泄洪洞进水塔大跨度异形胸墙高承重体系设计

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概况

图1 进水塔768m～787m高程纵剖面(塔体中轴线)三维示意

2 十字盘脚手架+型钢平台+普通钢管组合支撑体系优势

塔体胸墙混凝土浇筑是塔体浇筑工程的重点、难点工作，胸墙能否顺利浇筑制约着整个塔体浇筑工程的进展。设计一种既安全可靠，又方便快捷，同时，成本低廉的胸墙承重排架体系，在塔体浇筑工程的安全、质量、进度、效益等方面起到至关重要的作用。

目前的胸墙浇筑施工往往选用普通φ48钢管搭设满堂支撑架。因支撑架承受的上部荷载较大，排架搭设时横距、纵距、步距较小，使用的钢管、扣件工程量很大，搭设、拆除用时较多，且架管密集搭拆施工难度较高。选用十字盘脚手架+型钢平台+普通钢管作为支撑体系，普通架管材质为Q235，架管直径48mm，为保证能够承受2m厚混凝土重力，一般架管间距控制在60cm左右，而十字盘脚手架立杆材质为Q345，直径70mm，具有高承载力特性，承受2m厚度混凝土重力，间距可调大至1.5m，因此，十字盘脚手架能大大缩短排架搭设拆除时间、降低施工难度、节省材料。近几年出现采用十字盘脚手架或盘扣式脚手架配合定制型钢桁架作为胸墙浇筑的承重体系，这种形式的设计定型桁架需要大量的钢材，且再利用的价值很低。若塔体浇筑分层分块或塔体结构调整，型钢桁架还没使用就需要改造甚至废掉重新加工制作，造成大量钢材浪费和施工工期的延长。选用十字盘脚手架+型钢平台+普通钢管作为支撑体系，利用普通φ48钢管代替了型钢桁架支撑顶部模板，大大降低了钢材的使用量。φ48钢管搭拆灵活不受体型调整制约，且架管拆除后可重复使用。型钢平台使用的型钢不需进行焊接、弯折等加工，拆除后可再回收利用价值高。十字盘脚手架+型钢平台+普通钢管承重体系的设计不仅施工方便、搭拆用时短、材料可回收利用率高，更大大节约了施工成本。

3 十字盘脚手架+型钢平台+普通钢管支撑体系设计

3.1 支撑体系设计

泄洪洞进水塔胸墙模板支撑体系由三部分组成。第一部分为770m～781m高程φ70系列十字盘脚手架，第二部分为十字盘脚手架顶部型钢平台，第三部分为平台以上普通钢管满堂架及防侧移拉筋、斜撑。模板支撑体系如图2、图3所示。

图2 进水塔胸墙浇筑支撑体系剖面示意

图3 进水塔胸墙浇筑支撑体系三维示意

3.2 十字盘脚手架设计参数

770m～781m高程采用φ70系列十字盘脚手架，十字盘脚手架立柱橫距纵距为1200mm×1500mm。φ70系列十字盘脚手架主要由以下构件组成：横杆、可调顶托、外套管立杆、斜杆、立杆连接销、可调底座。其中立杆材料为Q345B，其它杆件材料为Q235。十字盘脚手架为满堂支撑架，搭设桩号范围为k0+044.7m～k0+025.2m。搭设高度为770m～781m高程段(顶托高程为781m)。

3.3 普通钢管满堂架设计参数

平台上部搭设φ48普通钢架管承重排架，排架橫距纵距步距为0.6m×0.75m×0.75m。承重排架立杆顶部均设置可调顶托，顶托顶紧模板背楞。对于模板倾斜度较大的部位利用双φ48钢管作为模板背楞，同时支撑架每根立杆附近均增加垂直模板的斜杆支撑。模板倾斜度小的部位模板背楞采用100mm×50mm×3mm的方钢，承重排架立杆顶托与方钢间垫梯形松杉木块，木块上表面与方钢管表面完全贴合。普通钢架管承重排架详图见图4、图5。

3.4 胸墙模板防侧移措施设计

进水塔流道胸墙模板曲率较大，新浇筑的混凝土对模板会产生一定的侧压力。为抵消这部分侧压力采取双重保障措施，一是在曲率较大的模板底部利用垂直于模板面的钢管做斜撑，每一根斜撑钢管均通过扣件与至少三排立杆扣接；二是在已浇筑混凝土里预埋拉筋，拉筋穿过胸墙最外侧模板通过拉筋来承受混凝土对模板的侧压力。

