淺談水閘牛腿的懸臂施工方法計算及分析

周援越，曾 艷，張少娟，趙 兵

（湖北省漢江河道管理局，湖北 潛江 433100）

0 前言

本文將討論的工程系某水庫排淤泄洪閘上的牛腿施工。根據該工程結構的特點，中孔的弧形門閘墩設計成為不同坡比的懸挑構件，牛腿的外挑長度較大，施工艱難且危險，施工的質量要求十分高。經設計和施工方討論，為了加快工程施工的進度并且保證施工的安全和質量，對該水庫閘墩的牛腿懸挑部分采用懸臂模板施工技術。目前工程上應用的懸臂模板有平面懸臂和曲面懸臂模板兩種類型——平面懸臂模板一般主要用于大壩壩面和牛腿部位，曲面懸臂模板主要用于水閘的表孔、中孔、底孔進口弧形段。懸臂模板的結構主要包括面板、支撐系統、工作平臺等，各結構均采用鋼結構制作。

1 關于懸臂施工工藝

工程上所謂的懸臂澆筑法又被稱為無支架平衡伸臂法、吊籃法或者掛籃法。施工時占用的空間較小。有利于節省施工費用，降低工程造價，有利于施工作業。該工程修改后的方案在施工時現場采用的是預埋工字鋼。該工程的的牛腿的外挑部分使用的模板將采用懸臂模板整體骨架，考慮其施工的特點，對懸臂模板進行了改造和組裝。通常施工中使用的模板面板采用組合鋼面板，同時加強格柵使用型鋼做背楞，經久耐用，且能防止混凝土側壓力、外界壓力碰撞，以及在鋼筋施工時的模板面板的變形。其混凝土面邊線的傾角通過調節可變支撐桿的長度來控制，面板的水平和鉛直調整分別通過設置在下部剛體三角形的橫梁和豎梁的水平和鉛直調節裝置來完成。

懸臂模板采用預埋爬升錐和槽鋼立柱進行反拉固定，槽鋼立柱根據倒懸控制線的要求進行布置（對應懸臂模板預留孔）。一般的工程經驗是考慮間距以90 cm為原則，在拉筋受緊的狀態下起到承重作用。每塊模板可以設置采用若干內向反拉拉筋，拉筋與模板之間的連接用傘狀預埋件配備調節拉桿施工，在澆筑的過程中可以隨時對模板的變形予以調整，這樣減小了拉筋在彈性變形中變形矢量，更起到了對模板在澆筑的過程中出現跑模現象的發生，滿足施工規范要求。具體的懸臂模板施工工藝流程圖見圖1所示。

圖1 懸臂模板施工工藝流程圖

2 工程基本概況

2.1 工程難題

某地一水庫排淤泄洪閘的閘室為雙孔閘，該閘室的單孔凈寬為8.0 m。原定的施工設計方案是在枯水期搭設鋼管腳手架進行牛腿部位的施工。由于有關方面要求，考慮下游農田灌溉，必須在汛期前施工該部位工程。這一要求給施工帶來了很大的難度，況且，那時的閘室段已施工，將澆至牛腳底（高程為149.938 m）。根據工程現況，以及相關業主的要求，必須保證在汛期閘室的牛腿能夠繼續施工，而且要安全度汛。

2.2 擬解決方案

為了加快施工進度，保證施工的安全和施工質量，針對牛腿的懸挑部分長度較長的實際情況，擬采用懸臂模板施工技術。牛腿外挑部分使用的模板是懸臂模板整體骨架，根據施工特點，對懸臂模板進行改造和組裝。該施工方案是擬定在牛腿的下部（高程為149.300 m）預先埋置工字型鋼，每個牛腿的底部預埋4根25#工字型鋼，工字鋼的懸挑1.35 m，預埋0.65m在閘墩里面，牛腿的縱向水平鋪設2根12#槽鋼，放置工字型鋼上面，槽鋼的間距為1.2 m，距離閘墩墻為0.1 m。

預埋牛腿前，注意在墩內用直徑為25 mm的鋼筋焊井字鋼筋骨架，以便使得牛腿平穩放置墩內，預埋工字鋼時，工字鋼在墩內根部低于外露端部5 cm，使其工字鋼向內微傾斜，中墩左右兩側預埋工字鋼，在墩內用25 mm直徑的鋼筋水平焊接兩側工字鋼，使它們連成一整體；左、右墩用鋼筋焊接工字鋼根部與該層混凝土主筋根部，焊接牢固。每根工字鋼懸挑底部用鋼管斜向支撐于墩側混凝土，懸挑梁底部搭設鋼管架豎向支撐，穩定工字鋼，在閘室未到度汛期前可以一直使用，度汛期間便可拆除該部位的鋼管架。

3 牛腿的施工計算分析

3.1 基本受力計算

不論施工方案如何，牛腿的施工計算還是應參照常規的計算。閘墩的牛腿一般分為柱牛腿和梁牛腿，本文中設計分析的是作為梁牛腿來處理的，而根據工程經驗一般閘墩上的牛腿按短懸臂梁來考慮。參考相關計算手冊，牛腿在半扇閘門水壓力R的兩個分力N和T的作用下（牛腿的布置，水壓力方向基本上與N方向一致，是不能偏離過大），計算牛腿的受力鋼筋。除此之外，還要根據需要驗算牛腿與閘墩相接處的面積，從而進一步保證牛腿的安全。分力N和T對牛腿產生的彎矩、剪力和扭矩，現分別敘述如下。

