周红祖,曾 强,李林山
(中国水利水电第七工程局有限公司,四川成都 610081)
白鹤滩水电站左岸2#、3#导流洞进口渐变段各长30m,桩号K0+0~K0+30。进口渐变段底板及边顶拱衬砌厚度为250cm;设计最大净空27 m(不包括超挖),平均超挖约0.3m,局部因地质原因超挖约1.5m。边顶拱模板采用 P1015、P3015钢模组合而成,模板采用内拉外撑的方式固定;内拉丝杆采用φ14钢筋与系统锚杆连接,内拉丝杆的间排距为0.7m×0.75m;纵、横向围檩采用φ48,壁厚3.6mm的钢管架设。考虑到左岸2#、3#导流洞进口闸门井十字排架还未全部拆除,进水口基坑存在部分施工,围堰内侧减薄施工将在渐变段浇筑阶段启动等工作需要从洞内通车,因此,进口渐变段承重脚手架必须设计成穿行式。
本工程考虑到施工工期、质量和安全要求,在承重脚手架搭设时,应遵循以下原则:
(1)架体的结构设计力求做到结构要安全可靠,造价经济合理。
(2)在规定的条件下和规定的使用期限内,能够充分满足预期的安全性和耐久性。
(3)选用材料时,力求做到常见通用、可周转利用,便于保养维修。
(4)结构选型时,力求做到受力明确,构造措施到位,升降搭拆方便,便于检查验收。
(5)承重脚手架的搭设必须符合《建筑施工扣件式钢管承重脚手架安全技术规范》(JGJ 130—2011)标准要求。
满堂承重脚手架使用φ48,壁厚3.5mm的钢管进行搭设。搭设形式:进口渐变段顶拱混凝土设计厚度为2.5m,超挖约0.3m,局部因地质原因超挖约1.5m。
(1)横向间距 (m):0.6;
(2)纵距(m):0.75;
(3)步距(m):0.9;
(4)承重脚手架搭设高度(m):22;
(5)采用的钢管(mm):φ48×3.5;其截面特性如下:截面积 A=4.89cm2,惯性矩 I=12.19 cm4,抗弯截面模量W=5.08cm3,回 转 半 径i=1.58cm,单位重量为3.841kg/m。弹性模量E=2.06×105N/mm2,抗弯、抗压强度设计值 f=205 N/mm2;
(6)扣件连接方式:双扣件;扣件抗滑承载力系数:0.8;
(7)模板支撑方式:φ48,壁厚3.5mm的钢管支撑,托架传递;
(8)穿行式过车门洞净空尺寸为4m×4.7m(宽×高)。
排架基础通过10#槽钢座落在混凝土面上,过车门洞通过增加斜支撑加固门洞,以保证其整体的稳定性。渐变段浇筑顶拱前必须采用φ48,壁厚3.6mm的钢管将预留门洞满堂支撑,以保证顶拱浇筑时的安全(图1)。
图1 承重脚手架设计示意图
表1 荷载参数表
(1)模板自重(kN/m2):0.196;(2)架管自重(kN/m2):0.393;
(3)混凝土与钢筋自重(kN/m3):25;
(4)最不利位置(拱肩线以上)混凝土厚度=5.942 × cos46.814°=3.931(m);
(5)施工均布荷载标准值(kN/m2):2。
拉杆屈服强度σ=235MPa
拉杆直径φ=14mm
以单根拉杆控制范围作为一个计算单元(图2)。
单元内荷载:
混凝土自重 P1=25×3.931×0.75 ×0.7=44.224(kN)。
图2 拉杆受力计算单元示意图
模板自重 P2=0.196 ×0.75 ×0.7=0.103(kN)。
横向水平杆按照简支梁进行强度和挠度计算。
4.1.1 计算简图
计算简图见图3。
图3 横向水平杆计算简图
4.1.2 荷载值计算
横向水平杆的自重标准值q1=0.393kN/m;
脚手板的荷载标准值q2=0.35×0.75=0.2625(kN/m);
钢筋混凝土自重 q3=25×0.75×3.931=73.706(kN/m);
模板自重荷载 q4=0.196 ×0.75=0.147(kN/m);
活荷载标准值 q5=2.5 ×0.75=1.875(kN/m)。
按排架承受混凝土和模板荷载的20%计算,横向水平杆上的线荷载标准值:
qk=0.393+0.2625+(73.706+0.147)×20%-1.875=17.3011(kN/m);
横向水平杆上的线荷载设计值:
q=1.2 × {0.393+0.2625+(73.706+0.147)×20%}+1.4 ×1.875=21.136(kN/m);
4.1.3 强度计算
最大弯距计算:,满足要求。
4.1.4 挠度计算
最大挠度计算:,满足要求。
纵向水平杆按照三跨连续梁进行强度和挠度计算,横向水平杆在纵向水平杆的上面。
4.2.1 计算简图
计算简图见图4。
图4 纵向水平杆计算简图
4.2.2 荷载值计算
横向水平杆的自重标准值q1=0.393kN/m;
脚手板的荷载标准值q2=0.35×0.75=0.2625(kN/m);
活荷载标准值 qs=2.5 ×0.75=1.875(kN/m);
荷载设计值 q=(0.393-0.35 ×0.6)×1.2+2.5 ×0.6 ×1.4=2.8236(kN/m)。
