水電站閘墩懸臂大鋼模板的設計與應用

邢 軍，羅維成，應小軍，程劍兵

（中國水利水電第二工程局有限公司，北京 100120）

0 引言

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣境內，是我國東北擬建中的第一座大型純抽水蓄能電站。工程的主要樞紐建筑物泄洪排沙閘壩段為重力式混凝土壩（以下簡稱閘墩），由4號和11號兩個邊墩及5～10號6個中墩組成，38.00m高程以下為墩基礎，墩頂高程為70.10m，最大墩高34.1m，墩寬4.0m，墩長42m。

閘墩上游迎水面38.00m高程至65.70m高程為垂直上升，端頭截面為半徑2m的半圓弧，并在上游48.167m高程至55.763m高程預留有二次澆筑混凝土的錨固預留槽；65.70m高程至67.70m高程為后仰45°上升，端頭45°截面為半徑2m的半圓弧；67.70m高程以上為垂直上升；端頭截面變為矩形。

閘墩下游背水面38.00m高程至59.00m高程為垂直上升，端頭截面為半徑2m的半圓弧；59.00m高程以上截面變小；59.00m高程至60.60m高程為前傾12.42°上升；60.60m高程至63.99m高程為為垂直上升，63.99m高程至67.90m高程為后仰45°上升，67.900m高程至70.10m高程為垂直上升；端頭截面為矩形。

閘墩的側面結構形狀為直線上升，閘墩之間在高程38.00～48.00m范圍內設計為WES實用溢流堰，堰中心上游側設計有寬2 500mm、深800mm的檢修門槽和下游側的內弧R=20 018mm，寬1 01.7mm，深800mm的弧形閘門槽。

閘墩下游端55.74m高程處接有下傾12.42°錨塊，錨塊高5m，底長5.5m，寬7.6m，錨塊兩側凸出墩側表面1.8m。

1 模板方案的選擇

鑒于該工程閘墩屬大體積混凝土現澆結構，設計長度42 000mm、厚度4 000mm，設計不分段，整體澆筑施工，施工質量要求較高，模板不便采用對拉螺桿加固承受施工荷載。另外，閘墩上部上下游端面都有牛腿，并考慮到錨塊混凝土澆筑的問題，經過考察、研討和論證，決定在閘墩施工中主要采用懸臂大鋼模板技術，弧形閘門槽和豎直檢修門槽處采用木模板拼接技術。

2 懸臂大鋼模板結構設計

懸臂大鋼模板主要由整體定型大鋼模板和懸臂架子組成，見圖1。

2.1 整體定型大鋼模板

圖1 懸臂模板構造圖

面板采用6mm厚Q235冷軋鋼板，板面上開有上下四排預埋螺栓安裝孔，每個孔都設有堵孔器，用時打開，不用時堵上；豎肋采用國標8號熱軋槽鋼，橫肋采用6mm厚鋼帶；豎邊框采用8號熱軋等邊角鋼，中間開有間距＠300mm的模板連接孔；上下橫邊框采用10mm厚Q235冷軋鋼板帶；橫背楞采用雙排16號熱軋槽鋼，上下共設置三道。每塊標準大鋼模板的幅面尺寸為寬度b=3m，高度H＝3m；模板定位系統包括爬錐、陀螺等，為模板快速準確定位安裝提供了方便。

爬錐與預埋在壩體內的預埋螺栓配合使用，保證模板的位置準確，且可從壩體混凝土中取出周轉使用，承受經受力螺栓傳遞過來的來自于懸臂大模板的全部施工荷載。陀螺通過受力螺栓與爬錐相連，可周轉使用，承受懸臂大模板的全部施工荷載。

2.2 懸臂架子

主要由模板連接器、上下操作平臺、花籃螺桿機構、模板高度調節機構、豎向主背楞、錨固系統、退模機構、保險機構、主三角掛架、滯后平臺10個部分組成。

3 懸臂大鋼模板關鍵部件驗算

3.1 荷載計算

懸臂大鋼模板是否具有足夠的強度和剛度直接關系到施工的安全和質量，對工程施工具有重要影響。因此，其強度和剛度的設計計算極為必要，其中，大鋼模板、主三角架和錨固系統受力螺栓的設計計算尤為關鍵。

