塔式支撑架在锦屏一级水电站导流底孔顶板施工中的应用

韦 宁

(中国葛洲坝集团股份有限公司，武汉，430033)

塔式支撑架在锦屏一级水电站导流底孔顶板施工中的应用

韦 宁

(中国葛洲坝集团股份有限公司，武汉，430033)

导流底孔整个结构轮廓曲线均为过流面，混凝土表面平整度要求高，承重结构复杂，导流底孔混凝土施工是水利水电工程施工中的一大技术难题。导流底孔顶板混凝土的承重支撑结构采用塔式支撑结构，较好地解决了上述问题，较大地提高了施工效率。

导流底孔顶板 混凝土 塔式支撑架 施工方法

1 工程概况

锦屏一级水电站大坝坝身设置5个导流底孔，导流底孔进口底板高程为1700m，顶板高程为1711m，上游底板进水段为59°圆弧，半径R=3.5m，进口段顶板断面形式为椭圆线，方程为x2/11002+y2/3502=1；进口段左右两侧为R=2.8m的1/4圆弧段，孔身段断面尺寸为11m×5m(高×宽)；出口尺寸为9m×5m(高×宽)。导流底孔在上游设置平面滑动封堵闸门，下游设置直支臂工作弧门。3#～5#导流底孔，除沿轴线方向长度有变化外，其结构基本形势一致。

2 承重支撑结构型式选择

据前期招标合同文件，在正常施工工期的情况下导流底孔进口段将采用满堂脚手架支撑型式；洞身段、出口段采用在洞身两侧预埋工字钢和孔中设四管柱作为顶板承重桁架模板的支撑型式。该支撑结构型式优点：成本低，构架型式和尺寸灵活，适合正常工期使用。缺点：材料使用量、架设工作量及劳动强度都非常大且整体稳定性稍差。

因本工程前期受到其它因素影响，导致现场实际开工时间推迟，在赶工发电的背景下，如何选择合理的施工手段及施工方法，对整个大坝施工进度和浇筑质量的控制显得十分关键。特别是特殊部位的混凝土施工，考虑到导流底孔底板与顶板结构空间高度变化较大，顶板上方混凝土浇筑层厚最大达到1.7m，施工时混凝土方量和承重模板厚度大，所以承重支撑结构型式选择尤其重要。根据比较(见表1)，在保证施工质量前提下，为缩短导流底孔顶板混凝土施工周期，本工程采用塔式支撑架。塔架布置见图1。

表1 塔式支撑架与其它结构型式比较

图1 导流底孔顶板塔架布置

3 支撑塔架结构计算

3.1 孔身段塔架结构计算

3.1.1 孔身段荷载计算

混凝土计算长度L1=5.0÷2=2.5m，宽度B1=1.524+0.546=2.07m，浇筑厚度H1=1.5m。则：

A1=L1×B1=2.5×2.07=5.175m2

(1)模板自重W=2.1kN；

(2)新浇钢筋混凝土自重(含埋件)194.1kN；

(3)施工人员及设备荷载标准值q1=1.0kN/m2，Q1=5.175kN；振捣混凝土时对水平模板产生荷载标准值q2=2.0kN/m2，Q2=q2A1=10.35kN；荷载设计值N1=257.2kN；

(4)截面性质：塔架主肢为Q345钢管(φ60×3.5)，缀条为Q235钢管(φ48×3.5、φ33×2.75)，组合截面中心长度1524mm，宽度1524mm；钢套管截面面积A=621mm2。套管惯性矩Ix=248913mm4，回转半径ix1=20mm，插件直径为d2=52mm，相应的插件惯性矩Ix1=417500mm4。故组合截面面积AZ=2484mm2，组合截面惯性矩IxZ=1443895615mm4，组合截面回转半径ixZ=762mm，缀条面积Ax′=531.4mm2，Ix′=31651mm4；