閘墩的牛腿在彎矩M=NC作用下，所需配置的鋼筋面積，可根據下列公式進行計算：

式中：C——支座的垂直分力N作用點至閘墩邊的距離；

Rg——受拉鋼筋的設計強度；

h0——牛腿的有效高度；

K——強度安全系數，按水工鋼筋混凝土結構設計規范規定選用。

閘墩牛腿與閘墩相接處的主拉應力，按受彎拉構件來計算：

靜水壓力對閘門的推力為：

設φ0為與R水平面的夾角，則有8.82°，設α為閘墩牛腿受力軸線與水平面的夾角，則=18.4°，由幾何關系可以知道，R與N的夾角 θ=α-φ0=18.4°-8.82°=9.58°

于是：

牛腿在彎矩M=NC作用下所需配置鋼筋的面積：

式中：N——作用于牛腿支座的軸向力；

C——分力N作用點至閘墩邊的距離，取為0.4 m；

h0——牛腿的有效高度；

Rg——鋼筋屈服極限，Ⅱ級鋼筋，取310N/mm2；

K——強度安全系數，取1.5。

解得：

從而選配 7Φ25和 6Φ28（A=7 131 mm2）。

牛腿與閘墩相交接處的截面尺寸，要符合下式抗裂條件：

式中：Q——接觸面上的總剪力，Q=R，kN;

b——牛腿寬度；

Kf——抗裂安全系數，取為1.25；

Rl——混凝土抗拉強度，混凝土等級為C25，為130 N/mm2。

解得：

故牛腿與閘墩相接處的截面尺寸，滿足抗裂要求。

牛腿在剪力和扭矩作用下（扭矩Mn=Ta，a=弧形門座高度+牛腿高之半）產生剪應力和主拉應力，當主拉應力超過混凝土的許可拉應力，需計算抗剪和抗扭鋼筋。

受扭同時受彎時，主拉應力：

配置受力鋼筋，但任何情況下，σzmax不宜超過Rf。

已知弧形門門座高度0.4 m，牛腿高度3 m，扭矩：

故需計算抗扭鋼筋和彎起鋼筋。

所需抗扭縱向鋼筋及箍筋的數量可由下式確定：

式中：ak——每根縱向鋼筋的面積，cm2；

sg——縱向鋼筋間距，cm；

ak——每支鋼箍面積，cm2；

bk、hk——鋼箍所包圍的核心混凝土的兩邊邊長，cm；

s——鋼箍間距，cm。

解得：

故鋼箍配Φ10@300的鋼筋。

在受扭且受彎的構件中，因為彎矩的作用，已在構件一邊布置了抗彎縱向鋼筋Ag，從而附加的抗扭縱向鋼筋不在沿截面均勻布置，要將所需要的鋼筋總面積集中布置在其它三個邊上。抗扭鋼筋總面積Agn按下式計算：

故配 6Φ18的鋼筋（A=1 527mm2）。

3.2 施工安全的質量控制措施

該工程設計為懸臂模板施工，等到閘墩牛腿部位混凝土強度達到大于或者等于25 MPa就可以進行下一道工序的施工。這樣一來便可以省去了在牛腿中需要安裝和拆除大量桁架的常規施工。一般而言，懸臂模板在施工中只需按照正常的施工順序和施工計劃就可以滿足了施工進度，降低了施工費用，大大地節約了工程成本，提高了工程進度，滿足了大壩混凝土面外觀質量和外觀質量評定的要求。

本文工程中的閘墩牛腿的懸臂施工法施工在整個過程中要滿足施工設計所規定的偏差要求，見表1所列。同時注意牛腿在懸臂模板施工的澆注的過程中的拉筋、立柱和錨錐要得到有效的保護，這樣使得觀測的結果達到設計允許偏差的要求。每次安裝模板前要對懸臂模板的螺桿、螺帽、螺桿式支撐等易損部件進行詳細的檢查，也要對模板、螺桿、螺帽及其他配件應及時的維護和保養。

表1 模板允許偏差值一覽表

4 結語

一般而言，模板工程不僅在水閘牛腿的施工中，而且在水工混凝土施工中都經常遇到。眾所周知，水工混凝土施工中的模板工程費用比重大，可以占到混凝土總造價的25%～30%，就算是在無筋或者少筋的大體積混凝土工程中也約占 5%～15%。本文所談論的懸臂模板克服了傳統的模板型式的缺點，易于加工生產、操作方便靈活、安全系數高，周轉使用次數多，提高了施工進度和施工質量要求，在機械化施工和減少勞動消耗上呈現了很大的優勢。其在工程施工中并能努力提高和改進其工作和使用性能，確保工程的設計質量，推動工程的施工進度和設計觀念的進一步提高。

牛腿是結構受力的薄弱環節，為保證閘墩牛腿結構設計安全，了解牛腿的受力特點從而正確地進行牛腿的設計計算顯得尤為重要。筆者認為由于牛腿對于水閘的重要性，有條件的話，還可應用有限元分析法或模型試驗的方法求得較為精確的內力分布情況，以保證這一薄弱部位具有足夠的安全度。另外，上述牛腿在工民建工程中運用較多，其設計的理論依據也來源于工民建的規范，在水工中應用時，安全系數的取值略有不同。

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