浅谈水闸牛腿的悬臂施工方法计算及分析

周援越，曾 艳，张少娟，赵 兵

（湖北省汉江河道管理局，湖北 潜江 433100）

0 前言

本文将讨论的工程系某水库排淤泄洪闸上的牛腿施工。根据该工程结构的特点，中孔的弧形门闸墩设计成为不同坡比的悬挑构件，牛腿的外挑长度较大，施工艰难且危险，施工的质量要求十分高。经设计和施工方讨论，为了加快工程施工的进度并且保证施工的安全和质量，对该水库闸墩的牛腿悬挑部分采用悬臂模板施工技术。目前工程上应用的悬臂模板有平面悬臂和曲面悬臂模板两种类型——平面悬臂模板一般主要用于大坝坝面和牛腿部位，曲面悬臂模板主要用于水闸的表孔、中孔、底孔进口弧形段。悬臂模板的结构主要包括面板、支撑系统、工作平台等，各结构均采用钢结构制作。

1 关于悬臂施工工艺

工程上所谓的悬臂浇筑法又被称为无支架平衡伸臂法、吊篮法或者挂篮法。施工时占用的空间较小。有利于节省施工费用，降低工程造价，有利于施工作业。该工程修改后的方案在施工时现场采用的是预埋工字钢。该工程的的牛腿的外挑部分使用的模板将采用悬臂模板整体骨架，考虑其施工的特点，对悬臂模板进行了改造和组装。通常施工中使用的模板面板采用组合钢面板，同时加强格栅使用型钢做背楞，经久耐用，且能防止混凝土侧压力、外界压力碰撞，以及在钢筋施工时的模板面板的变形。其混凝土面边线的倾角通过调节可变支撑杆的长度来控制，面板的水平和铅直调整分别通过设置在下部刚体三角形的横梁和竖梁的水平和铅直调节装置来完成。

悬臂模板采用预埋爬升锥和槽钢立柱进行反拉固定，槽钢立柱根据倒悬控制线的要求进行布置（对应悬臂模板预留孔）。一般的工程经验是考虑间距以90 cm为原则，在拉筋受紧的状态下起到承重作用。每块模板可以设置采用若干内向反拉拉筋，拉筋与模板之间的连接用伞状预埋件配备调节拉杆施工，在浇筑的过程中可以随时对模板的变形予以调整，这样减小了拉筋在弹性变形中变形矢量，更起到了对模板在浇筑的过程中出现跑模现象的发生，满足施工规范要求。具体的悬臂模板施工工艺流程图见图1所示。

图1 悬臂模板施工工艺流程图

2 工程基本概况

2.1 工程难题

某地一水库排淤泄洪闸的闸室为双孔闸，该闸室的单孔净宽为8.0 m。原定的施工设计方案是在枯水期搭设钢管脚手架进行牛腿部位的施工。由于有关方面要求，考虑下游农田灌溉，必须在汛期前施工该部位工程。这一要求给施工带来了很大的难度，况且，那时的闸室段已施工，将浇至牛脚底（高程为149.938 m）。根据工程现况，以及相关业主的要求，必须保证在汛期闸室的牛腿能够继续施工，而且要安全度汛。

2.2 拟解决方案

为了加快施工进度，保证施工的安全和施工质量，针对牛腿的悬挑部分长度较长的实际情况，拟采用悬臂模板施工技术。牛腿外挑部分使用的模板是悬臂模板整体骨架，根据施工特点，对悬臂模板进行改造和组装。该施工方案是拟定在牛腿的下部（高程为149.300 m）预先埋置工字型钢，每个牛腿的底部预埋4根25#工字型钢，工字钢的悬挑1.35 m，预埋0.65m在闸墩里面，牛腿的纵向水平铺设2根12#槽钢，放置工字型钢上面，槽钢的间距为1.2 m，距离闸墩墙为0.1 m。

预埋牛腿前，注意在墩内用直径为25 mm的钢筋焊井字钢筋骨架，以便使得牛腿平稳放置墩内，预埋工字钢时，工字钢在墩内根部低于外露端部5 cm，使其工字钢向内微倾斜，中墩左右两侧预埋工字钢，在墩内用25 mm直径的钢筋水平焊接两侧工字钢，使它们连成一整体；左、右墩用钢筋焊接工字钢根部与该层混凝土主筋根部，焊接牢固。每根工字钢悬挑底部用钢管斜向支撑于墩侧混凝土，悬挑梁底部搭设钢管架竖向支撑，稳定工字钢，在闸室未到度汛期前可以一直使用，度汛期间便可拆除该部位的钢管架。

3 牛腿的施工计算分析

3.1 基本受力计算

不论施工方案如何，牛腿的施工计算还是应参照常规的计算。闸墩的牛腿一般分为柱牛腿和梁牛腿，本文中设计分析的是作为梁牛腿来处理的，而根据工程经验一般闸墩上的牛腿按短悬臂梁来考虑。参考相关计算手册，牛腿在半扇闸门水压力R的两个分力N和T的作用下（牛腿的布置，水压力方向基本上与N方向一致，是不能偏离过大），计算牛腿的受力钢筋。除此之外，还要根据需要验算牛腿与闸墩相接处的面积，从而进一步保证牛腿的安全。分力N和T对牛腿产生的弯矩、剪力和扭矩，现分别叙述如下。

