水电站闸墩悬臂大钢模板的设计与应用

邢 军，罗维成，应小军，程剑兵

（中国水利水电第二工程局有限公司，北京 100120）

0 引言

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省丹东市宽甸满族自治县境内，是我国东北拟建中的第一座大型纯抽水蓄能电站。工程的主要枢纽建筑物泄洪排沙闸坝段为重力式混凝土坝（以下简称闸墩），由4号和11号两个边墩及5～10号6个中墩组成，38.00m高程以下为墩基础，墩顶高程为70.10m，最大墩高34.1m，墩宽4.0m，墩长42m。

闸墩上游迎水面38.00m高程至65.70m高程为垂直上升，端头截面为半径2m的半圆弧，并在上游48.167m高程至55.763m高程预留有二次浇筑混凝土的锚固预留槽；65.70m高程至67.70m高程为后仰45°上升，端头45°截面为半径2m的半圆弧；67.70m高程以上为垂直上升；端头截面变为矩形。

闸墩下游背水面38.00m高程至59.00m高程为垂直上升，端头截面为半径2m的半圆弧；59.00m高程以上截面变小；59.00m高程至60.60m高程为前倾12.42°上升；60.60m高程至63.99m高程为为垂直上升，63.99m高程至67.90m高程为后仰45°上升，67.900m高程至70.10m高程为垂直上升；端头截面为矩形。

闸墩的侧面结构形状为直线上升，闸墩之间在高程38.00～48.00m范围内设计为WES实用溢流堰，堰中心上游侧设计有宽2 500mm、深800mm的检修门槽和下游侧的内弧R=20 018mm，宽1 01.7mm，深800mm的弧形闸门槽。

闸墩下游端55.74m高程处接有下倾12.42°锚块，锚块高5m，底长5.5m，宽7.6m，锚块两侧凸出墩侧表面1.8m。

1 模板方案的选择

鉴于该工程闸墩属大体积混凝土现浇结构，设计长度42 000mm、厚度4 000mm，设计不分段，整体浇筑施工，施工质量要求较高，模板不便采用对拉螺杆加固承受施工荷载。另外，闸墩上部上下游端面都有牛腿，并考虑到锚块混凝土浇筑的问题，经过考察、研讨和论证，决定在闸墩施工中主要采用悬臂大钢模板技术，弧形闸门槽和竖直检修门槽处采用木模板拼接技术。

2 悬臂大钢模板结构设计

悬臂大钢模板主要由整体定型大钢模板和悬臂架子组成，见图1。

2.1 整体定型大钢模板

图1 悬臂模板构造图

面板采用6mm厚Q235冷轧钢板，板面上开有上下四排预埋螺栓安装孔，每个孔都设有堵孔器，用时打开，不用时堵上；竖肋采用国标8号热轧槽钢，横肋采用6mm厚钢带；竖边框采用8号热轧等边角钢，中间开有间距＠300mm的模板连接孔；上下横边框采用10mm厚Q235冷轧钢板带；横背楞采用双排16号热轧槽钢，上下共设置三道。每块标准大钢模板的幅面尺寸为宽度b=3m，高度H＝3m；模板定位系统包括爬锥、陀螺等，为模板快速准确定位安装提供了方便。

爬锥与预埋在坝体内的预埋螺栓配合使用，保证模板的位置准确，且可从坝体混凝土中取出周转使用，承受经受力螺栓传递过来的来自于悬臂大模板的全部施工荷载。陀螺通过受力螺栓与爬锥相连，可周转使用，承受悬臂大模板的全部施工荷载。

2.2 悬臂架子

主要由模板连接器、上下操作平台、花篮螺杆机构、模板高度调节机构、竖向主背楞、锚固系统、退模机构、保险机构、主三角挂架、滞后平台10个部分组成。

3 悬臂大钢模板关键部件验算

3.1 荷载计算

悬臂大钢模板是否具有足够的强度和刚度直接关系到施工的安全和质量，对工程施工具有重要影响。因此，其强度和刚度的设计计算极为必要，其中，大钢模板、主三角架和锚固系统受力螺栓的设计计算尤为关键。