(5)整体稳定性：塔架高度h=10.8m，n=Ix1/Ix=1.68，长度换算系数μ=[(1+n)/2]1/2=1.16，计算长度Iox=μh=12.53m，钢管支柱的长细比λ=Iox/ix=16.4，塔架的长细比λox=(λ2+40AZ/Ax′)1/2=21.4，Q345钢b类截面轴心受压构件的稳定系数φ=0.948，Q345钢抗压设计值f=300N/mm2，σ=N1/(φAZ)=109N/mm2

3.1.2 受力最大钢管立柱的荷载计算

取孔身段受力最大的钢管立柱进行计算。混凝土计算长度L2=1.524÷2+0.9÷2=1.212m，宽度B2=1.524÷2+0.546÷2=1.035m，浇筑厚度H1=1.5m。则：

A2=L2×B2=1.212×1.035=1.25m2

(1)模板自重W=0.97kN；

(2)新浇钢筋混凝土自重(含埋件)46.88kN；

(3)施工人员及设备荷载标准值q1=1.0kN/m2，Q1=q1A2=1.25kN；

(4)振捣混凝土时对水平模板产生荷载标准值q2=2.0kN/m2，Q2=q2A2=2×1.25=2.5kN；荷载设计值N2=62.67kN；

(5)截面性质：塔架主肢为Q345钢管(φ60×3.5)，钢套管截面面积A=621mm2。套管惯性矩Ix1=248913mm4，回转半径ix=20mm，插件直径为d2=52mm，相应的插件惯性矩Ix2=417500mm4；

(6)局部稳定性：单肢Q345钢管(φ60×3.5)，计算高度1.8m，长度换算系数μ=1，计算长度Iox=μh=1.8m，钢管支柱的长细比λ=Iox/ix=90，Q345钢a类截面轴心受压构件的稳定系数φ=0.570，σ=N2/(φA)=177N/mm2

3.2 进口段塔架结构计算

3.2.1 进口段荷载计算

取进口段10m范围内，浇筑厚度1.7m，计算荷载。

混凝土计算长度L3=5.0÷2=2.5m，宽度B3=1.524+0.546=2.07m，浇筑厚度H2=1.7m。则：

A3=L3×B3=2.5×2.07=5.175m2

(1)模板自重W=2.1kN；

(2)新浇钢筋混凝土自重(含埋件)219.9kN；

(3)施工人员及设备荷载标准值q1=1.0kN/m2，Q1=q1A3=5.175kN；

(4)振捣混凝土时对水平模板产生荷载标准值q2=2.0kN/m2，Q2=10.35kN；荷载设计值N3=288.1kN；

(5)整体稳定性：截面性质与洞身段相同。塔架高度h=11.5m，n=1.68，长度换算系数μ=1.16，计算长度Iox=μh=13.34m，钢管支柱的长细比λ=Iox/ix=17.5，塔架的长细比λox=(λ2+40AZ/Ax′)1/2=22.2，Q345钢b类截面轴心受压构件的稳定系数φ=0.943，σ=N3/(φAZ)=123N/mm2

3.2.2 受力最大钢管立柱的荷载计算

取孔身段受力最大的钢管立柱进行计算。混凝土计算长度L4=1.524÷2+0.9÷2=1.212m，宽度B4=1.524÷2+0.546÷2=1.035m，浇筑厚度H2=1.7m。则：

A4=L4×B4=1.212×1.035=1.25m2

(1)模板自重W(含组合钢模板+15mm厚胶合板+[12.6槽钢次梁+工14工字钢主梁)0.97kN；

(2)新浇钢筋混凝土自重(含埋件)53.1kN；

(3)施工人员及设备荷载标准值q1=1.0kN/m2，Q1=q1A4=1.25kN；

(4)振捣混凝土时对水平模板产生荷载标准值q2=2.0kN/m2，Q2=q2A4=2.5kN；荷载设计值N4=70.1kN；

(5)局部稳定性：单肢Q345钢管(φ60×3.5)，计算高度1.8m，长度系数μ=1，计算长度Iox=μh=1.8m，钢管支柱的长细比λ=Iox/ix=90，Q345钢a类截面轴心受压构件的稳定系数φ=0.570，σ=N4/(φA)=198N/mm2

