷2+0.546÷2=1.035m，澆筑厚度H1=1.5m。則：

A2=L2×B2=1.212×1.035=1.25m2

(1)模板自重W=0.97kN；

(2)新澆鋼筋混凝土自重(含埋件)46.88kN；

(3)施工人員及設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值q1=1.0kN/m2，Q1=q1A2=1.25kN；

(4)振搗混凝土?xí)r對(duì)水平模板產(chǎn)生荷載標(biāo)準(zhǔn)值q2=2.0kN/m2，Q2=q2A2=2×1.25=2.5kN；荷載設(shè)計(jì)值N2=62.67kN；

(5)截面性質(zhì)：塔架主肢為Q345鋼管(φ60×3.5)，鋼套管截面面積A=621mm2。套管慣性矩Ix1=248913mm4，回轉(zhuǎn)半徑ix=20mm，插件直徑為d2=52mm，相應(yīng)的插件慣性矩Ix2=417500mm4；

(6)局部穩(wěn)定性：?jiǎn)沃玅345鋼管(φ60×3.5)，計(jì)算高度1.8m，長(zhǎng)度換算系數(shù)μ=1，計(jì)算長(zhǎng)度Iox=μh=1.8m，鋼管支柱的長(zhǎng)細(xì)比λ=Iox/ix=90，Q345鋼a類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.570，σ=N2/(φA)=177N/mm2

3.2 進(jìn)口段塔架結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.2.1 進(jìn)口段荷載計(jì)算

取進(jìn)口段10m范圍內(nèi)，澆筑厚度1.7m，計(jì)算荷載。

混凝土計(jì)算長(zhǎng)度L3=5.0÷2=2.5m，寬度B3=1.524+0.546=2.07m，澆筑厚度H2=1.7m。則：

A3=L3×B3=2.5×2.07=5.175m2

(1)模板自重W=2.1kN；

(2)新澆鋼筋混凝土自重(含埋件)219.9kN；

(3)施工人員及設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值q1=1.0kN/m2，Q1=q1A3=5.175kN；

(4)振搗混凝土?xí)r對(duì)水平模板產(chǎn)生荷載標(biāo)準(zhǔn)值q2=2.0kN/m2，Q2=10.35kN；荷載設(shè)計(jì)值N3=288.1kN；

(5)整體穩(wěn)定性：截面性質(zhì)與洞身段相同。塔架高度h=11.5m，n=1.68，長(zhǎng)度換算系數(shù)μ=1.16，計(jì)算長(zhǎng)度Iox=μh=13.34m，鋼管支柱的長(zhǎng)細(xì)比λ=Iox/ix=17.5，塔架的長(zhǎng)細(xì)比λox=(λ2+40AZ/Ax′)1/2=22.2，Q345鋼b類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.943，σ=N3/(φAZ)=123N/mm2

3.2.2 受力最大鋼管立柱的荷載計(jì)算

取孔身段受力最大的鋼管立柱進(jìn)行計(jì)算?；炷劣?jì)算長(zhǎng)度L4=1.524÷2+0.9÷2=1.212m，寬度B4=1.524÷2+0.546÷2=1.035m，澆筑厚度H2=1.7m。則：

A4=L4×B4=1.212×1.035=1.25m2

(1)模板自重W(含組合鋼模板+15mm厚膠合板+[12.6槽鋼次梁+工14工字鋼主梁)0.97kN；

(2)新澆鋼筋混凝土自重(含埋件)53.1kN；

(3)施工人員及設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值q1=1.0kN/m2，Q1=q1A4=1.25kN；

(4)振搗混凝土?xí)r對(duì)水平模板產(chǎn)生荷載標(biāo)準(zhǔn)值q2=2.0kN/m2，Q2=q2A4=2.5kN；荷載設(shè)計(jì)值N4=70.1kN；

(5)局部穩(wěn)定性：?jiǎn)沃玅345鋼管(φ60×3.5)，計(jì)算高度1.8m，長(zhǎng)度系數(shù)μ=1，計(jì)算長(zhǎng)度Iox=μh=1.8m，鋼管支柱的長(zhǎng)細(xì)比λ=Iox/ix=90，Q345鋼a類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ=0.570，σ=N4/(φA)=198N/mm2

4 塔式支撐架承載力試驗(yàn)