由于闸墩施工时，大钢模板的安装不是始终竖直的，当施工到端头后仰牛腿面部位时，模板要后仰45°，所以，作用于模板的荷载，既有水平荷载，又有竖向荷载。当模板后仰45°时，大钢模板所承受的综合荷载最大，因此，应按大钢模板后仰45°的情况对其强度和刚度进行验算。大钢模板所承受的竖向荷载[1]主要包括模板及支架的自重（q模＝1.2kN/m2）、新浇混凝土的自重（G混＝24kN/m3）、钢筋自重（G筋＝1.1kN/m3）、施工人员及设备荷载（q施＝2.5kN/m2）、振捣混凝土时产生的荷载（q振竖直＝4.0kN/m2）；水平荷载[1]主要包括振捣混凝土时产生的荷载（q振水平＝2.0kN/m2）、新浇筑混凝土对模板的侧压力（q侧）和倾倒混凝土时产生的荷载（q倾水平＝6.0kN/m2）。

竖向荷载：q1＝q模+G混·Hsin45°+G筋·Hsin45°+q施+q振竖直＝60.945kN/m2。

水平荷载：q2≈q侧。这里q侧取 F1=0.22γct0β1β2·V1/2，F2=γcHsinα两式中较小值。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°。

经计算得：F1=48.6kN/m2，F2=50.91kN/m2，则q侧=F1=48.6kN/m2，乘以分项系数1.2和折减系数0.85，有：q2＝q侧=48.6×1.2×0.85=49.572kN/m2。

3.2 大钢模板的强度和刚度验算

经计算，当大钢模板后仰45°时，模板面板承受的最大弯曲应力σmax≈71.89N/mm2＜215N/mm2，安全；面板最大挠度fmax≈0.35mm，满足混凝土面平整度要求；模板竖肋所承受的最大弯曲应力σmax≈136.41N/mm2＜215 N/mm2，安全；竖肋的最大挠度fmax≈0.55mm，满足要求。

图2 悬臂模板承受的荷载

图3 主三角架主要构件内力图

3.3 主三角架的受力计算

主三角架的受力分析如图2所示：

根据静力平衡条件可得方程：

∑Fx=0，∑Fy=0 和∑MD=0，

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

用数解法，考虑节点平衡，求得悬臂架子主要构件内力如图3所示。

根据内力计算结果和主三角架各杆件的结构知，主三角架BP杆承受的拉应力最大，斜撑杆EP所承受的压应力最大，所以需对BP杆进行抗拉强度校核和对斜撑杆EP进行抗压强度及稳定性校核。

斜撑杆EP为压杆，最大内力为NEP=254 708N，长度 l=2 245mm，双［8号热轧槽钢，2A=20.48cm2，2Ix=202.6cm4，［σ］P=215N/mm2，压杆的长度系数μ=0.5，惯性半径ix=1.27cm。

强度验算：σ=NEP/2A≈124.37 N/mm2＜215N/mm2，强度足够。

满足稳定性要求。

3.4 受力螺栓的安全验算

受力螺栓使用的材料是40Cr钢，调质后其抗剪强度[τb]=750～850 N/mm2，抗拉强度 [σb]=890～980 N/mm2，屈服强度[σS]=785 N/mm2。

受力螺栓所承受的剪应力：

=254.87 N/mm2＜［τb］；

受力螺栓所承受的拉应力：

=418.22N/mm2＜［σS］。

故受力螺栓的使用安全。

4 悬臂大模板的施工工艺

（1）施工工序：清理模板→涂刷脱模剂→吊装模板→按设计图在模板上安装预埋螺栓→校正模板位置和垂直度或倾斜度→验收模板→浇注混凝土→养护→拆模板上预埋螺栓的连接螺栓→脱模→拆保险栓→整体提升悬臂大钢模板至上层→锚固悬臂大钢模板→在滞后平台上取出最下边留在墙体上的锥体→修补已浇筑混凝土表面→下一循环施工。