图4 φ48承重排架设计示意

图5 立杆顶托与模板背楞连接方式示意

最外侧模每块模板均使用φ18拉筋拉紧。

3.5 支撑体系强度计算

3.5.1 设计计算指标采用值

(1)Q235钢材物理性能指标：弹性模量E=206000N/mm2；质量密度ρ=7850kg/m3；抗拉、抗压、抗弯f=205N/mm2；抗剪fv=125N/mm2。

(2)受压构件容许长细比：[λ]=150。

(3)混凝土最大浇筑层厚2.0m。

(4)设计荷载：计算模板、支架时，应考虑下列荷载。

①模板、支架自重：模板自重为1.2kN/m2，支架自重为0.3kN/m3。

②新浇筑混凝土容重24kN/m3、钢筋一般取1.1kN/m3～1.5kN/m3，本次计算中钢筋混凝土的容重取26kN/m3。

③施工人员和施工材料、机具等行走运输或堆放的荷载：计算模板及支撑模板的小楞时，均布荷载取2.5kN/m2；计算支架时，均布荷载取1.0kN/m2。振捣混凝土时产生的荷载(作用范围在有效压头高度之内)对水平面模板取2.0kN/m2。

荷载分项系数：模板及其支架自重荷载、新浇钢筋混凝土自重荷载分项系数1.2，施工人员及施工设备荷载、振捣混凝土时产生的荷载分项系数为1.4。

3.5.2 钢管支撑架计算

(1)支撑架立杆竖向荷载计算

钢管支撑立杆横向布置间距为600mm，纵向布置间距为750mm，则作用在立杆上的荷载：N=0.6×0.75×(1.2×(26×2.0+1.2+0.22×5)+1.4×(1.0+2.0))=31.21kN。

(2)受压杆件稳定验算

[N]=φAf

式中：φ——轴心受压构件稳定系数，应根据长细比λ取值；

l0——计算长度，l0=ku(h+2a)；

i——立杆截面回转半径；

h——步距；

a——立杆伸出顶层水平杆中心线至支撑点的长度；

A——截面积。

经查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》附录并通过计算得：[N]=φAf=0.537×506×205÷1000=55.7kN>31.49kN。

故立杆承载力满足要求。

3.5.3 防侧移措施斜杆及拉筋计算

(1)拉筋计算

查《混凝土结构工程施工规范》(GB 50666-2011)附录A可知模板的最大侧压力计算公式为：

F=0.43γcToβν0.25

F=γcH

式中：F——新浇筑混凝土对模板最大侧压力(kN/m2)；

γc——混凝土重力密度(kN/m3)；

To——新浇混凝土的初凝时间(h)；

β——混凝土塌落度影响修正系数；当塌落度50mm～90mm时，β取值0.85；

H——混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土的顶面的总高度(m)；

v——混凝土浇筑高度(厚度)与浇筑时间的比值，即浇筑速度(m/h)。

混凝土侧压力计算按照两者较小值为准。

混凝土在浇筑过程中坯层宽度2.5m，厚度0.5m，坯层长度=6.5+12×0.25+15=24.5m，混凝土浇筑方量=2.5m×24.5m×0.5m=30.6m3，混凝土上升速度=0.5m÷(30.6m3÷36m3/h)=0.59m/h。则：

