钢筋混凝土拱模结构设计与应用

(江苏省水利建设工程有限公司，江苏 扬州 225002)

1 工程概况

新沂河整治工程海口控制枢纽中泓闸闸室基础为沉井基础，闸室底板为过流实用堰型式，闸室结构如图1所示。按照常规的施工方法在沉井终沉到位、井内土方回填密实稳定后，在沉井内搭设满堂脚手架进行底板钢筋混凝土施工，并在其上预留钢管、模板拆除运出孔洞，清出沉井内周转材料后，再封闭孔洞。由于浇筑的混凝土需在达到设计强度后，才能拆除底模，等强时间很长，工期损失也大，若底板同时施工所需的周转材料用量大。另外，如在底板施工过程中或混凝土成型后未达到一定强度时，沉井内回填土一旦发生沉降，底板混凝土极可能出现裂缝；加上工程底板施工时值夏季，气温较高，底板下通风和照明条件差，水化热积蓄导致气温高、闷热，施工作业环境差，存在安全隐患。

针对上述情况，工程施工打破常规施工方法，针对拱板具有厚度小、配筋少的特点，采用预制钢筋混凝土平板或拱形板作为闸室底板施工底模。

2 施工方案构想

第一节沉井制作下沉期间，同时进行钢筋混凝土拱板预制、等强施工；第二节沉井制作时，在沉井横隔墙上增设钢筋混凝土拱板支承台口，纵隔墙间增设横梁用于搁置拱板。拱形底板及支承布置如图2所示。

图2 拱形底板及支承布置

拱板与底板间间隙采用混凝土填充。

3 拱板结构设计

根据闸底板的结构图，在图纸上放样，选择拱板的结构。选择原则：拱板的种类尽可能少，便于工人施工，拱板与闸底板的轮廓尽可能吻合。经过反复筛选后，确定拱板的结构(见图3)。

图3 拱板结构(尺寸单位：mm)

3.1 正拱计算

正拱，拱板厚10cm，混凝土等级C25，计算宽度取1m。

3.1.1 荷载计算

恒载：闸底板混凝土自重g1=1.05×25×0.9×1=23.63kN/m；圆弧拱板混凝土自重g2=1.05×25×0.1×1=2.63kN/m；填充砂浆自重g3=1.05×23×0.1×1=2.42kN/m(简化为全跨均布荷载)；

活载：施工荷载g4=1.2×2.5=3kN/m；

总荷载：q=g1+g2+g3+g4=23.63+2.63+2.42+3=31.68kN/m。

3.1.2 内力计算

按双铰圆弧拱计算，拱高f=0.54m，跨长l=2m，矢跨比p=f/l=0.54/2=0.27。正拱内力计算如图4所示。

图4 正拱内力计算简图(单位：m)

跨中截面：弯矩Mmax=31.68×1-31.68×1×0.5-28.04×0.54=0.7kN·m，剪力V1=0；

支座边缘截面剪力Vmax=28.04×sin55°-31.68×sin35°=4.8kN。

3.1.3 配筋计算

保护层c取2cm，结构安全级别取为2级，r0=1.0，相应持久状况系数φ=1.0，

Vc=0.07fcbh0=0.07×12.50×1000×80=70kN>γdV=5.80kN，故无需配置箍筋。

为了防止施工过程中拱脚位置可能形成负弯矩，宜配置双层钢筋，面层配φ8@200受力筋，分布筋为φ8@300。

3.2 斜拱计算

拱板厚10cm，混凝土等级C25，计算宽度取1m。

3.2.1 荷载计算

恒载：闸底板混凝土自重g1=1.05×25×0.9×1=23.63kN/m；圆弧拱板混凝土自重g2=1.05×25×0.1×1=2.63kN/m；填充砂浆自重g3=1.05×23×0.20×1=4.83kN/m(简化为全跨均布荷载，按平均厚度20cm计算)。

