泄洪洞進(jìn)水塔大跨度異形胸墻高承重體系設(shè)計(jì)

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概況

圖1 進(jìn)水塔768m～787m高程縱剖面(塔體中軸線)三維示意

2 十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管組合支撐體系優(yōu)勢

塔體胸墻混凝土澆筑是塔體澆筑工程的重點(diǎn)、難點(diǎn)工作，胸墻能否順利澆筑制約著整個(gè)塔體澆筑工程的進(jìn)展。設(shè)計(jì)一種既安全可靠，又方便快捷，同時(shí)，成本低廉的胸墻承重排架體系，在塔體澆筑工程的安全、質(zhì)量、進(jìn)度、效益等方面起到至關(guān)重要的作用。

目前的胸墻澆筑施工往往選用普通φ48鋼管搭設(shè)滿堂支撐架。因支撐架承受的上部荷載較大，排架搭設(shè)時(shí)橫距、縱距、步距較小，使用的鋼管、扣件工程量很大，搭設(shè)、拆除用時(shí)較多，且架管密集搭拆施工難度較高。選用十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管作為支撐體系，普通架管材質(zhì)為Q235，架管直徑48mm，為保證能夠承受2m厚混凝土重力，一般架管間距控制在60cm左右，而十字盤腳手架立桿材質(zhì)為Q345，直徑70mm，具有高承載力特性，承受2m厚度混凝土重力，間距可調(diào)大至1.5m，因此，十字盤腳手架能大大縮短排架搭設(shè)拆除時(shí)間、降低施工難度、節(jié)省材料。近幾年出現(xiàn)采用十字盤腳手架或盤扣式腳手架配合定制型鋼桁架作為胸墻澆筑的承重體系，這種形式的設(shè)計(jì)定型桁架需要大量的鋼材，且再利用的價(jià)值很低。若塔體澆筑分層分塊或塔體結(jié)構(gòu)調(diào)整，型鋼桁架還沒使用就需要改造甚至廢掉重新加工制作，造成大量鋼材浪費(fèi)和施工工期的延長。選用十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管作為支撐體系，利用普通φ48鋼管代替了型鋼桁架支撐頂部模板，大大降低了鋼材的使用量。φ48鋼管搭拆靈活不受體型調(diào)整制約，且架管拆除后可重復(fù)使用。型鋼平臺使用的型鋼不需進(jìn)行焊接、彎折等加工，拆除后可再回收利用價(jià)值高。十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管承重體系的設(shè)計(jì)不僅施工方便、搭拆用時(shí)短、材料可回收利用率高，更大大節(jié)約了施工成本。

3 十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管支撐體系設(shè)計(jì)

3.1 支撐體系設(shè)計(jì)

泄洪洞進(jìn)水塔胸墻模板支撐體系由三部分組成。第一部分為770m～781m高程φ70系列十字盤腳手架，第二部分為十字盤腳手架頂部型鋼平臺，第三部分為平臺以上普通鋼管滿堂架及防側(cè)移拉筋、斜撐。模板支撐體系如圖2、圖3所示。

圖2 進(jìn)水塔胸墻澆筑支撐體系剖面示意

圖3 進(jìn)水塔胸墻澆筑支撐體系三維示意

3.2 十字盤腳手架設(shè)計(jì)參數(shù)

770m～781m高程采用φ70系列十字盤腳手架，十字盤腳手架立柱橫距縱距為1200mm×1500mm。φ70系列十字盤腳手架主要由以下構(gòu)件組成：橫桿、可調(diào)頂托、外套管立桿、斜桿、立桿連接銷、可調(diào)底座。其中立桿材料為Q345B，其它桿件材料為Q235。十字盤腳手架為滿堂支撐架，搭設(shè)樁號范圍為k0+044.7m～k0+025.2m。搭設(shè)高度為770m～781m高程段(頂托高程為781m)。

3.3 普通鋼管滿堂架設(shè)計(jì)參數(shù)

平臺上部搭設(shè)φ48普通鋼架管承重排架，排架橫距縱距步距為0.6m×0.75m×0.75m。承重排架立桿頂部均設(shè)置可調(diào)頂托，頂托頂緊模板背楞。對于模板傾斜度較大的部位利用雙φ48鋼管作為模板背楞，同時(shí)支撐架每根立桿附近均增加垂直模板的斜桿支撐。模板傾斜度小的部位模板背楞采用100mm×50mm×3mm的方鋼，承重排架立桿頂托與方鋼間墊梯形松杉木塊，木塊上表面與方鋼管表面完全貼合。普通鋼架管承重排架詳圖見圖4、圖5。

