預制混凝土模板在老撾南歐江5級水電站牛腿結構中的設計與應用

譚 萬 開， 李 銳， 芶 仕 文， 鄭 強

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

預制混凝土模板在老撾南歐江5級水電站牛腿結構中的設計與應用

譚 萬 開， 李 銳， 芶 仕 文， 鄭 強

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

在水利水電工程中，由于牛腿混凝土結構的特殊體型，施工難度及安全威脅較大。經比選后最終決定采用預制混凝土模板可以使施工更加安全、簡便，加快施工進度，節約施工成本。針對老撾南歐江5級水電站壩身進水口段施工情況，介紹了牛腿預制鋼筋混凝土模板的設計與應用。

預制；混凝土模板；牛腿結構；設計；應用；南歐江5級水電站

1 工程概述

南歐江5級水電站位于老撾人民民主共和國豐沙里省境內，為南歐江規劃的7個梯級水電站中的第5級。該工程以發電為主，主要由混凝土重力壩、壩身進水口及壩后式廠房、壩身溢洪道及消力池、沖沙底孔及泄槽等組成。壩頂高程445 m，最大壩高74 m，總裝機容量240 MW。

5#～7#進水口壩段高程398～405 m為牛腿混凝土體型結構，寬66 m，坡比為1∶1。經各方案綜合比較后最終決定采用預制鋼筋混凝土模板。

2 預制鋼筋混凝土模板的設計

2.1 模板方案

牛腿混凝土施工，其迎水斜面懸挑模板采用預制鋼筋混凝土模板,側端面采用組合鋼模板。進水口上游牛腿高度為7 m，根據對預制混凝土模板運輸吊裝安全、方便、確保混凝土施工質量的考慮，牛腿預制模板采用分三層設計的施工方案。結合進水口壩段廊道的施工，牛腿混凝土確定分四次施工。

2.2 模板結構

根據牛腿結構、預制場地及運輸條件等多方面要求，采用三層預制鋼筋混凝土模板、牛腿混凝土分四次澆筑成型進行設計。為便于模板精確安裝，相鄰兩層預制混凝土模板采用“L”型槽口連接，在預制模板倉內面槽口周邊設置角鋼。牛腿模板設計成上、中、下三種型式,每塊模板面板標準塊寬度均為298 cm，每層模板共22塊，模板厚度為15 cm。下層模板斜長337.5 cm，上端為“L”型槽口；中層模板斜長337.5 cm，上下端均為“L”型槽口；上層模板斜長330 cm，下端為“L”型槽口。上、中、下三層每塊預制模板均設置12只吊環(水平向4排，豎直向3列)，吊環間排距為90 cm×100 cm。

牛腿預制模板采用內拉承重結構系統，立柱為[18a槽鋼，下部與已澆筑混凝土預埋的φ25插筋焊接，拉條為φ16圓鋼，與立柱焊接并在立柱后設置后拉條。立柱間距與吊環列距相同，均為100 cm，采用φ25@100 cm鋼筋與其焊接連成整體。模板固定型式見圖1。

圖1 預制模板支撐結構圖

預制模板按照鋼筋混凝土等跨外懸臂板考慮，經計算：模板采用C20混凝土，設置雙層鋼筋，保護層厚15 mm，縱向受力筋選用φ12@200 mm，分布鋼筋與受力筋布置相同。吊環鋼筋選用一級φ18，與預制模板中下層鋼筋焊接牢固。

2.3 模板的設計與計算

根據模板結構單元體系，擬定沿壩軸線方向為X向，模板寬3 m，設3列吊點；沿牛腿斜面方向為Y向，斜長3.3 m，設4排吊點；沿豎直方向為Z向，澆筑分層按整張模板高度2.33 m考慮。

模板在實際受力過程中X、Y向的受力是不均勻的，若對每個區域單獨進行受力計算頗為繁瑣，在理論計算時按兩個方向最大內力值考慮。

2.3.1 X向模板內力的計算

吊環外懸挑0.5 m，吊環排距為1 m，每排三個吊點，簡化成“兩端懸臂的雙跨板”，取單元0.5+1/2=1(m)寬板計算，板厚0.15 m，板長3 m，模板豎直高度按最大值2.33 m計算。

模板自重P：P=bhγgcosα=1×0.15×2.5×

9.8×cos45°=2.6(kN/m)