F=0.43×24kN/m3×4h×0.85×0.590.25=30.75kN/m2；F=24kN/m3×1.5m=36kN/m2。

根据规范要求，F取值为30.75kN/m2。

若混凝土插筋每块模板(1.5m×1.5m)布设一根φ18mm拉筋，则单根拉筋承受的拉力P1=F×A=30.75×1.5×1.5=69.2kN。

单根φ18mm拉筋抗拉强度设计值P2=3.14×9×9×360÷1000=91.56kN。

因P1小于P2，故每块模板设置一根拉筋满足强度要求。

(2)斜撑受力计算

由上述计算知模板侧压力F=30.75kN/m2，斜撑布置间距为0.6m×0.75m。

单根斜杆承受的侧压力P=30.75×0.6×0.75=13.84kN。

每根斜杆至少与三根立杆通过扣件扣接，则单个扣件受力f=13.84÷3=4.6kN<8kN，满足强度要求。

3.5.4 十字盘脚手架计算

(1)立杆承载力计算

立杆φ70×3.5：截面面积A=731.2mm2，惯性矩I=40.531×104mm4，回转半径i=23.54mm，抗弯截面模量W=11.58×103mm3。

材料Q345：抗拉、压、弯强度设计值f=310N/mm2，抗剪强度设计值fv=180N/mm2。

上部荷载为集中荷载，按照最不利荷载进行计算，则：

Nmax=1.2×1.5×(1.2×(26×2.0+1.2+0.22×5)+1.4×(1.0+2.0))=124.85kN

(2)强度计算

立杆的截面一般没有削弱，强度不是它的控制条件，因此，不需验算强度。

(3)稳定计算

组合风荷载时，采用以下公式计算：

h——脚手架单根立杆的长度，此处为1.5m；

qwk——线风荷载标准值，对于敞开式脚手架立杆，取qwk=Wk·d；对于封闭式、半封闭式脚手架立杆，取qwk=Wk·a。此处按敞开式计算；

d、a——立杆外径与立杆纵距；

φ——轴心受压杆件的稳定系数，由立杆的长细比查得。

风速取最大允许风速29m/s，风力等级大于9级。考虑到杆件迎风面受压和背风面受吸，取1.5的系数。

则风压标准值：

Wk=1.5×V2/1600=1.5×292/1600=0.789kN/m2。

风线荷载标准值：

qwk=Wk·d=0.789×0.07=0.055kN/m。

则风荷载产生的弯矩：

μ为立杆计算长度系数，立杆按两端固接，则此值为0.65。

根据λ=41.42，焊接圆管属于b类截面，查得φ=0.880。

圆管的极限承载力由压杆失稳控制时，其破坏特征属于脆性破坏特征。因此，当圆管的长细比小于100时，稳定计算中，强度设计值乘以0.9的折减系数。得竖杆所能承受的最大轴向荷载为：

178kN>Nmax=124.85kN

即十字盘脚手架立杆的承载能力满足要求。

(4)水平杆配件的承载力计算

水平杆φ48×3.0：截面面积A=424.1mm2，惯性矩I=10.783×104mm4，抗弯截面模量W=8.985×103mm3，回转半径i=15.94mm。

杆件材料Q235：抗拉、压、弯强度设计值f=215N/mm2，抗剪强度设计值fv=125N/mm2。

①水平杆配件的抗弯强度计算：

可得水平杆可承受的最大弯矩Mmax=W·f=8.985×103×215=1.93×106N·mm=1.96kN·m。

水平杆规格为最大长度1.5m，经计算1.5m长水平杆在满足强度要求下，可承受的最大水平线荷载为6.9kN/m。

②水平杆配件的变形计算：

ωmax≤[ω]

[ω]=l/400

杆件跨中最大挠度ω=(5ql4)/384EI，E=206GPa。

经计算1.5m长水平杆在满足变形要求下，可承受的最大水平线荷载为1.3kN/m。

根据抗弯强度和变形计算结果，q选取两者中较小值，施工中，考虑作用在水平杆上的施工荷载不超过0.7kN/m，故水平杆满足受力与变形要求。

4 支撑架搭设技术要求

4.1 十字盘脚手架搭设技术要求

4.1.1 搭设工艺流程

支撑架基础清理、验收→施工测量定位→安装可调底座调至设计高度→安装立杆、横杆→安装扫地杆→安装斜杆→水平尺校正水平和垂直→安装上一步立杆、横杆→安装斜杆→施工测量定位→安装可调顶托，调至同一高度。

4.1.2 搭设要求

(1)支撑架搭设和拆除时，操作人员应持证上岗，操作人员和施工人员应经过架体技术培训和技术交底；

(2)支撑架基础经验收合格允许使用后，严格按照十字盘脚手架立杆布置图确定立杆底座位置。立杆底座不得与混凝土表面直接接触，底座与混凝土表面间垫设30cm×30cm厚2cm的木板，以防止底座破坏混凝土表面；

(3)基础高低差较大时，利用可调底座进行找平。安排专人负责立杆底部整体找平，确保立杆根部与地基持力层顶压牢固；

(4)搭设时按照模板支撑架平面布置图放线，确定底座位置，然后按放线位置准确地确立摆放立杆的位置，将扫地杆，第一步横杆锁定在立杆上，保持其稳定；再用水平尺或水平仪调整水平和垂直，检验合格后再进行上部标准层架体的搭设。在施工中随着架体的升高随时检查和校正架体的垂直度；