3.4 胸墻模板防側(cè)移措施設(shè)計(jì)

進(jìn)水塔流道胸墻模板曲率較大，新澆筑的混凝土對模板會產(chǎn)生一定的側(cè)壓力。為抵消這部分側(cè)壓力采取雙重保障措施，一是在曲率較大的模板底部利用垂直于模板面的鋼管做斜撐，每一根斜撐鋼管均通過扣件與至少三排立桿扣接；二是在已澆筑混凝土里預(yù)埋拉筋，拉筋穿過胸墻最外側(cè)模板通過拉筋來承受混凝土對模板的側(cè)壓力。

圖4 φ48承重排架設(shè)計(jì)示意

圖5 立桿頂托與模板背楞連接方式示意

最外側(cè)模每塊模板均使用φ18拉筋拉緊。

3.5 支撐體系強(qiáng)度計(jì)算

3.5.1 設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)采用值

(1)Q235鋼材物理性能指標(biāo)：彈性模量E=206000N/mm2；質(zhì)量密度ρ=7850kg/m3；抗拉、抗壓、抗彎f=205N/mm2；抗剪fv=125N/mm2。

(2)受壓構(gòu)件容許長細(xì)比：[λ]=150。

(3)混凝土最大澆筑層厚2.0m。

(4)設(shè)計(jì)荷載：計(jì)算模板、支架時(shí)，應(yīng)考慮下列荷載。

①模板、支架自重：模板自重為1.2kN/m2，支架自重為0.3kN/m3。

②新澆筑混凝土容重24kN/m3、鋼筋一般取1.1kN/m3～1.5kN/m3，本次計(jì)算中鋼筋混凝土的容重取26kN/m3。

③施工人員和施工材料、機(jī)具等行走運(yùn)輸或堆放的荷載：計(jì)算模板及支撐模板的小楞時(shí)，均布荷載取2.5kN/m2；計(jì)算支架時(shí)，均布荷載取1.0kN/m2。振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載(作用范圍在有效壓頭高度之內(nèi))對水平面模板取2.0kN/m2。

荷載分項(xiàng)系數(shù)：模板及其支架自重荷載、新澆鋼筋混凝土自重荷載分項(xiàng)系數(shù)1.2，施工人員及施工設(shè)備荷載、振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4。

3.5.2 鋼管支撐架計(jì)算

(1)支撐架立桿豎向荷載計(jì)算

鋼管支撐立桿橫向布置間距為600mm，縱向布置間距為750mm，則作用在立桿上的荷載：N=0.6×0.75×(1.2×(26×2.0+1.2+0.22×5)+1.4×(1.0+2.0))=31.21kN。

(2)受壓桿件穩(wěn)定驗(yàn)算

[N]=φAf

式中：φ——軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，應(yīng)根據(jù)長細(xì)比λ取值；

l0——計(jì)算長度，l0=ku(h+2a)；

i——立桿截面回轉(zhuǎn)半徑；

h——步距；

a——立桿伸出頂層水平桿中心線至支撐點(diǎn)的長度；

A——截面積。

經(jīng)查《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》附錄并通過計(jì)算得：[N]=φAf=0.537×506×205÷1000=55.7kN>31.49kN。

故立桿承載力滿足要求。

3.5.3 防側(cè)移措施斜桿及拉筋計(jì)算

(1)拉筋計(jì)算

查《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50666-2011)附錄A可知模板的最大側(cè)壓力計(jì)算公式為：

F=0.43γcToβν0.25

F=γcH

式中：F——新澆筑混凝土對模板最大側(cè)壓力(kN/m2)；

γc——混凝土重力密度(kN/m3)；

To——新澆混凝土的初凝時(shí)間(h)；

β——混凝土塌落度影響修正系數(shù)；當(dāng)塌落度50mm～90mm時(shí)，β取值0.85；

H——混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆混凝土的頂面的總高度(m)；

v——混凝土澆筑高度(厚度)與澆筑時(shí)間的比值，即澆筑速度(m/h)。

混凝土側(cè)壓力計(jì)算按照兩者較小值為準(zhǔn)。

混凝土在澆筑過程中坯層寬度2.5m，厚度0.5m，坯層長度=6.5+12×0.25+15=24.5m，混凝土澆筑方量=2.5m×24.5m×0.5m=30.6m3，混凝土上升速度=0.5m÷(30.6m3÷36m3/h)=0.59m/h。則：