活载：施工荷载g4=1.20×2.50=3kN/m；

总荷载:q=g1+g2+g3+g4=23.63+2.63+4.83+3=34.09kN/m。

3.2.2 内力计算

按双铰圆弧拱计算，拱高f=0.45m，跨长l=2.10m，矢跨比p=f/l=0.45/2.10=0.21。斜内力计算如图5所示。

图5 斜拱内力计算简图(单位：m)

将q分解为垂直于弦方向q1与平行于弦方向q2:

q1=qcos17.53°=34.09×cos17.53°=32.50kN/m

q2=qsin17.53°=34.09×sin17.53°=10.30kN/m

跨中截面：弯矩Mmax=34.04×1.05-31.68×1.05×0.53-38.67×0.45=0.30kN·m，剪力V1=0；

支座边缘截面剪力Vmax=38.67×sin43.85°-34.04×sin46.15°=2.20kN。

图6 q1内力计算简图(单位：m)

b.q2产生内力计算。q2内力计算如图7所示。水平推力H2=-0.71qf=-0.71×10.30×0.45=3.31kN；

水平推力H3=0.29qf=0.293×10.30×0.45=1.33kN；

跨中截面弯矩Mmax=0.50×1.05-1.33×0.45=-0.07kN·m，跨中截面剪力V=0；

图7 q2内力计算简图(单位：m)

支座边缘截面剪力Vmax=3.31×sin43.85°-0.50×sin46.15°=1.98kN。

综合q1、q2产生内弯矩、剪力，跨中截面弯矩Mmax=0.30-0.07=-0.23kN·m，支座边缘截面剪力Vmax=2.20+1.98=4.18kN。

c.配筋计算。保护层c取2cm，结构安全级别取为2级，r0=1.0，相应持久状况系数φ=1.0；M=r0φMmax=1×1×0.23=0.23kN·m，故按构造要求配筋:φ12@200，分布筋为φ8@300。

抗剪验算：V=r0φVmax=1×1×4.18=4.18kN；

Vc=0.07fcbh0=0.07×12.50×1000×80=70kN>γdV=1.20×4.18=5kN，故无需配置箍筋。

为了防止施工过程中拱脚位置可能形成负弯矩，宜配置双层钢筋，面层配φ8@200受力筋，分布筋为φ8@300。拱板配筋如图8所示。

图8 拱板配筋图

4 拱板施工方法

4.1 拱板预制

拱板在预制场内预制，模板为土模，采用挖掘机将土方堆成土梗碾压密实后，用经纬仪按拱板处于工作状态下形式确定拱脚位置线，并固定拱脚木模，再根据拱板底下弧线的形状加工定型样板修铲土梗多余土方，局部铺砂，两边端部夹定型样板。钢筋绑扎前在土模表面铺一层油毛毡，钢筋先在加工场内放样、加工，运到现场后绑扎。预制场架设拌和机，采用细石子拌制C30普通混凝土。混凝土浇筑时，由拱脚向拱顶进行，采用手持式平板振动器振动密实，采用根据施工图放样制作的各型号样板进行弧面收面刮平，浇筑完成后覆盖洒水养护。

4.2 堆放

预制完成的微弯板在14天后，竖直搁置码堆，堆高1层，支承牢固。

4.3 安装

预制场内采用装载机配1t翻斗车运输，现场采用25t汽车吊在上游护坦起吊，座浆(M10水泥砂浆)安装。

4.4 填充混凝土

钢筋混凝土预制圆弧板安装完成后，进行四周接缝砂浆镶嵌密实，填充板脚部位的混凝土，确保板受压不变形，保证钢筋混凝土施工堰顶板成型符合设计要求。

5 施工效果

采用圆弧钢筋混凝土拱板闸底板底模，可以避免沉井内300t钢管脚手架的搭设、拆除和1500m2模板的安装、拆除，降低施工强度；避免了恶劣环境下负高空作业，减少安全隐患；节省大量的周转材料；加快了闸底板施工进度，确保底板的施工质量和工期目标的实现，经济效益显著。