澆筑層塊體混凝土重量q：q=bhγg=1×

2.33×2.5×9.8=57.09(kN/m)

兩荷載疊加為：P+q=2.597+57.085

=59.69(kN/m)

式中b為計算單元寬度；h為模板豎直高度；γ為混凝土容重；g為重力加速度；α為模板與水平向夾角；P為模板自重，kN/m;q為澆筑層塊體混凝土重量，kN/m。其內力情況見圖2。

圖2 X向內力圖

圖2可以看成是在一均布荷載作用下的二跨等跨梁和兩端懸臂的二跨等跨梁的疊加，依據《水工鋼筋混凝土結構學》，查均布荷載作用下等跨連續板梁計算系數表，計算如下：

彎矩：M=αg1l02+α1q1l02=7.46(kN/m)

剪力：V=βq1l+βg1l=-37.31(kN)

式中g1、q1為單位長度上的永久荷載；q1為單位長度上的可變荷載；l0為板的計算跨度；l為板的凈跨度；α、α1和β分別為彎矩系數和剪力系數。

根據端彎矩作用下等跨連續板梁計算系數表：

=2.8(kN·m)

=-9.33(kN)

式中M為彎矩；V為剪力；MA為端彎矩；α′、β′分別為彎矩、剪力系數，由《水工鋼筋混凝土結構學》附錄七查得。

疊加后的最大彎矩及最大剪力：

Mmax=7.46+2.8=10.26(kN·m)

Vmax=-37.31-9.33=-46.64(kN)

2.3.2 Y向模板內力計算

吊環外懸挑0.3 m，吊環排距為0.9 m，每排四個吊點，簡化成“兩端懸臂的三等跨板”，取單元0.3+0.9/2=0.75(m)寬板計算，板厚0.15 m，板長3.3 m。

模板自重：P=bhγgcosα=0.75×0.15×2.5

×9.8×cos45°

=1.95(kN/m)

混凝土重量：q=bhγg=0.75×2.33×

2.5×9.8=42.81(kN/m)

由于澆筑層混凝土在Y方向上受力不均勻，按照最不利的情況，將兩荷載疊加為：

P+q=1.95+42.81=44.76(kN/m)

內力情況見圖3。

圖3可以看成是在一均布荷載作用下的三跨等跨梁和兩端懸臂部分受均布荷載的三跨等跨梁的疊加。依據《水工鋼筋混凝土結構學》，查均布荷載作用下等跨連續板梁計算系數表，計算如下：

彎矩：M=αg1l02+α1q1l02=3.63(kN/m)

剪力：V=βq1l+βg1l1=-24.17(kN)

根據端彎矩作用下等跨連續板梁計算系數表：

0.32=1.25(kN·m)

剪力：V=β′MA/l0=-1.266 7×2.01/0.9

=-2.83(kN)

由《水工鋼筋混凝土結構學》附錄七查得；α′為0.169 9、β′為-1.266 7。

疊加后的最大彎矩及最大剪力：

Mmax=3.63+1.25=4.88(kN·m)

Vmax=-24.17-2.83=-27(kN)

2.3.3 配筋計算

通過對X、Y方向受力的比較，按最不利荷載情況，即X方向受力情況進行配筋計算。

結構安全級別一級的結構構件，結構重要性系數γ0=1.1；設計狀況持久系數φ=1,則最大彎矩設計值：

M=γ0φMmax=1.1×1×10.26

=11.29(kN·m)

式中γ0為結構重要性系數；φ為設計狀況持久系數；Mmax為疊加矩的最大彎矩。

采用C20混凝土，軸心抗壓強度設計值fc=10 N/mm2；一級鋼筋抗拉強度設計值fy=210 N/mm2；鋼筋混凝土結構系數γd=1.2；混凝土保護層厚度C=15 mm，a取60 mm，截面有效高度h0=90 mm；矩形截面寬度b=3 000 mm。

0.07<ξb=0.614

每m板中鋼筋截面積為900 mm2,故每m板選用10根一級鋼筋，間距200 mm，雙層布置。Y向分布鋼筋與受力鋼筋相同布置，選用φ12@200雙層鋼筋。

2.4 模板內拉支撐結構計算

2.4.1 拉桿強度校核

模板重G模=HBh=2.25×1×0.15

=0.911(t)