通過對(duì)塔式支撐架的靜力荷載試驗(yàn)，檢驗(yàn)塔式支撐架在進(jìn)行組合以后其整體穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度是否滿足實(shí)際施工的要求。以設(shè)計(jì)承壓荷載24t的48%、92%、136%、158%分四級(jí)進(jìn)行加載，分別為11.48t、22.12t、32.83t，37.98t。通過試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)兩套180塔式支撐架進(jìn)行組合，其4根Q345鋼管立柱經(jīng)過四級(jí)加載后，軸心受壓最大變形量為4mm，滿足承載要求；

(2)鋼管立柱在四級(jí)加載時(shí)無明顯變形；

(3)通過采取增加塔架與塔架之間的連接桿件及剪刀撐的方式，保證整體塔式支撐架穩(wěn)定后，塔式支撐架承載力可達(dá)到37.9t，單根立柱承載力可達(dá)到9.4t。根據(jù)導(dǎo)流底孔頂板澆筑混凝土分層，洞身段混凝土厚度為1.5m，塔式支撐架承載力需達(dá)25.72t，單根立柱承載力為6.3t；進(jìn)口橢圓段混凝土厚度為1.7m，塔架承載力需達(dá)到28.81t，單根立柱承載力為7t。本次塔式支撐架承載力37.9t，遠(yuǎn)大于28.81t，滿足要求，現(xiàn)場(chǎng)可以按設(shè)計(jì)分層進(jìn)行施工。

5 塔式支撐架施工方法

導(dǎo)流底孔底板澆筑至1700m高程且混凝土強(qiáng)度達(dá)到后，開始在底板上搭設(shè)頂板塔式支撐架，塔架采用16t吊車整體吊裝，以保證整個(gè)施工及安裝進(jìn)度。塔式支撐架安裝步驟：

(1)安裝塔架底座，可調(diào)底座應(yīng)安裝在底板混凝土面上，調(diào)平底座；

(2)安裝基本框架、水平拉桿及斜拉桿；

(3)在安裝處的圓鋼上插上開口銷；

(4)安裝水平剪刀撐，然后在安裝處的圓鋼上插上開口銷，完成水平剪撐標(biāo)準(zhǔn)塔架裝配；

(5)用連接器連接下一級(jí)框架，下一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)框架相對(duì)上一級(jí)旋轉(zhuǎn)90°；

(6)按照導(dǎo)流底孔塔架布局圖進(jìn)行塔架拼裝到位后，安裝可調(diào)頂托，完成塔架的安裝(塔架安裝過程中必須保證框架之間豎向軸線累計(jì)偏差<5mm)；

(7)搭設(shè)完畢后在頂部鋪設(shè)14#工字鋼主梁及12.6#槽鋼次梁，主梁間距為1.524m，次梁間距為0.75m；

(8)經(jīng)測(cè)量驗(yàn)收后在次梁上鋪設(shè)5cm厚平面鋼模板，為防止過流面留有鋼模板的銹蝕痕跡，在鋼模板上再敷設(shè)1.5cm厚膠合板，進(jìn)水口橢圓段采用木桁架結(jié)構(gòu)。

上述工作全部完成后，進(jìn)行聯(lián)合驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行頂板混凝土澆筑施工。施工過程中，吊罐要緩慢下降，嚴(yán)禁吊罐直接撞擊模板、承重平臺(tái)及塔式支撐架。嚴(yán)格控制吊罐下料高度不大于0.5m，防止混凝土瞬間沖擊力過大，影響塔式支撐架整體穩(wěn)定性。施工人員在混凝土施工過程中還應(yīng)時(shí)刻注意頂板塔式支撐架、模板在受力后的變形情況。

6 結(jié)語(yǔ)

錦屏一級(jí)水電站大壩右岸導(dǎo)流底孔頂板采用塔式支撐架，如采用其它支撐架系統(tǒng)投入到本工程趕工施工中，將面臨成本增加、勞動(dòng)強(qiáng)度加大、預(yù)埋件預(yù)埋精度要求嚴(yán)格且不能與側(cè)墻混凝土施工分開進(jìn)行，施工周期長(zhǎng)等一系列問題，故錦屏一級(jí)水電站大壩右岸導(dǎo)流底孔頂板采用塔式支撐架，具有承載力大，施工速度快，縮短施工周期，支撐體系可靠等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其它工程具有借鑒意義。

韋 寧(1982.09-)，男，廣西桂林人，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)任中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司PPP項(xiàng)目管理部副處長(zhǎng)，主要從事項(xiàng)目管理和水利水電工程技術(shù)管理。

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