F=0.43×24kN/m3×4h×0.85×0.590.25=30.75kN/m2；F=24kN/m3×1.5m=36kN/m2。

根據(jù)規(guī)范要求，F(xiàn)取值為30.75kN/m2。

若混凝土插筋每塊模板(1.5m×1.5m)布設(shè)一根φ18mm拉筋，則單根拉筋承受的拉力P1=F×A=30.75×1.5×1.5=69.2kN。

單根φ18mm拉筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值P2=3.14×9×9×360÷1000=91.56kN。

因P1小于P2，故每塊模板設(shè)置一根拉筋滿足強(qiáng)度要求。

(2)斜撐受力計(jì)算

由上述計(jì)算知模板側(cè)壓力F=30.75kN/m2，斜撐布置間距為0.6m×0.75m。

單根斜桿承受的側(cè)壓力P=30.75×0.6×0.75=13.84kN。

每根斜桿至少與三根立桿通過扣件扣接，則單個(gè)扣件受力f=13.84÷3=4.6kN<8kN，滿足強(qiáng)度要求。

3.5.4 十字盤腳手架計(jì)算

(1)立桿承載力計(jì)算

立桿φ70×3.5：截面面積A=731.2mm2，慣性矩I=40.531×104mm4，回轉(zhuǎn)半徑i=23.54mm，抗彎截面模量W=11.58×103mm3。

材料Q345：抗拉、壓、彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=310N/mm2，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=180N/mm2。

上部荷載為集中荷載，按照最不利荷載進(jìn)行計(jì)算，則：

Nmax=1.2×1.5×(1.2×(26×2.0+1.2+0.22×5)+1.4×(1.0+2.0))=124.85kN

(2)強(qiáng)度計(jì)算

立桿的截面一般沒有削弱，強(qiáng)度不是它的控制條件，因此，不需驗(yàn)算強(qiáng)度。

(3)穩(wěn)定計(jì)算

組合風(fēng)荷載時(shí)，采用以下公式計(jì)算：

h——腳手架單根立桿的長度，此處為1.5m；

qwk——線風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，對于敞開式腳手架立桿，取qwk=Wk·d；對于封閉式、半封閉式腳手架立桿，取qwk=Wk·a。此處按敞開式計(jì)算；

d、a——立桿外徑與立桿縱距；

φ——軸心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)，由立桿的長細(xì)比查得。

風(fēng)速取最大允許風(fēng)速29m/s，風(fēng)力等級大于9級?？紤]到桿件迎風(fēng)面受壓和背風(fēng)面受吸，取1.5的系數(shù)。

則風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值：

Wk=1.5×V2/1600=1.5×292/1600=0.789kN/m2。

風(fēng)線荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

qwk=Wk·d=0.789×0.07=0.055kN/m。

則風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩：

μ為立桿計(jì)算長度系數(shù)，立桿按兩端固接，則此值為0.65。

根據(jù)λ=41.42，焊接圓管屬于b類截面，查得φ=0.880。

圓管的極限承載力由壓桿失穩(wěn)控制時(shí)，其破壞特征屬于脆性破壞特征。因此，當(dāng)圓管的長細(xì)比小于100時(shí)，穩(wěn)定計(jì)算中，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘以0.9的折減系數(shù)。得豎桿所能承受的最大軸向荷載為：

178kN>Nmax=124.85kN

即十字盤腳手架立桿的承載能力滿足要求。

(4)水平桿配件的承載力計(jì)算

水平桿φ48×3.0：截面面積A=424.1mm2，慣性矩I=10.783×104mm4，抗彎截面模量W=8.985×103mm3，回轉(zhuǎn)半徑i=15.94mm。

桿件材料Q235：抗拉、壓、彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215N/mm2，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=125N/mm2。

