栗子塘水电站大坝公路桥钢构件承重架优化设计与施工

刘正科

（湖南省水利水电工程总公司 长沙市 410007）

1 工程概况

栗子塘水电站位于湖南省新宁县回龙寺镇境内，资水一级支流——夫夷水下游，距新宁县城59km，距回龙镇8km。工程以发电为主，兼有通航、养殖等综合效益。坝址控制流域面积3541km2，占夫夷水总流域面积4554 km2的77.76%，多年平均流量102m3/s。电站装机容量为3.2kW×3台。

大坝为混凝土闸坝，共分为9孔，每孔净宽15m，为底流消能方式；坝顶公路桥上部构造采用16.6m现浇混凝土整体T型简支梁设计，公路桥底梁至溢流面最大高度为11.9m；因公路桥施工时为主汛期，大坝围堰设计为10年一遇过水围堰，有可能洪水漫过上、下游围堰而淹没整个基坑；设计方要求桥梁施工时下部支承架必须采取架空形式以便汛期洪水过流，故不能采用普通钢管满堂脚手架支撑；因T型梁4根为整体设计，自重（145t）大，也无法采取吊装方案。

2 钢构件承重架设计与计算

设计思路：采用钢桁架连续梁和钢管立柱支撑设计方案。钢管立柱共12根，纵向3排，均间距为3.75m；立柱上采用钢桁架纵梁连接，钢桁架纵梁上按设计的4道混凝土T型梁布置4排钢桁架横梁，横梁采用二跨等跨连续梁连接形式；所有钢构件均采用螺栓连接稳固又便于装拆；横梁上面再铺方木、模板形成一个统一整体。所有钢构件利用现有施工塔吊装拆到位（附图）。

2.1 设计荷载计算：单孔公路桥设计荷载计算

（1）每孔静荷载计算：每孔公路桥混凝土重量为:55 m3×25kN/m3=1443.75kN。

（2）每孔设计静荷载：G=1.2×1443.75=1732.5kN（静载系数1.2），折算成均布荷载q1=28.88n/mm。

（3）设计动荷载：

●施工人员行走和施工料具运输或堆放的荷载：根据DL/T5110-2000规范取值为2.5kN/m2。

●倾倒混凝土产生的冲击荷载：根据DL/T5110-2000规范取值为2.0kN/m2。

●振捣混凝土时产生的荷载：根据DL/T5110-2000规范取值为2.0kN/m2。

以上相加，则设计动荷载为：1.4×6.5=9.1kN/m2（动载系数1.4）换算为均布荷载q2=0.61n/mm。

（4）总均布荷载为q=29.49n/mm。

2.2 等跨连续梁计算

钢管立柱跨距I为3.75m；根据计算出来的动、静荷载及桥面有关几何数据计算得出二跨等跨连接梁线性均布荷载值为q=29.49n/mm。

设定承载等跨连续梁为材质为Q235b的槽钢，其弹性模量为E=2.6×105n/mm2，混凝土的弹性模量为E=2.1× 104n/mm2，槽钢强度设计值为[σ]=215n/mm2。

附图 坝顶公路桥现浇承重结构图

经计算：四跨等跨连续梁最大弯矩:M=Kmql2=0.077× 29.49n/mm×37502=3193.21kn/cm（Km为弯矩系数）。

四跨等跨连续梁最大剪力:V=Kvql=0.446×25.79×3750= 49.32kN（Kv为剪力系数）。

由等跨连续梁最大弯矩M=3193.21Kn/cm计算得出最小截面抵抗矩Wmin：

Wmin=M/[σ]=31932140.63n.mm/215n/mm2=148.52cm3

考虑到结构需要，选2根支尖靠支尖的槽钢组合而成连续梁;查槽钢组合截面表得：

2 [16a：截面惯性矩I=1732cm4，截面抵抗矩W=216cm3；

2 [18a：截面惯性矩I=2540cm4，截面抵抗矩W=282cm3；

2 [20a：截面惯性矩I=3560cm4，截面抵抗矩W=356cm3。

考虑其稳定性要求:l1=375cm查表并经插入法得出每根[20a所承受的弯矩值为2315Kn/cm，则2根[20a所承受的弯矩值为2315×2=4630Kn/cm＞四跨等跨连续梁实际最大弯矩2792.57kn/cm，故用2根支尖靠支尖的槽钢组合而成连续梁抗弯强度满足要求。另外其抗剪能力亦可满足要求。

该二跨等跨连续梁的绕度经计算为:

W=Kwql4/（100EI）=0.967×29.49×37504/（100×2.6×105× 35600000）=0.61mm。

由此可知:选用2根支尖靠支尖的槽钢组合而成连续梁（2[20a）合适。

2.3 钢管立柱支撑计算

根据钢管立柱受力状态，可简化为下端固定，上端简支的受力模型，其长度系数取μ=0.7则计算长度为l0=μl= 0.7×1100=770cm，又经计算各根立柱均载为N=147.45kN。

根据规范要求：长细比[λ]＜150。

选定钢管为:Φ180×8 i=0.35（d+D）/2=0.35×（16.4+18）/2=6.02

λ=l0/I=770/6.02=128＜[λ]=150因此所选Φ180×8钢管适用。计算：截面惯性矩I=π/64×（D4-d4）=π/64×（184-16.44）=1602cm4