由横向水平杆传给纵向水平杆的集中力设计值:
4.2.3 强度计算)(中间支座处),满足要求。
4.2.4 挠度计算(端跨中)(二者取较大值)
按照最大弯矩计算大横杆的抗弯强度:),满足设计要求。
纵向或横向水平杆与立杆连接时,扣件的抗滑承载力应满足:R≤Rc
式中 R为纵向或横向水平杆传给立杆的竖向作用力设计值;Rc为扣件抗滑承载力设计值,取8kN。
R=4.308kN≤Rc=8kN,扣件抗滑承载力设计计算结果满足要求。
由于立杆除承受竖直的轴向压力外,还要承受可能存在的施工偏心荷载产生的弯矩,属于压弯构件,其承载力应按稳定性进行验算。作用于承重脚手架的荷载包括恒荷载、活荷载。
4.4.1 恒荷载计算
(1)立杆自重产生的轴向力标准值:
(2)脚手板自重产生的轴向力标准值(脚手板支护一层、铺设一层):
(3)栏杆与挡脚板自重产生的轴向标准值:
(4)吊挂的安全设施荷载,包括安全网:
(5)杆件传递的荷载:
构配件自重产生的轴向力标准值:
静荷载标准值:
4.4.2 活荷载计算
活荷载为施工荷载标准值产生的轴向力总和,内外立杆各按一纵距内施工荷载总和的1/2取值。
4.4.3 立杆的轴向压力设计值
混凝土侧压力分布情况见图5。式中 l0为计算长度;i为回转半径,取值为1.58 cm。
计算长度 l0=kμh
式中 k为立杆长度附加系数,取值为1.191;μ为计算长度系数,取值为1.422。
故
λ =152.4/1.58=96.5,查附录 A.0.6 表得稳定系数:f=0.618。
所以
图5 混凝土侧压力示意图
混凝土侧压力值:
式中 P为混凝土侧压力;γc为混凝土容重;h为混凝土侧压力计算高度(考虑混凝土的初凝,当浇筑高度达到h时,最下方混凝土已经初凝,不再对侧向模板产生压力,故只分析高度为h时的混凝土侧压力)。
图6 混凝土侧压力示意图
侧压力最不利的位置位于最下方一块模板,拉杆按照受力控制高度0.7m计算。受力简图见图6。
单元模板受力 F=0.75q
式中 F为拉杆屈服强度,为235MPa;S为拉杆截面面积。
根据白鹤滩商品混凝土的配合比参数,实验确定低热水泥混凝土初凝时间约为8h,计算侧压力时需要考虑混凝土浇筑上升的速度及分层高度。
(1)当混凝土浇筑上升的速度大于0.55m/h时,侧压力受力高度按h=4.5m计算。
底部模板受力 F=54.688(kN)
拉杆受力按照80%,排架受力按照20%计算,
则拉杆受力 F=54.688 ×80%=43.575(kN)≥[F]=36.157kN
拉杆不满足受力要求。
排架按承受20%力计算:
F=54.688 ×20%=10.938(kN)
(2)当混凝土浇筑上升的速度大于0.5m/h时,侧压力受力高度按h=4m计算。
底部模板受力 F=49.906(kN)
同上步骤可得拉杆受力:
F=49.906 ×80%=38.325(kN)≥[F]=36.157kN,不满足要求。
排架满足要求。
(3)当混凝土浇筑上升的速度大于0.45m/h时,侧压力受力高度按h=3.5m计算。
底部模板受力 F=41.344(kN)
同上步骤可得拉杆受力:
F=41.344 ×80%=33.075(kN)≤[F]=36.157kN,满足要求。
故排架满足要求。
综上所述,拉杆受力按照80%、排架受力按照20%计算时,侧压力受力高度按h=3.5m计算,二者均可满足设计要求。但是,排架受力按照20%计算偏保守,所以拟重新分配拉杆及排架受力情况。
(4)拉杆受力按照70%、排架受力按照30%计算。
①侧压力受力高度按h=4.5m计算。
底部模板受力 F=54.688(kN)。
同上步骤可得拉杆受力:
F=54.688 ×70%=38.281(kN)≥[F]=36.157kN,不满足受力要求。
②侧压力受力高度按h=4m计算。
底部模板受力 F=49.906(kN)。
同上步骤可得拉杆受力:
F=49.906 ×70%=34.934(kN)≤[F]=36.157kN,满足要求。
综上所述,拉杆受力按照70%、排架受力按照30%计算时,侧压力受力高度按h=4m计算,二者均可满足设计要求。为了保证施工安全,笔者建议侧压力受力高度取h=3.5m进行计算,即在实际施工中,需要严格控制混凝土浇筑上升的速度大于 0.45m/h。
白鹤滩左岸导流洞进口渐变段混凝土工期紧张,在实际施工过程中,按照本文计算的建议值进行控制,未出现安全事故及异常现象,工程已于2014年2月施工完成。但是,经过总结分析,在建议方案的基础上,拉杆可加大受力分配值,排架可减少受力分配值,从而可调整排架基本设计参数,可使方案更加经济合理。
[1] 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范,JGJ130—2011[S].