由于閘墩施工時，大鋼模板的安裝不是始終豎直的，當施工到端頭后仰牛腿面部位時，模板要后仰45°，所以，作用于模板的荷載，既有水平荷載，又有豎向荷載。當模板后仰45°時，大鋼模板所承受的綜合荷載最大，因此，應按大鋼模板后仰45°的情況對其強度和剛度進行驗算。大鋼模板所承受的豎向荷載[1]主要包括模板及支架的自重（q模＝1.2kN/m2）、新澆混凝土的自重（G混＝24kN/m3）、鋼筋自重（G筋＝1.1kN/m3）、施工人員及設備荷載（q施＝2.5kN/m2）、振搗混凝土時產生的荷載（q振豎直＝4.0kN/m2）；水平荷載[1]主要包括振搗混凝土時產生的荷載（q振水平＝2.0kN/m2）、新澆筑混凝土對模板的側壓力（q側）和傾倒混凝土時產生的荷載（q傾水平＝6.0kN/m2）。

豎向荷載：q1＝q模+G混·Hsin45°+G筋·Hsin45°+q施+q振豎直＝60.945kN/m2。

水平荷載：q2≈q側。這里q側取 F1=0.22γct0β1β2·V1/2，F2=γcHsinα兩式中較小值。其中γc=24kN/m3，β1=1.2，β2=1.15，t0=200/（T+15）=6.67h，H=3m，V=1m/h[1]，α=45°。

經計算得：F1=48.6kN/m2，F2=50.91kN/m2，則q側=F1=48.6kN/m2，乘以分項系數1.2和折減系數0.85，有：q2＝q側=48.6×1.2×0.85=49.572kN/m2。

3.2 大鋼模板的強度和剛度驗算

經計算，當大鋼模板后仰45°時，模板面板承受的最大彎曲應力σmax≈71.89N/mm2＜215N/mm2，安全；面板最大撓度fmax≈0.35mm，滿足混凝土面平整度要求；模板豎肋所承受的最大彎曲應力σmax≈136.41N/mm2＜215 N/mm2，安全；豎肋的最大撓度fmax≈0.55mm，滿足要求。

圖2 懸臂模板承受的荷載

圖3 主三角架主要構件內力圖

3.3 主三角架的受力計算

主三角架的受力分析如圖2所示：

根據靜力平衡條件可得方程：

∑Fx=0，∑Fy=0 和∑MD=0，

解得：NEX≈175 720.8N，TDX≈425 696.6N，TDY=259 421.2N。

用數解法，考慮節點平衡，求得懸臂架子主要構件內力如圖3所示。

根據內力計算結果和主三角架各桿件的結構知，主三角架BP桿承受的拉應力最大，斜撐桿EP所承受的壓應力最大，所以需對BP桿進行抗拉強度校核和對斜撐桿EP進行抗壓強度及穩定性校核。

斜撐桿EP為壓桿，最大內力為NEP=254 708N，長度 l=2 245mm，雙［8號熱軋槽鋼，2A=20.48cm2，2Ix=202.6cm4，［σ］P=215N/mm2，壓桿的長度系數μ=0.5，慣性半徑ix=1.27cm。

強度驗算：σ=NEP/2A≈124.37 N/mm2＜215N/mm2，強度足夠。

滿足穩定性要求。

3.4 受力螺栓的安全驗算

受力螺栓使用的材料是40Cr鋼，調質后其抗剪強度[τb]=750～850 N/mm2，抗拉強度 [σb]=890～980 N/mm2，屈服強度[σS]=785 N/mm2。

受力螺栓所承受的剪應力：

=254.87 N/mm2＜［τb］；

受力螺栓所承受的拉應力：

=418.22N/mm2＜［σS］。

故受力螺栓的使用安全。

4 懸臂大模板的施工工藝

（1）施工工序：清理模板→涂刷脫模劑→吊裝模板→按設計圖在模板上安裝預埋螺栓→校正模板位置和垂直度或傾斜度→驗收模板→澆注混凝土→養護→拆模板上預埋螺栓的連接螺栓→脫模→拆保險栓→整體提升懸臂大鋼模板至上層→錨固懸臂大鋼模板→在滯后平臺上取出最下邊留在墻體上的錐體→修補已澆筑混凝土表面→下一循環施工。