(5)每根横杆、斜杆安装后，应随时将插销紧固好；

(6)每一步搭设完成后，十字盘脚手架两侧应利用φ48钢管水平支撑在进水塔两侧边墩上，限制十字盘脚手架侧向位移。φ48钢管至少与十字盘脚手架上两排横杆连接；

(7)在搭设支撑架过程中不得随意改变原设计、减少材料使用量、配件使用量或卸载。现场确实需要改变搭设方式或使用功能时，必须经项目总工或支撑架设计人员签字同意后方可更改；

(8)立柱中心点桩号为k0+040.2m的一排架体立柱下方，由于空间有限无法使用底座，改为在立杆底部铺垫[10槽钢，槽钢底部应平整；

(9)十字盘脚手架顶托高度控制在781m高程，所有顶托高程必须保持一致。

4.2 普通钢架管搭设技术要求

4.2.1 脚手架搭设程序要求

施工程序：逐根安装立杆和扫地杆并将立杆在基础上固定稳当→安装第一步长方向联系杆并与立杆扣紧→安装第一步短方向联系杆并与长方向联系杆扣紧→安装第二、三步长短方向联系杆→立杆间固定→加设剪刀撑→铺脚手板→绑扎护身栏杆及挡脚板，挂安全防护网→接立杆→循环上述步骤→顶托安装→顶托高度校验。

4.2.2 脚手架搭设技术要求

(1)支撑架搭设橫距纵距步距为0.6m×0.75m×0.75m；

(2)脚手架必须设置纵、横向扫地杆。纵向扫地杆应采用直角扣件固定在距钢管底部不大于20cm处的立杆上。横向扫地杆应采用直角扣件固定在紧靠纵向扫地杆下方的立柱上。扫地杆的设置层应设置水平剪刀撑；

(3)立杆伸出顶层水平杆中心线至支撑点的长度不超过0.5m；

(4)每根立杆的底部设置底座或垫板；

(5)在架体外侧周边或内部纵横向每5跨(且不小于3m)由底至顶设置连续竖向剪刀撑，剪刀撑宽度应为5跨；

(6)在竖向剪刀撑顶部交点平面应设置水平剪刀撑，水平剪刀撑间距不超过4m，剪刀撑宽度应为3m～5m；

(7)竖向剪刀撑斜杆与地面的倾斜角度应为45°～60°，水平剪刀撑与支撑架纵横向夹角应为45°～60°；

(8)满堂支撑架的可调底座、可调托撑螺杆伸出长度不超过30cm，插入杆内的长度不得小于15cm；

(9)顶托伸出长度根据测量数据定位。

5 承重体系运用效果分析

5.1 安全可靠性

白鹤滩泄洪洞进水塔胸墙浇筑前，安排测量人员在反弧段等间距布置5个变形观测点，浇筑过程中全程监控模板变形情况。根据测量数据分析，浇筑过程中高度上最大变形量13mm，水平方向最大变形量9mm。通过变形数据的收集，下一仓浇筑前，对模板体型进行微调，高度方向上向上调整15mm，该种措施能够有效保证体型质量。通过测量结果验证了十字盘脚手架+型钢平台+普通钢管支撑体系设计的安全性和可靠性。

5.2 快捷性

与传统扣件式满堂支撑架搭设时间相比，白鹤滩泄洪洞进水塔胸墙若全部使用扣件式满堂脚手架做支撑体系，搭设时间在25d左右。而采用十字盘脚手架+型钢平台+普通钢管的设计方式，搭设时间为15d，大大缩短了搭设时间。

5.3 经济性

白鹤滩泄洪洞进水塔胸墙承重排架搭设用的十字盘脚手架、型钢平台、上部扣件式脚手架使用的材料均可全部回收再利用。型钢平台使用的钢材基本无焊接、弯折等加工，可再利用率高。较白鹤滩水电站导流洞进水塔胸墙承重排架十字盘+型钢桁架的设计方式节省大量型钢。

6 结语

白鹤滩水电站泄洪洞进水塔胸墙浇筑采用该承重设计形式，承重体系全部利用项目部现有的材料搭设，承重体系拆除后全部回收再利用，大大减少了材料购买、租赁的成本，提高了材料再利用率，为项目部节约了大笔开支。承重体系搭拆方便、快捷有效，缩短了塔体浇筑工期，保证了泄洪洞进水塔按时浇筑完成。进水塔胸墙浇筑过程中承重排架安全、稳定，模板变形量满足质量要求。十字盘脚手架+型钢平台+普通钢管支撑体系设计在白鹤滩泄洪洞进水塔浇筑中成功运用，为以后类似工程提供了安全、可靠、合理、有效的设计参考。