泄洪洞進水塔大跨度異形胸墻高承重體系設計

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概況

圖1 進水塔768m～787m高程縱剖面(塔體中軸線)三維示意

2 十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管組合支撐體系優勢

塔體胸墻混凝土澆筑是塔體澆筑工程的重點、難點工作，胸墻能否順利澆筑制約著整個塔體澆筑工程的進展。設計一種既安全可靠，又方便快捷，同時，成本低廉的胸墻承重排架體系，在塔體澆筑工程的安全、質量、進度、效益等方面起到至關重要的作用。

目前的胸墻澆筑施工往往選用普通φ48鋼管搭設滿堂支撐架。因支撐架承受的上部荷載較大，排架搭設時橫距、縱距、步距較小，使用的鋼管、扣件工程量很大，搭設、拆除用時較多，且架管密集搭拆施工難度較高。選用十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管作為支撐體系，普通架管材質為Q235，架管直徑48mm，為保證能夠承受2m厚混凝土重力，一般架管間距控制在60cm左右，而十字盤腳手架立桿材質為Q345，直徑70mm，具有高承載力特性，承受2m厚度混凝土重力，間距可調大至1.5m，因此，十字盤腳手架能大大縮短排架搭設拆除時間、降低施工難度、節省材料。近幾年出現采用十字盤腳手架或盤扣式腳手架配合定制型鋼桁架作為胸墻澆筑的承重體系，這種形式的設計定型桁架需要大量的鋼材，且再利用的價值很低。若塔體澆筑分層分塊或塔體結構調整，型鋼桁架還沒使用就需要改造甚至廢掉重新加工制作，造成大量鋼材浪費和施工工期的延長。選用十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管作為支撐體系，利用普通φ48鋼管代替了型鋼桁架支撐頂部模板，大大降低了鋼材的使用量。φ48鋼管搭拆靈活不受體型調整制約，且架管拆除后可重復使用。型鋼平臺使用的型鋼不需進行焊接、彎折等加工，拆除后可再回收利用價值高。十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管承重體系的設計不僅施工方便、搭拆用時短、材料可回收利用率高，更大大節約了施工成本。

3 十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管支撐體系設計

3.1 支撐體系設計

泄洪洞進水塔胸墻模板支撐體系由三部分組成。第一部分為770m～781m高程φ70系列十字盤腳手架，第二部分為十字盤腳手架頂部型鋼平臺，第三部分為平臺以上普通鋼管滿堂架及防側移拉筋、斜撐。模板支撐體系如圖2、圖3所示。

圖2 進水塔胸墻澆筑支撐體系剖面示意

圖3 進水塔胸墻澆筑支撐體系三維示意

3.2 十字盤腳手架設計參數

770m～781m高程采用φ70系列十字盤腳手架，十字盤腳手架立柱橫距縱距為1200mm×1500mm。φ70系列十字盤腳手架主要由以下構件組成：橫桿、可調頂托、外套管立桿、斜桿、立桿連接銷、可調底座。其中立桿材料為Q345B，其它桿件材料為Q235。十字盤腳手架為滿堂支撐架，搭設樁號范圍為k0+044.7m～k0+025.2m。搭設高度為770m～781m高程段(頂托高程為781m)。

3.3 普通鋼管滿堂架設計參數

平臺上部搭設φ48普通鋼架管承重排架，排架橫距縱距步距為0.6m×0.75m×0.75m。承重排架立桿頂部均設置可調頂托，頂托頂緊模板背楞。對于模板傾斜度較大的部位利用雙φ48鋼管作為模板背楞，同時支撐架每根立桿附近均增加垂直模板的斜桿支撐。模板傾斜度小的部位模板背楞采用100mm×50mm×3mm的方鋼，承重排架立桿頂托與方鋼間墊梯形松杉木塊，木塊上表面與方鋼管表面完全貼合。普通鋼架管承重排架詳圖見圖4、圖5。

3.4 胸墻模板防側移措施設計

進水塔流道胸墻模板曲率較大，新澆筑的混凝土對模板會產生一定的側壓力。為抵消這部分側壓力采取雙重保障措施，一是在曲率較大的模板底部利用垂直于模板面的鋼管做斜撐，每一根斜撐鋼管均通過扣件與至少三排立桿扣接；二是在已澆筑混凝土里預埋拉筋，拉筋穿過胸墻最外側模板通過拉筋來承受混凝土對模板的側壓力。