（2）模板锚固点混凝土强度达到10MPa以上后，方可进行下一层模板的安装。

（3）预埋螺栓和受力螺栓每次必须用厂家提供的专用力矩扳手拧紧到位。

（4）模板安装前，上一次浇筑的混凝土顶部需贴5cm宽的防漏浆海绵条，安装时，模板下口须覆盖上一层老混凝土至少5cm，通过调整退模机构，使模板下口压紧老混凝土面。

（5）在施工到闸墩上部牛腿前一层，应严格按设计图所标注的位置安装预埋螺栓，并调整模板的高度位置，确保在牛腿处模板能正确地安装。

（6）混凝土浇筑到埋件附近时应用软轴振捣器振捣，防止埋件发生位移。模板的各层操作平台上不得堆放重物，并注意随时清理，以确保安全。

（7）拆模后对混凝土表面可能出现的麻面、气孔等缺陷，应及时进行修补。根据实际情况，采取相应的修补方法，修补时采用水泥砂浆或者环氧砂浆，水泥与砂子的比例应当与原混凝土的配比一致。

5 模板施工中的难点和解决措施

悬臂大钢模板在闸墩施工中的难点主要有：闸墩上下游上部后仰45°牛腿的支模和拆模问题；锚块处如何使用悬臂大钢模板的问题；弧形闸门槽处如何使用悬臂大钢模板的问题。

（1）闸墩上下游上部后仰45°腿的支模和拆模问题，利用悬臂大钢模板体系，可以很好地得到解决，它充分体现了悬臂大钢模板体系优势，在这里专门设计制作了后仰三角挂架，附着在主三角挂架的前方，用它解决模板的安装问题，浇筑混凝土时，在退模机构上方的混凝土中垂直预埋一个φ42×3mm钢管，拆模时，先拆大钢模板，将其吊走，然后用吊装器拆悬臂架子。

（2）闸墩锚块主要用于预应力混凝土张拉，其施工难点在于一个面是前倾12.42°，一个面后仰12.42°，两侧各挑出墩侧面1.8m，所以，专门设计了两个辅助挑平台，悬挂在锚块底部墩侧面墙上，再把悬臂大钢模板挂在辅助挑平台的挂点处，这样便解决了悬臂大钢模板的支模问题，拆模时先拆悬臂大钢模板，再拆辅助挑平台。

（3）弧形闸门槽内部主要采用木模板施工，利用悬臂大钢模板支撑承受施工荷载，一块悬臂大钢模板一般包含一块大钢模板和两榀悬臂架子，两榀悬臂架子分别挂在两个受力螺栓上。但由于弧形闸门槽形状为弧形，法向宽度1 100mm，深度500mm，从下往上横向跨度4 200mm，所以，会出现因一个受力螺栓无法埋设而导致悬臂大钢模板无法使用的情况，为此，把弧形门槽处的两块悬臂大钢模板连成一个整体，并加大加长模板横背楞的型钢规格，这样就解决了弧形闸门槽处悬臂大钢模板的使用问题。

6 结语

本工程闸墩混凝土结构主要采用悬臂大钢模板施工，大大加快了施工进度，提高了施工质量，降低了工人的劳动强度，特别是闸墩大尺寸牛腿处和锚块部位的施工，既安全又快捷，不需搭设任何脚手架。实践证明，在目前国内水工建筑物，特别是闸墩的施工中，悬臂大钢模板具有安全、方便、优质和高效的特点，值得推广。

［1］建筑施工手册（第四版）编写组.建筑施工手册2［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.149～151.

［2］机电技术常用标准实用手册编写组.机电技术常用标准实用手册［S］.北京:北京理工大学出版社，1994.2－37.

［3］江正荣，朱国梁.简明施工计算手册［S］.北京：中国建筑工业出版社，1996.