鋼筋重量G鋼筋=HB×0.4=2.25×1×0.4

=0.9(t)

振搗荷載按200 kg/m2計算：q1=HB×0.2=2.25×1×0.2=0.45(t)

施工時產生的水平、垂直荷載按600 kg/m2：q2=HB×0.6=2.25×1×0.6=1.35(t)

單元內的豎向荷載Q=6.83+0.911+0.9+0.45+1.35=10.44(t)

拉桿內力F=Q/sinα+q1/cosα=10.44/sin45°+0.45/cos45°=15.41(t)

式中H為牛腿混凝土最大澆筑層高；b為混凝土澆筑層外挑距離；B為計算單元寬度；α為模板與水平向夾角；h為模板厚度；F為拉桿內力；Q為單元內的豎向荷載。

用φ16拉條：單根拉桿承受的最大拉力δmax=210×3.14×16×16/4=4.22 (t)，4根拉桿承載拉力δ總=4.22×4=16.88(t)>F=15.41(t)

故最終選用φ16拉筋。

2.4.2 拉桿強度校核

拉桿在豎向對立柱的壓力P=F×sin45°=15.41×sina45°=10.89(t)。

假設采用槽鋼[12.6的抗壓強度：立柱有效長度l=5 m，彈性模量E=2.06×105N/mm2，慣性矩I=391 cm4；長度系數μ=2。

Plj=π2EI/(μl)2=3.142×2.06×105×3.91×102/(2×5)2=79.4(kN)=7.94(t)

假設采用槽鋼[14b的抗壓強度：立柱有效長度為5 m，彈性模量E=2.06×105N/mm2，慣性矩I=609 cm4；長度系數μ=2。

Plj=π2EI/(μl)2=3.142×2.06×105×5.64×102/(2×5)2=123(kN)=12.3(t)

Plj>P,故選用槽鋼[14b。

2.4.3 混凝土承載力校核

承載力按受沖切鋼筋板計算：

F≤1.05ftηUmho

式中ft為混凝土軸心抗拉強度，查得C25混凝土ft=1.27 MPa,按7 d強度1.27×75%=0.953 MPa計算；η為局部荷載作用面積形狀影響系數，取值1；Um為臨界截面周長，Um=0.5×4=2；ho為截面有效高度，取0.127。

F=1.05ftηUmho=1.05×953×1×2×0.127

=25.42 (t)

F>P, 滿足承載力要求。

3 牛腿混凝土施工

3.1 模板施工

預制模板嚴格按設計尺寸制作成型，運輸及拼裝過程中注意保護，避免模板周邊棱角損壞。

模板安裝就位前，先行完成立柱排架及后拉條的施工，立柱距混凝土設計結構線水平距離≥1 m。模板吊裝采用布置于大壩上游的MQ600B門機，模板均按與水平面呈45°角進行吊裝就位，首層模板置于下層預埋的模板定位筋上，倉內通過花籃螺栓或手動葫蘆精調至設計結構線后用拉筋與立柱排架焊接固定。

3.2 混凝土施工

混凝土澆筑采用平層鋪筑法，混凝土下料由內向牛腿斜面的順序、混凝土按0.3～0.5 m層厚施工。為防止牛腿模板變形，應嚴格控制混凝土上升速度。混凝土振搗過程中嚴禁觸碰拉桿、立柱及模板。澆筑中設專人監護模板，全過程檢查模板在澆筑過程中的變形情況，發現問題及時采取處理措施，以保證模板及支撐的牢固、澆筑結構體型的準確。

4 結 語

建筑物在具備吊裝的條件下，對于特殊結構的混凝土施工采用大塊混凝土預制模板，模板適時提前制作成型，拼裝簡便易行，從而加快施工進度、節省人工及材料占用費等，并能大幅度降低安全隱患。

[1] 河海大學，大連理工大學，西安理工大學，清華大學，合編.水工鋼筋混凝土結構學教材(第三版)[M].北京：中國水利水電出版社，1996.

TV7;TV52

B

1001-2184(2017)05-0059-03

2017-08-20

譚萬開(1978-)，男，四川中江人，工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

李 銳(1977-)男，四川鹽邊人，項目經理，高級工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

芶仕文(1968-)，男，四川都江堰人，工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

鄭 強(1976-)，男，重慶榮昌人，工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作.

(責任編輯李燕輝)