闸墩的牛腿在弯矩M=NC作用下，所需配置的钢筋面积，可根据下列公式进行计算：

式中：C——支座的垂直分力N作用点至闸墩边的距离；

Rg——受拉钢筋的设计强度；

h0——牛腿的有效高度；

K——强度安全系数，按水工钢筋混凝土结构设计规范规定选用。

闸墩牛腿与闸墩相接处的主拉应力，按受弯拉构件来计算：

静水压力对闸门的推力为：

设φ0为与R水平面的夹角，则有8.82°，设α为闸墩牛腿受力轴线与水平面的夹角，则=18.4°，由几何关系可以知道，R与N的夹角 θ=α-φ0=18.4°-8.82°=9.58°

于是：

牛腿在弯矩M=NC作用下所需配置钢筋的面积：

式中：N——作用于牛腿支座的轴向力；

C——分力N作用点至闸墩边的距离，取为0.4 m；

h0——牛腿的有效高度；

Rg——钢筋屈服极限，Ⅱ级钢筋，取310N/mm2；

K——强度安全系数，取1.5。

解得：

从而选配 7Φ25和 6Φ28（A=7 131 mm2）。

牛腿与闸墩相交接处的截面尺寸，要符合下式抗裂条件：

式中：Q——接触面上的总剪力，Q=R，kN;

b——牛腿宽度；

Kf——抗裂安全系数，取为1.25；

Rl——混凝土抗拉强度，混凝土等级为C25，为130 N/mm2。

解得：

故牛腿与闸墩相接处的截面尺寸，满足抗裂要求。

牛腿在剪力和扭矩作用下（扭矩Mn=Ta，a=弧形门座高度+牛腿高之半）产生剪应力和主拉应力，当主拉应力超过混凝土的许可拉应力，需计算抗剪和抗扭钢筋。

受扭同时受弯时，主拉应力：

配置受力钢筋，但任何情况下，σzmax不宜超过Rf。

已知弧形门门座高度0.4 m，牛腿高度3 m，扭矩：

故需计算抗扭钢筋和弯起钢筋。

所需抗扭纵向钢筋及箍筋的数量可由下式确定：

式中：ak——每根纵向钢筋的面积，cm2；

sg——纵向钢筋间距，cm；

ak——每支钢箍面积，cm2；

bk、hk——钢箍所包围的核心混凝土的两边边长，cm；

s——钢箍间距，cm。

解得：

故钢箍配Φ10@300的钢筋。

在受扭且受弯的构件中，因为弯矩的作用，已在构件一边布置了抗弯纵向钢筋Ag，从而附加的抗扭纵向钢筋不在沿截面均匀布置，要将所需要的钢筋总面积集中布置在其它三个边上。抗扭钢筋总面积Agn按下式计算：

故配 6Φ18的钢筋（A=1 527mm2）。

3.2 施工安全的质量控制措施

该工程设计为悬臂模板施工，等到闸墩牛腿部位混凝土强度达到大于或者等于25 MPa就可以进行下一道工序的施工。这样一来便可以省去了在牛腿中需要安装和拆除大量桁架的常规施工。一般而言，悬臂模板在施工中只需按照正常的施工顺序和施工计划就可以满足了施工进度，降低了施工费用，大大地节约了工程成本，提高了工程进度，满足了大坝混凝土面外观质量和外观质量评定的要求。

本文工程中的闸墩牛腿的悬臂施工法施工在整个过程中要满足施工设计所规定的偏差要求，见表1所列。同时注意牛腿在悬臂模板施工的浇注的过程中的拉筋、立柱和锚锥要得到有效的保护，这样使得观测的结果达到设计允许偏差的要求。每次安装模板前要对悬臂模板的螺杆、螺帽、螺杆式支撑等易损部件进行详细的检查，也要对模板、螺杆、螺帽及其他配件应及时的维护和保养。

表1 模板允许偏差值一览表

4 结语

一般而言，模板工程不仅在水闸牛腿的施工中，而且在水工混凝土施工中都经常遇到。众所周知，水工混凝土施工中的模板工程费用比重大，可以占到混凝土总造价的25%～30%，就算是在无筋或者少筋的大体积混凝土工程中也约占 5%～15%。本文所谈论的悬臂模板克服了传统的模板型式的缺点，易于加工生产、操作方便灵活、安全系数高，周转使用次数多，提高了施工进度和施工质量要求，在机械化施工和减少劳动消耗上呈现了很大的优势。其在工程施工中并能努力提高和改进其工作和使用性能，确保工程的设计质量，推动工程的施工进度和设计观念的进一步提高。

牛腿是结构受力的薄弱环节，为保证闸墩牛腿结构设计安全，了解牛腿的受力特点从而正确地进行牛腿的设计计算显得尤为重要。笔者认为由于牛腿对于水闸的重要性，有条件的话，还可应用有限元分析法或模型试验的方法求得较为精确的内力分布情况，以保证这一薄弱部位具有足够的安全度。另外，上述牛腿在工民建工程中运用较多，其设计的理论依据也来源于工民建的规范，在水工中应用时，安全系数的取值略有不同。

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