（2）模板錨固點混凝土強度達到10MPa以上后，方可進行下一層模板的安裝。

（3）預埋螺栓和受力螺栓每次必須用廠家提供的專用力矩扳手擰緊到位。

（4）模板安裝前，上一次澆筑的混凝土頂部需貼5cm寬的防漏漿海綿條，安裝時，模板下口須覆蓋上一層老混凝土至少5cm，通過調整退模機構，使模板下口壓緊老混凝土面。

（5）在施工到閘墩上部牛腿前一層，應嚴格按設計圖所標注的位置安裝預埋螺栓，并調整模板的高度位置，確保在牛腿處模板能正確地安裝。

（6）混凝土澆筑到埋件附近時應用軟軸振搗器振搗，防止埋件發生位移。模板的各層操作平臺上不得堆放重物，并注意隨時清理，以確保安全。

（7）拆模后對混凝土表面可能出現的麻面、氣孔等缺陷，應及時進行修補。根據實際情況，采取相應的修補方法，修補時采用水泥砂漿或者環氧砂漿，水泥與砂子的比例應當與原混凝土的配比一致。

5 模板施工中的難點和解決措施

懸臂大鋼模板在閘墩施工中的難點主要有：閘墩上下游上部后仰45°牛腿的支模和拆模問題；錨塊處如何使用懸臂大鋼模板的問題；弧形閘門槽處如何使用懸臂大鋼模板的問題。

（1）閘墩上下游上部后仰45°腿的支模和拆模問題，利用懸臂大鋼模板體系，可以很好地得到解決，它充分體現了懸臂大鋼模板體系優勢，在這里專門設計制作了后仰三角掛架，附著在主三角掛架的前方，用它解決模板的安裝問題，澆筑混凝土時，在退模機構上方的混凝土中垂直預埋一個φ42×3mm鋼管，拆模時，先拆大鋼模板，將其吊走，然后用吊裝器拆懸臂架子。

（2）閘墩錨塊主要用于預應力混凝土張拉，其施工難點在于一個面是前傾12.42°，一個面后仰12.42°，兩側各挑出墩側面1.8m，所以，專門設計了兩個輔助挑平臺，懸掛在錨塊底部墩側面墻上，再把懸臂大鋼模板掛在輔助挑平臺的掛點處，這樣便解決了懸臂大鋼模板的支模問題，拆模時先拆懸臂大鋼模板，再拆輔助挑平臺。

（3）弧形閘門槽內部主要采用木模板施工，利用懸臂大鋼模板支撐承受施工荷載，一塊懸臂大鋼模板一般包含一塊大鋼模板和兩榀懸臂架子，兩榀懸臂架子分別掛在兩個受力螺栓上。但由于弧形閘門槽形狀為弧形，法向寬度1 100mm，深度500mm，從下往上橫向跨度4 200mm，所以，會出現因一個受力螺栓無法埋設而導致懸臂大鋼模板無法使用的情況，為此，把弧形門槽處的兩塊懸臂大鋼模板連成一個整體，并加大加長模板橫背楞的型鋼規格，這樣就解決了弧形閘門槽處懸臂大鋼模板的使用問題。

6 結語

本工程閘墩混凝土結構主要采用懸臂大鋼模板施工，大大加快了施工進度，提高了施工質量，降低了工人的勞動強度，特別是閘墩大尺寸牛腿處和錨塊部位的施工，既安全又快捷，不需搭設任何腳手架。實踐證明，在目前國內水工建筑物，特別是閘墩的施工中，懸臂大鋼模板具有安全、方便、優質和高效的特點，值得推廣。

［1］建筑施工手冊（第四版）編寫組.建筑施工手冊2［S］.北京：中國建筑工業出版社，2003.149～151.

［2］機電技術常用標準實用手冊編寫組.機電技術常用標準實用手冊［S］.北京:北京理工大學出版社，1994.2－37.

［3］江正榮，朱國梁.簡明施工計算手冊［S］.北京：中國建筑工業出版社，1996.