圖4 φ48承重排架設計示意

圖5 立桿頂托與模板背楞連接方式示意

最外側模每塊模板均使用φ18拉筋拉緊。

3.5 支撐體系強度計算

3.5.1 設計計算指標采用值

(1)Q235鋼材物理性能指標：彈性模量E=206000N/mm2；質量密度ρ=7850kg/m3；抗拉、抗壓、抗彎f=205N/mm2；抗剪fv=125N/mm2。

(2)受壓構件容許長細比：[λ]=150。

(3)混凝土最大澆筑層厚2.0m。

(4)設計荷載：計算模板、支架時，應考慮下列荷載。

①模板、支架自重：模板自重為1.2kN/m2，支架自重為0.3kN/m3。

②新澆筑混凝土容重24kN/m3、鋼筋一般取1.1kN/m3～1.5kN/m3，本次計算中鋼筋混凝土的容重取26kN/m3。

③施工人員和施工材料、機具等行走運輸或堆放的荷載：計算模板及支撐模板的小楞時，均布荷載取2.5kN/m2；計算支架時，均布荷載取1.0kN/m2。振搗混凝土時產生的荷載(作用范圍在有效壓頭高度之內)對水平面模板取2.0kN/m2。

荷載分項系數：模板及其支架自重荷載、新澆鋼筋混凝土自重荷載分項系數1.2，施工人員及施工設備荷載、振搗混凝土時產生的荷載分項系數為1.4。

3.5.2 鋼管支撐架計算

(1)支撐架立桿豎向荷載計算

鋼管支撐立桿橫向布置間距為600mm，縱向布置間距為750mm，則作用在立桿上的荷載：N=0.6×0.75×(1.2×(26×2.0+1.2+0.22×5)+1.4×(1.0+2.0))=31.21kN。

(2)受壓桿件穩定驗算

[N]=φAf

式中：φ——軸心受壓構件穩定系數，應根據長細比λ取值；

l0——計算長度，l0=ku(h+2a)；

i——立桿截面回轉半徑；

h——步距；

a——立桿伸出頂層水平桿中心線至支撐點的長度；

A——截面積。

經查《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》附錄并通過計算得：[N]=φAf=0.537×506×205÷1000=55.7kN>31.49kN。

故立桿承載力滿足要求。

3.5.3 防側移措施斜桿及拉筋計算

(1)拉筋計算

查《混凝土結構工程施工規范》(GB 50666-2011)附錄A可知模板的最大側壓力計算公式為：

F=0.43γcToβν0.25

F=γcH

式中：F——新澆筑混凝土對模板最大側壓力(kN/m2)；

γc——混凝土重力密度(kN/m3)；

To——新澆混凝土的初凝時間(h)；

β——混凝土塌落度影響修正系數；當塌落度50mm～90mm時，β取值0.85；

H——混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土的頂面的總高度(m)；

v——混凝土澆筑高度(厚度)與澆筑時間的比值，即澆筑速度(m/h)。

混凝土側壓力計算按照兩者較小值為準。

混凝土在澆筑過程中坯層寬度2.5m，厚度0.5m，坯層長度=6.5+12×0.25+15=24.5m，混凝土澆筑方量=2.5m×24.5m×0.5m=30.6m3，混凝土上升速度=0.5m÷(30.6m3÷36m3/h)=0.59m/h。則：