4 塔式支撑架承载力试验

通过对塔式支撑架的静力荷载试验，检验塔式支撑架在进行组合以后其整体稳定性、强度、刚度是否满足实际施工的要求。以设计承压荷载24t的48%、92%、136%、158%分四级进行加载，分别为11.48t、22.12t、32.83t，37.98t。通过试验，得出以下结论：

(1)两套180塔式支撑架进行组合，其4根Q345钢管立柱经过四级加载后，轴心受压最大变形量为4mm，满足承载要求；

(2)钢管立柱在四级加载时无明显变形；

(3)通过采取增加塔架与塔架之间的连接杆件及剪刀撑的方式，保证整体塔式支撑架稳定后，塔式支撑架承载力可达到37.9t，单根立柱承载力可达到9.4t。根据导流底孔顶板浇筑混凝土分层，洞身段混凝土厚度为1.5m，塔式支撑架承载力需达25.72t，单根立柱承载力为6.3t；进口椭圆段混凝土厚度为1.7m，塔架承载力需达到28.81t，单根立柱承载力为7t。本次塔式支撑架承载力37.9t，远大于28.81t，满足要求，现场可以按设计分层进行施工。

5 塔式支撑架施工方法

导流底孔底板浇筑至1700m高程且混凝土强度达到后，开始在底板上搭设顶板塔式支撑架，塔架采用16t吊车整体吊装，以保证整个施工及安装进度。塔式支撑架安装步骤：

(1)安装塔架底座，可调底座应安装在底板混凝土面上，调平底座；

(2)安装基本框架、水平拉杆及斜拉杆；

(3)在安装处的圆钢上插上开口销；

(4)安装水平剪刀撑，然后在安装处的圆钢上插上开口销，完成水平剪撑标准塔架装配；

(5)用连接器连接下一级框架，下一级标准框架相对上一级旋转90°；

(6)按照导流底孔塔架布局图进行塔架拼装到位后，安装可调顶托，完成塔架的安装(塔架安装过程中必须保证框架之间竖向轴线累计偏差<5mm)；

(7)搭设完毕后在顶部铺设14#工字钢主梁及12.6#槽钢次梁，主梁间距为1.524m，次梁间距为0.75m；

(8)经测量验收后在次梁上铺设5cm厚平面钢模板，为防止过流面留有钢模板的锈蚀痕迹，在钢模板上再敷设1.5cm厚胶合板，进水口椭圆段采用木桁架结构。

上述工作全部完成后，进行联合验收，验收合格后方可进行顶板混凝土浇筑施工。施工过程中，吊罐要缓慢下降，严禁吊罐直接撞击模板、承重平台及塔式支撑架。严格控制吊罐下料高度不大于0.5m，防止混凝土瞬间冲击力过大，影响塔式支撑架整体稳定性。施工人员在混凝土施工过程中还应时刻注意顶板塔式支撑架、模板在受力后的变形情况。

6 结语

锦屏一级水电站大坝右岸导流底孔顶板采用塔式支撑架，如采用其它支撑架系统投入到本工程赶工施工中，将面临成本增加、劳动强度加大、预埋件预埋精度要求严格且不能与侧墙混凝土施工分开进行，施工周期长等一系列问题，故锦屏一级水电站大坝右岸导流底孔顶板采用塔式支撑架，具有承载力大，施工速度快，缩短施工周期，支撑体系可靠等优点，对其它工程具有借鉴意义。

韦 宁(1982.09-)，男，广西桂林人，大学本科学历，工程师，现任中国葛洲坝集团股份有限公司PPP项目管理部副处长，主要从事项目管理和水利水电工程技术管理。

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