①水平桿配件的抗彎強(qiáng)度計(jì)算：

可得水平桿可承受的最大彎矩Mmax=W·f=8.985×103×215=1.93×106N·mm=1.96kN·m。

水平桿規(guī)格為最大長度1.5m，經(jīng)計(jì)算1.5m長水平桿在滿足強(qiáng)度要求下，可承受的最大水平線荷載為6.9kN/m。

②水平桿配件的變形計(jì)算：

ωmax≤[ω]

[ω]=l/400

桿件跨中最大撓度ω=(5ql4)/384EI，E=206GPa。

經(jīng)計(jì)算1.5m長水平桿在滿足變形要求下，可承受的最大水平線荷載為1.3kN/m。

根據(jù)抗彎強(qiáng)度和變形計(jì)算結(jié)果，q選取兩者中較小值，施工中，考慮作用在水平桿上的施工荷載不超過0.7kN/m，故水平桿滿足受力與變形要求。

4 支撐架搭設(shè)技術(shù)要求

4.1 十字盤腳手架搭設(shè)技術(shù)要求

4.1.1 搭設(shè)工藝流程

支撐架基礎(chǔ)清理、驗(yàn)收→施工測量定位→安裝可調(diào)底座調(diào)至設(shè)計(jì)高度→安裝立桿、橫桿→安裝掃地桿→安裝斜桿→水平尺校正水平和垂直→安裝上一步立桿、橫桿→安裝斜桿→施工測量定位→安裝可調(diào)頂托，調(diào)至同一高度。

4.1.2 搭設(shè)要求

(1)支撐架搭設(shè)和拆除時(shí)，操作人員應(yīng)持證上崗，操作人員和施工人員應(yīng)經(jīng)過架體技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)交底；

(2)支撐架基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)收合格允許使用后，嚴(yán)格按照十字盤腳手架立桿布置圖確定立桿底座位置。立桿底座不得與混凝土表面直接接觸，底座與混凝土表面間墊設(shè)30cm×30cm厚2cm的木板，以防止底座破壞混凝土表面；

(3)基礎(chǔ)高低差較大時(shí)，利用可調(diào)底座進(jìn)行找平。安排專人負(fù)責(zé)立桿底部整體找平，確保立桿根部與地基持力層頂壓牢固；

(4)搭設(shè)時(shí)按照模板支撐架平面布置圖放線，確定底座位置，然后按放線位置準(zhǔn)確地確立擺放立桿的位置，將掃地桿，第一步橫桿鎖定在立桿上，保持其穩(wěn)定；再用水平尺或水平儀調(diào)整水平和垂直，檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行上部標(biāo)準(zhǔn)層架體的搭設(shè)。在施工中隨著架體的升高隨時(shí)檢查和校正架體的垂直度；

(5)每根橫桿、斜桿安裝后，應(yīng)隨時(shí)將插銷緊固好；

(6)每一步搭設(shè)完成后，十字盤腳手架兩側(cè)應(yīng)利用φ48鋼管水平支撐在進(jìn)水塔兩側(cè)邊墩上，限制十字盤腳手架側(cè)向位移。φ48鋼管至少與十字盤腳手架上兩排橫桿連接；

(7)在搭設(shè)支撐架過程中不得隨意改變原設(shè)計(jì)、減少材料使用量、配件使用量或卸載。現(xiàn)場確實(shí)需要改變搭設(shè)方式或使用功能時(shí)，必須經(jīng)項(xiàng)目總工或支撐架設(shè)計(jì)人員簽字同意后方可更改；

(8)立柱中心點(diǎn)樁號為k0+040.2m的一排架體立柱下方，由于空間有限無法使用底座，改為在立桿底部鋪墊[10槽鋼，槽鋼底部應(yīng)平整；

(9)十字盤腳手架頂托高度控制在781m高程，所有頂托高程必須保持一致。

4.2 普通鋼架管搭設(shè)技術(shù)要求

4.2.1 腳手架搭設(shè)程序要求

施工程序：逐根安裝立桿和掃地桿并將立桿在基礎(chǔ)上固定穩(wěn)當(dāng)→安裝第一步長方向聯(lián)系桿并與立桿扣緊→安裝第一步短方向聯(lián)系桿并與長方向聯(lián)系桿扣緊→安裝第二、三步長短方向聯(lián)系桿→立桿間固定→加設(shè)剪刀撐→鋪腳手板→綁扎護(hù)身欄桿及擋腳板，掛安全防護(hù)網(wǎng)→接立桿→循環(huán)上述步驟→頂托安裝→頂托高度校驗(yàn)。