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

根據規范要求，F取值為30.75kN/m2。

若混凝土插筋每塊模板(1.5m×1.5m)布設一根φ18mm拉筋，則單根拉筋承受的拉力P1=F×A=30.75×1.5×1.5=69.2kN。

單根φ18mm拉筋抗拉強度設計值P2=3.14×9×9×360÷1000=91.56kN。

因P1小于P2，故每塊模板設置一根拉筋滿足強度要求。

(2)斜撐受力計算

由上述計算知模板側壓力F=30.75kN/m2，斜撐布置間距為0.6m×0.75m。

單根斜桿承受的側壓力P=30.75×0.6×0.75=13.84kN。

每根斜桿至少與三根立桿通過扣件扣接，則單個扣件受力f=13.84÷3=4.6kN<8kN，滿足強度要求。

3.5.4 十字盤腳手架計算

(1)立桿承載力計算

立桿φ70×3.5：截面面積A=731.2mm2，慣性矩I=40.531×104mm4，回轉半徑i=23.54mm，抗彎截面模量W=11.58×103mm3。

材料Q345：抗拉、壓、彎強度設計值f=310N/mm2，抗剪強度設計值fv=180N/mm2。

上部荷載為集中荷載，按照最不利荷載進行計算，則：

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

(2)強度計算

立桿的截面一般沒有削弱，強度不是它的控制條件，因此，不需驗算強度。

(3)穩定計算

組合風荷載時，采用以下公式計算：

h——腳手架單根立桿的長度，此處為1.5m；

qwk——線風荷載標準值，對于敞開式腳手架立桿，取qwk=Wk·d；對于封閉式、半封閉式腳手架立桿，取qwk=Wk·a。此處按敞開式計算；

d、a——立桿外徑與立桿縱距；

φ——軸心受壓桿件的穩定系數，由立桿的長細比查得。

風速取最大允許風速29m/s，風力等級大于9級。考慮到桿件迎風面受壓和背風面受吸，取1.5的系數。

則風壓標準值：

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

風線荷載標準值：

qwk=Wk·d=0.789×0.07=0.055kN/m。

則風荷載產生的彎矩：

μ為立桿計算長度系數，立桿按兩端固接，則此值為0.65。

根據λ=41.42，焊接圓管屬于b類截面，查得φ=0.880。

圓管的極限承載力由壓桿失穩控制時，其破壞特征屬于脆性破壞特征。因此，當圓管的長細比小于100時，穩定計算中，強度設計值乘以0.9的折減系數。得豎桿所能承受的最大軸向荷載為：

178kN>Nmax=124.85kN

即十字盤腳手架立桿的承載能力滿足要求。

(4)水平桿配件的承載力計算

水平桿φ48×3.0：截面面積A=424.1mm2，慣性矩I=10.783×104mm4，抗彎截面模量W=8.985×103mm3，回轉半徑i=15.94mm。

桿件材料Q235：抗拉、壓、彎強度設計值f=215N/mm2，抗剪強度設計值fv=125N/mm2。

①水平桿配件的抗彎強度計算：

可得水平桿可承受的最大彎矩Mmax=W·f=8.985×103×215=1.93×106N·mm=1.96kN·m。

水平桿規格為最大長度1.5m，經計算1.5m長水平桿在滿足強度要求下，可承受的最大水平線荷載為6.9kN/m。

②水平桿配件的變形計算：

ωmax≤[ω]

[ω]=l/400

桿件跨中最大撓度ω=(5ql4)/384EI，E=206GPa。

經計算1.5m長水平桿在滿足變形要求下，可承受的最大水平線荷載為1.3kN/m。

根據抗彎強度和變形計算結果，q選取兩者中較小值，施工中，考慮作用在水平桿上的施工荷載不超過0.7kN/m，故水平桿滿足受力與變形要求。

4 支撐架搭設技術要求

4.1 十字盤腳手架搭設技術要求

4.1.1 搭設工藝流程

支撐架基礎清理、驗收→施工測量定位→安裝可調底座調至設計高度→安裝立桿、橫桿→安裝掃地桿→安裝斜桿→水平尺校正水平和垂直→安裝上一步立桿、橫桿→安裝斜桿→施工測量定位→安裝可調頂托，調至同一高度。

4.1.2 搭設要求

(1)支撐架搭設和拆除時，操作人員應持證上崗，操作人員和施工人員應經過架體技術培訓和技術交底；

(2)支撐架基礎經驗收合格允許使用后，嚴格按照十字盤腳手架立桿布置圖確定立桿底座位置。立桿底座不得與混凝土表面直接接觸，底座與混凝土表面間墊設30cm×30cm厚2cm的木板，以防止底座破壞混凝土表面；

(3)基礎高低差較大時，利用可調底座進行找平。安排專人負責立桿底部整體找平，確保立桿根部與地基持力層頂壓牢固；

(4)搭設時按照模板支撐架平面布置圖放線，確定底座位置，然后按放線位置準確地確立擺放立桿的位置，將掃地桿，第一步橫桿鎖定在立桿上，保持其穩定；再用水平尺或水平儀調整水平和垂直，檢驗合格后再進行上部標準層架體的搭設。在施工中隨著架體的升高隨時檢查和校正架體的垂直度；

(5)每根橫桿、斜桿安裝后，應隨時將插銷緊固好；

(6)每一步搭設完成后，十字盤腳手架兩側應利用φ48鋼管水平支撐在進水塔兩側邊墩上，限制十字盤腳手架側向位移。φ48鋼管至少與十字盤腳手架上兩排橫桿連接；

(7)在搭設支撐架過程中不得隨意改變原設計、減少材料使用量、配件使用量或卸載。現場確實需要改變搭設方式或使用功能時，必須經項目總工或支撐架設計人員簽字同意后方可更改；

