犬木塘水库电站厂房流道施工模板支撑结构设计

廖满军，楚 贝

(1.中国水利水电第八工程局有限公司，长沙 410004，2.湖南省水利水电科学研究院，长沙 410007)

1 犬木塘水库枢纽工程概况

犬木塘水库工程为Ⅱ等大(2)型水利水电工程，包括水库枢纽工程、灌区工程以及应急备用水源工程，是一个以灌溉为主，结合城乡供水，兼顾灌区水生态环境改善以及航运、发电等综合利用效益的水利工程(见图1)。

图1 犬木塘水库工程示意

枢纽工程建筑物从左至右分别为左岸连接坝段、船闸、15孔泄水闸、电站厂房、鱼道、右岸连接坝段，坝顶总长为642.00 m，左、右岸连接坝段与资水上游两岸的堤防相接形成完整的防洪封闭圈。电站厂房布置于河床右侧，为河床式发电厂房，装有4台8.5 MW灯泡贯流式机组，电站总装机容量为34 MW；河床布置15孔泄水闸，孔口尺寸为17 m×10.5 m(宽×高)，坝顶高程为225.20 m，最大坝高为26.20 m，溢流堰采用宽顶堰型，堰顶高程为204.50 m，泄水闸设弧形钢质工作闸门和平面检修闸门；船闸布置于河床左侧，单线Ⅳ级船闸，设计吨位500 t，闸室有效尺寸为148 m×12 m×3.5 m(长×宽×门槛水深)；连接坝段分左、右坝段，左岸连接段采用土坝，左岸连接段坝顶高程为225.20 m，坝长为118.50 m，最大坝高约19.2 m，坝顶宽度15 m，上游坝坡为1∶2.5，下游坝坡为1∶2.5；右岸连接段坝采用混凝土重力坝，坝顶高程为225.20 m，坝长为76.4 m，最大坝高为14.2 m，坝顶宽度3～6 m，上游坝坡为1∶0.75，下游面垂直。鱼道布置在右岸，位于厂房右侧。

电站主厂房(见图2)左右桩号为B0+001.00 m～B0-63.50 m，上下游桩号为L0+018.60～L0-042.15 m。左、右设一道分缝，上、下游段设3道临时缝，8个工作面同时施工，交替上升。Ⅰ区为进水口胸墙(L0+018.60～L0-001.09)，Ⅱ区流道方变圆段和金属里衬段(L0-001.09～L0-013.75)，Ⅲ区为金属里衬和流道圆变方段(L0-013.75～L0-030.00)，Ⅳ区为流道圆变方段(L0-030.00～L0-042.15)。

厂房底部高程为184.70 m，顶部高程为252.20 m，进水口溢流面高程为194.245 m，尾水出水口溢流面高程为196.128 m。进水口宽9.4～13 m，胸墙高15～20 m，进水口流道高6.6～12.6 m，长12.2 m。尾水流道长21.4 m，高7.1～7.9 m，宽7.1～10.4 m。

主厂房流道共分为4段：第1段从拦污栅至检修闸门，共计6.6 m，全段呈喇叭口形；第2段为进水流道方变圆段，共计12.9 m；第3段为金属里衬段，共计11.735 m；第4段为尾水流道圆变方段，共计18.34 m，其中需搭设承重排架的部位为第1、2、4段。

进水口胸墙、流道模板采用定制钢模板+满堂承重排架(扣件式)。混凝土强度等级为C25F100W6二、三级配混凝土。

2 流道施工模板支撑设计

2.1 基于BIM的流道模板设计

以尾水流道模板为例对模板设计流程进行梳理(见图3)，首先建立流道三维曲面BIM模型，基于三维曲面BIM模型设定流道纵向和环向分块间距尺寸，本项目纵向间距为1 500 mm，环向间距根据不同断面确定，间距在2 000 mm；将三维曲面BIM分割出来的单个曲面作为模板设计的面板；模板背肋及三角背架(顶部圆弧段)设计。

图3 基于BIM的流道模板设计流程示意

厂房流道模板数量达1 450块，可以采用参数化建模及出图方法。通过该方法设计的参数化建模平台能够实现根据用户输入自动更新模型参数、智能排布，能够自动生成二维工程图纸，使得同类型钢模板的设计难度降低，大大缩短设计周期，提高了流道钢模板的设计效率。

2.2 有限元受力分析

根据大体积混凝土分层分块浇筑特点，因侧模模板主要承受混凝土侧压力及混凝土倾倒时承受的水平力，而顶部模板直接承受混凝土自重及混凝土倾倒时的冲击力，故选取厂房流道顶部处模板作为最不利情况进行计算分析。仓面混凝土下料高度不大于1.5 m，下料时将尽量使混凝土铺设均匀，并辅以人工平仓。采用有限元软件对模板三角架等关键部位进行计算分析。

模型类型采用线弹性各向同性，失败准则采用最大von Mises应力准则，模板及三角架为普通碳素钢，材料属性：弹性模量210 000 N/mm2、泊松比0.28、质量密度7 800 kg/m3、抗拉强度399.8 MPa、屈服强度220.5 MPa。

荷载情况：大体积混凝土约束区分层厚度一般1.5 m，模板承受混凝土自重按1.5 m计算，混凝土自重标准值24 kN/m3，钢筋自重标准值1.5 kN/m3，施工荷载取2.5 kN/m2，恒载分项系数取1.3，活载分项系数取1.5，模板面荷载设计值为1.3×25.5×1.5+1.5×2.5=53.475 kN/m2。下面以钢模板4 mm厚面板及背肋，背肋高度4 mm×60 mm，间距300×300 mm布置，三脚架50×4的方钢为例进行有限元分析计算。