4.2.2 腳手架搭設(shè)技術(shù)要求

(1)支撐架搭設(shè)橫距縱距步距為0.6m×0.75m×0.75m；

(2)腳手架必須設(shè)置縱、橫向掃地桿?？v向掃地桿應(yīng)采用直角扣件固定在距鋼管底部不大于20cm處的立桿上。橫向掃地桿應(yīng)采用直角扣件固定在緊靠縱向掃地桿下方的立柱上。掃地桿的設(shè)置層應(yīng)設(shè)置水平剪刀撐；

(3)立桿伸出頂層水平桿中心線至支撐點(diǎn)的長度不超過0.5m；

(4)每根立桿的底部設(shè)置底座或墊板；

(5)在架體外側(cè)周邊或內(nèi)部縱橫向每5跨(且不小于3m)由底至頂設(shè)置連續(xù)豎向剪刀撐，剪刀撐寬度應(yīng)為5跨；

(6)在豎向剪刀撐頂部交點(diǎn)平面應(yīng)設(shè)置水平剪刀撐，水平剪刀撐間距不超過4m，剪刀撐寬度應(yīng)為3m～5m；

(7)豎向剪刀撐斜桿與地面的傾斜角度應(yīng)為45°～60°，水平剪刀撐與支撐架縱橫向夾角應(yīng)為45°～60°；

(8)滿堂支撐架的可調(diào)底座、可調(diào)托撐螺桿伸出長度不超過30cm，插入桿內(nèi)的長度不得小于15cm；

(9)頂托伸出長度根據(jù)測量數(shù)據(jù)定位。

5 承重體系運(yùn)用效果分析

5.1 安全可靠性

白鶴灘泄洪洞進(jìn)水塔胸墻澆筑前，安排測量人員在反弧段等間距布置5個(gè)變形觀測點(diǎn)，澆筑過程中全程監(jiān)控模板變形情況。根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析，澆筑過程中高度上最大變形量13mm，水平方向最大變形量9mm。通過變形數(shù)據(jù)的收集，下一倉澆筑前，對模板體型進(jìn)行微調(diào)，高度方向上向上調(diào)整15mm，該種措施能夠有效保證體型質(zhì)量。通過測量結(jié)果驗(yàn)證了十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管支撐體系設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

5.2 快捷性

與傳統(tǒng)扣件式滿堂支撐架搭設(shè)時(shí)間相比，白鶴灘泄洪洞進(jìn)水塔胸墻若全部使用扣件式滿堂腳手架做支撐體系，搭設(shè)時(shí)間在25d左右。而采用十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管的設(shè)計(jì)方式，搭設(shè)時(shí)間為15d，大大縮短了搭設(shè)時(shí)間。

5.3 經(jīng)濟(jì)性

白鶴灘泄洪洞進(jìn)水塔胸墻承重排架搭設(shè)用的十字盤腳手架、型鋼平臺、上部扣件式腳手架使用的材料均可全部回收再利用。型鋼平臺使用的鋼材基本無焊接、彎折等加工，可再利用率高。較白鶴灘水電站導(dǎo)流洞進(jìn)水塔胸墻承重排架十字盤+型鋼桁架的設(shè)計(jì)方式節(jié)省大量型鋼。

6 結(jié)語

白鶴灘水電站泄洪洞進(jìn)水塔胸墻澆筑采用該承重設(shè)計(jì)形式，承重體系全部利用項(xiàng)目部現(xiàn)有的材料搭設(shè)，承重體系拆除后全部回收再利用，大大減少了材料購買、租賃的成本，提高了材料再利用率，為項(xiàng)目部節(jié)約了大筆開支。承重體系搭拆方便、快捷有效，縮短了塔體澆筑工期，保證了泄洪洞進(jìn)水塔按時(shí)澆筑完成。進(jìn)水塔胸墻澆筑過程中承重排架安全、穩(wěn)定，模板變形量滿足質(zhì)量要求。十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管支撐體系設(shè)計(jì)在白鶴灘泄洪洞進(jìn)水塔澆筑中成功運(yùn)用，為以后類似工程提供了安全、可靠、合理、有效的設(shè)計(jì)參考。