截面抵抗矩 W=π/32×（D4-d4）/D4=π/32×（184-16.44）/ 184=178cm3

由λ=128查得稳定系数Φ=0.445，计算钢管立柱截面积A=π/4×（D2-d2）=43cm2

σ=N/（Φ.A）=147450/（0.445×4300）=77.06Mp＜[σ]= 166.7Mp

可知钢管立柱稳定性符合要求。

3 钢构件制作与施工

钢构件承重架按两孔加工。结合工地现场条件，加工场地布置在大坝下游，并在塔吊QTZ5417的工作半径范围内。由塔吊直接吊运到现场组装。金属结构型材必须采用符合国家标准的正规厂家生产的产品，且“三证”齐全，并由有经验的电焊工进行焊接，焊缝质量必须满足设计和国家规范要求。

公路桥承重结构安装顺序：立柱全部就位→搭设操作平台▽251.2→纵梁连接→横梁连接→连系杆焊接→加固件焊接；

钢构件安装完毕后，在承重结构跨中立柱的上下游侧各加一斜撑（材料同立柱），斜撑角度为45°～60°；另外两排立柱则利用闸墩上的丝杆在整个立柱高度平均设三层连墙件（焊结），与闸墩边夹角不大于45°；连墙件长度超过3m时在中部设加强杆。

4 施工控制要点

（1）模板在安装时按混凝土结构物的施工图进行测量放样，并设置足够的临时固定设施，以防变形和倾覆；梁的模板应起拱3%，起拱高度为45mm。模板拆除时，混凝土强度应符合施工规范的规定。

（2）钢筋制安：在加工厂加工完成后由塔吊吊运入仓面进行绑扎。直径小于或等于25mm的钢筋采用焊接时，直接搭接焊接单面焊缝长度为10倍的钢筋直径，双面为5倍的钢筋直径。

（3）混凝土浇筑：严格按承重结构设计要求，按先浇中间两根梁，再浇上、下游两根梁的顺序进行混凝土浇筑；混凝土浇筑施工采用平铺法施工，铺料从仓面的一端向另一端分层铺料，铺料厚度控制在（30～40）cm之间，混凝土入仓垂直落距小于2.0m。具体根据混凝土入仓工、铺料允许间隔时间和振捣器性能及气温等因素确定。混凝土平仓采取人工与振捣器相结合的方式，靠近模板、钢筋密集、预埋件的地方采用人工打铲平仓，其它部位采取振捣器直接平仓。在捣固各层混凝土时，混凝土工必须加强平仓振捣，振捣器保持直立位置操作，振捣时间应以混凝土不再显著下沉，不出现气泡，开始泛浆为准。振捣器插移动距离不超过其有效半径的1.5倍，并插入下层混凝土50mm，顺序依次，方向一致，以保证上、下层的结合，避免漏振。

（4）高温期混凝土浇筑温控措施：混凝土运输工具用潮湿的麻带片遮阳，缩短混凝土暴晒时间；在仓面设足够喷雾器（用高压水做水源），降低仓面的气温，并将混凝土浇筑尽量安排在下午4点以后施工，避开高温时段；仓面准备潮湿的麻带片以在高温时间来遮盖新入仓的混凝土，减少日光直晒混凝土时间；养护期间混凝土表面须覆盖麻带片，并加强养护使之保持潮湿。提前做好防雨水准备，预备好彩条布，当混凝土浇筑过程下大雨致使暂时停浇时，必须采取措施将已入仓的熟料做好平仓振捣处理完成，并将已浇的混凝土外露面用彩条布覆盖，防止雨水冲走水泥浆。

（5）安全措施：塔吊在使用前，须由操作人员进行系统检查，承重结构吊装及拆除时，必须由专人指挥，并统一指挥信号；混凝土浇筑过程中，测量人员必须架设全站仪、水准仪加强观测承重结构、模板等的变形移位情况，并作详细记录，出现异常情况，须立即向现场负责人报告，现场负责人必须视情况严重程度立即采取不同加固处理措施，甚至停止浇筑；作业区域内的临空面一侧均要求搭设有效的安全防护栏；为便于掌握承重结构拆除是否具备条件，每跨梁混凝土在浇筑时需取三组试块，其中两组置于现场按同条件养护，另一组则采取标准条件养护。

5 结论性意见

（1）该设计方案经湖南省水利水电总公司专家组评审通过，并得到邵阳电业局业主和邵阳市水利水电设计院的认可实施。

（2）该设计方案只需在现场制作2孔钢构件支撑架，然后利用塔吊吊运安装或拆除，其余7孔则将此2孔钢构件支撑架用于周转,既实用方便又节约了工程造价。

（3）该设计方案既能有效避免汛期洪水影响的风险，又有利于加快施工进度，并确保了工程施工质量。每一孔公路桥施工：钢构件安装3天，装模4天，钢筋绑扎3天，混凝土浇筑1天，共11天施工完毕；高温期间一般11天后通过试验检测混凝土强度就达到100%可以拆模了；在混凝土浇筑过程中，测量人员通过全站仪、水准仪观测承重结构、模板等的变形移位情况从未出现过任何异常情况，所有沉陷值均在1cm以内，完全符合其稳定性要求，现公路桥一、二期在汛期已顺利施工完毕，且经受了两年汛期特大洪水的考验，基坑全部被淹，钢构件没出现任何变形，且上部可以继续施工，施工工程进度均未受到影响，且确保了工程质量和施工安全。