(8)立柱中心點樁號為k0+040.2m的一排架體立柱下方，由于空間有限無法使用底座，改為在立桿底部鋪墊[10槽鋼，槽鋼底部應平整；

(9)十字盤腳手架頂托高度控制在781m高程，所有頂托高程必須保持一致。

4.2 普通鋼架管搭設技術要求

4.2.1 腳手架搭設程序要求

施工程序：逐根安裝立桿和掃地桿并將立桿在基礎上固定穩當→安裝第一步長方向聯系桿并與立桿扣緊→安裝第一步短方向聯系桿并與長方向聯系桿扣緊→安裝第二、三步長短方向聯系桿→立桿間固定→加設剪刀撐→鋪腳手板→綁扎護身欄桿及擋腳板，掛安全防護網→接立桿→循環上述步驟→頂托安裝→頂托高度校驗。

4.2.2 腳手架搭設技術要求

(1)支撐架搭設橫距縱距步距為0.6m×0.75m×0.75m；

(2)腳手架必須設置縱、橫向掃地桿。縱向掃地桿應采用直角扣件固定在距鋼管底部不大于20cm處的立桿上。橫向掃地桿應采用直角扣件固定在緊靠縱向掃地桿下方的立柱上。掃地桿的設置層應設置水平剪刀撐；

(3)立桿伸出頂層水平桿中心線至支撐點的長度不超過0.5m；

(4)每根立桿的底部設置底座或墊板；

(5)在架體外側周邊或內部縱橫向每5跨(且不小于3m)由底至頂設置連續豎向剪刀撐，剪刀撐寬度應為5跨；

(6)在豎向剪刀撐頂部交點平面應設置水平剪刀撐，水平剪刀撐間距不超過4m，剪刀撐寬度應為3m～5m；

(7)豎向剪刀撐斜桿與地面的傾斜角度應為45°～60°，水平剪刀撐與支撐架縱橫向夾角應為45°～60°；

(8)滿堂支撐架的可調底座、可調托撐螺桿伸出長度不超過30cm，插入桿內的長度不得小于15cm；

(9)頂托伸出長度根據測量數據定位。

5 承重體系運用效果分析

5.1 安全可靠性

白鶴灘泄洪洞進水塔胸墻澆筑前，安排測量人員在反弧段等間距布置5個變形觀測點，澆筑過程中全程監控模板變形情況。根據測量數據分析，澆筑過程中高度上最大變形量13mm，水平方向最大變形量9mm。通過變形數據的收集，下一倉澆筑前，對模板體型進行微調，高度方向上向上調整15mm，該種措施能夠有效保證體型質量。通過測量結果驗證了十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管支撐體系設計的安全性和可靠性。

5.2 快捷性

與傳統扣件式滿堂支撐架搭設時間相比，白鶴灘泄洪洞進水塔胸墻若全部使用扣件式滿堂腳手架做支撐體系，搭設時間在25d左右。而采用十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管的設計方式，搭設時間為15d，大大縮短了搭設時間。

5.3 經濟性

白鶴灘泄洪洞進水塔胸墻承重排架搭設用的十字盤腳手架、型鋼平臺、上部扣件式腳手架使用的材料均可全部回收再利用。型鋼平臺使用的鋼材基本無焊接、彎折等加工，可再利用率高。較白鶴灘水電站導流洞進水塔胸墻承重排架十字盤+型鋼桁架的設計方式節省大量型鋼。

6 結語

白鶴灘水電站泄洪洞進水塔胸墻澆筑采用該承重設計形式，承重體系全部利用項目部現有的材料搭設，承重體系拆除后全部回收再利用，大大減少了材料購買、租賃的成本，提高了材料再利用率，為項目部節約了大筆開支。承重體系搭拆方便、快捷有效，縮短了塔體澆筑工期，保證了泄洪洞進水塔按時澆筑完成。進水塔胸墻澆筑過程中承重排架安全、穩定，模板變形量滿足質量要求。十字盤腳手架+型鋼平臺+普通鋼管支撐體系設計在白鶴灘泄洪洞進水塔澆筑中成功運用，為以后類似工程提供了安全、可靠、合理、有效的設計參考。