计算结构表明：最大屈服应力为106 MPa(见图4)，小于Q235钢屈服强度220.5 MPa；最大变形为0.273 mm(见图5)，满足规范不大于1.5 mm的要求，整体安全系数满足要求。

图4 有限元模型应力云示意

图5 有限元模型应变云示意

根据以往项目经验及厂家提供异形模板设计图纸，计划采用5.5 mm厚钢模+支撑桁架的形式。原设计模板面板厚度5.5 mm，经过模型分析验证，采用4 mm厚面板即可满足施工荷载要求；通过此优化共减少面板钢材使用重量26.6 t，节约成本约28.8万元。

2.3 支撑体系方案及验算

根据结构特点，考虑到分层和进度需要，拟采用满堂红脚手架作支撑(见图6)，高脚手架的计算参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ 130—2011)。

图6 尾水流道支撑结构断面示意(单位：高程m，长度mm)

支撑体系方案：进水口第1段立杆的横距b=0.6 m，立杆的纵距l=0.6 m，立杆的步距h=1.15 m，混凝土为斜板，浇筑最大厚度按D=1.34 m，采用的钢管类型为Φ48×3.0，模板采用钢模板或木模板。进水口第2段立杆的横距b=0.8 m，立杆的纵距l=0.8 m，立杆的步距h=1.2 m，混凝土浇筑最大厚度D=0.6 m，采用的钢管类型为Φ48×3.0，模板采用定型钢模板和木模板。尾水第4段立杆的横距b=0.8 m，立杆的纵距l=0.8 m，立杆的步距h=1.2 m，混凝土浇筑最大厚度D=0.6 m，采用的钢管类型为Φ48×3.0，模板采用定型钢模板。尾水流道模板支架高度H=8 m；模板支架纵向长度L=18 m；模板支架横向长度B=10.4 m；立杆顶部步距hd=750 mm；立杆伸出顶层水平杆中心线至支撑点的长度a=200 mm；顶部立杆计算长度系数μ1=2.149；非顶部立杆计算长度系数μ2=1.755；立杆钢管截面类型(mm)Φ48×3.0，立杆钢管计算截面类型(mm)Φ48×2.7，钢材等级Q235，立杆截面面积A=384 mm2，立杆截面回转半径i=16 mm。

基本风压ω0(kN/m2)按0.2考虑；地基粗糙程度按D类(有密集建筑群且房屋较高市区)；风压高度变化系数μz=0.51；风荷载体型系数μs=1.3。

1)长细比验算

顶部立杆段：l01=kμ1(hd+2a)=1×2.149×(750+2×200)=2 471 mm。

非顶部立杆段：l0=kμ2h=1×1.755×1 200=2 106 mm。

λ=max[l01，l0]/i=2 471/16=154.459≤ [λ]=210。

2)立杆稳定性验算

l0=kμ2h=1.155×1.755×1 200=2 432.43 mm。

λ=l0/i=2 432.430/16=152.027。

查表得，φ1=0.301。

考虑风荷载：Mw=1×0.9×1.4×ωk×la×h2/10=1.4×0.9×0.133×0.8×1.22/10=0.019 kN·m。

Nw=R/0.6+1×γG×q×H+Mw/lb=10.35/0.6+1×1.2×0.15×8+0.019/0.8=18.71 kN。

f=Nw/(φ1×A)+Mw/W=18.713×103/(0.301×384)+0.019×106/4 120=166.512 N/mm2≤[σ]=205 N/mm2，满足要求。

根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ 130—2011 第6.9.7：支架高宽比不应大于3。H/B=8/10.4=0.769≤3，满足要求，根据上述规范不需要进行抗倾覆验算。

2.4 其他注意事项

模板支撑结构工艺流程如下，在已浇筑的混凝土地面和流道底板上弹线、立杆定位→摆放纵横向扫地杆→立杆与扫地杆扣紧→大小横杆并与各立杆扣紧→加设临时斜撑杆、剪刀撑→所有立杆、横杆及剪刀撑搭设完毕→验收通过→挂牌。

厂房进水口及流道模板支撑排架基础搭设于厂房进水口和尾水溢流面混凝土上，混凝土标号级配为C25二/三级配。待溢流面混凝土浇筑完毕且达到设计龄期后，对混凝土强度进行检测，强度检测结果满足承重排架要求强度后，方可进行上部挡水墙钢衬支撑排架的搭设工作。为了防止支撑排架损坏溢流面和流道混凝土，在混凝土上部、排架钢管底部(与溢流面相接触部位)铺设钢板或槽钢，槽钢与钢板铺设范围为立杆底部，待排架使用完毕后对钢板和槽钢进行回收。

厂房进水口胸墙、流道模板支撑排架具体拆除时间为：应在进水口胸墙混凝土浇筑至EL220.0 m高程(浇筑至胸墙上部第二层)、进水口流道混凝土浇筑至EL211.0 m高程(浇筑至钢衬上部第二层)、尾水流道混凝土浇筑至EL211.0 m高程(浇筑至钢衬上部第三层)，且混凝土强度达到设计强度的100%后，方可进行下部支撑架的拆除工作。

3 结语

基于BIM的流道模板设计理念，应用有限元分析软件，计算了模板最大应力及应变，并对模板用钢板厚度进行优化，节约材料费用，对常规扣件式脚手架进行长细比、立杆稳定性验算，实现了流道模板支撑结构全流程高效、准确。