大型船閘多空箱混凝土結構預制鋼筋混凝土模板施工技術

陳秋聲

廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710

1 工程概況

白石窯樞紐船閘工程位于廣東省英德市白石窯樞紐左岸，其中新建二線船閘規格為220m×23m×4.5m，為減少大體積混凝土水化熱，該工程船閘主體自上游進水口至下閘首各個結構段均設計有空箱結構。各結構段空箱型號設計不同，下閘首邊墩空箱就有方形、梯形、L型等不同形狀。

受前期征地拆遷滯后、超標洪水等影響，二線船閘施工工期嚴重滯后，傳統空箱施工工藝已不能滿足工期要求。因此，項目部從模板和支撐系著手，對船閘空箱結構模板及支撐進行優化，采用預制鋼筋混凝土模板代替傳統鋼模板，采用“方管+工字鋼”支撐裝置代替鋼管支架作為支撐體系。通過方案優化，有效地解決了密閉空箱空間內安裝和拆除模板及支撐體系工作量大、效率低等難題，降低了施工成本，縮短了工期。

2 預制鋼筋混凝土模板及支撐結構設計

2.1 預制鋼筋混凝土模板設計

（1）預制模板尺寸。在查閱相關資料及綜合船閘空箱尺寸和吊裝能力后，最終選擇規格為3m×1.7m的側模和規格為3.1m×1m的頂模作為標準模板，其中側模厚80mm，頂模厚150mm。

（2）預制模板細部構造。參考國家建筑標準圖集《混凝土結構施工鋼筋排布規則與構造詳圖（現澆混凝土框架、剪力墻、梁、板）》（18G901-1），預制混凝土側模采用C30混凝土，鋼筋采用直徑為6mm的圓鋼，雙向200mm布置，連接鋼板采用3mm厚的鋼板，每塊預制板布置8塊，規格為80mm×100mm。預制混凝土頂模采用C25混凝土，鋼筋Ⅲ級鋼筋，主筋采用16mm厚的鋼筋（長方向），間距150mm；分布筋采用6mm厚的鋼筋，間距150mm布置，其中主筋安裝在頂板下部，鋼筋保護層厚度為25mm，吊鉤在上部。預制鋼筋混凝土頂模、側模分別均勻預埋4個、6個U型拉鉤（20mm圓鋼）作為模板安裝加固點。

（3）預制模板拼裝。空箱預制模板兩塊模板之間通過鋼板連接點焊接，倒角局部用木模板補縫。

2.2 模板支持體系設計

空箱支撐采用立柱+橫梁組合，立柱采用規格為250mm×250mm×6mm的方管，間隔3m布設，橫梁采用規格為165mm×200mm的工字鋼，立柱頂部及底部鋪設規格為300mm×300mm×8mm的鋼板作為墊片，增加支撐面接觸面積。方管下端布置規格為630mm×8mm的鋼圓筒，鋼圓筒內灌滿密實細沙，主要用于調節立柱的高度和后期支撐體系的拆除。空箱立柱間用角鋼連接，確保空箱立柱的整體性及穩定性。

3 預制鋼筋混凝土模板及支撐體系強度驗算

3.1 預制鋼筋混凝土側板強度驗算

預制側板標準規格為3000mm×1700mm×80mm（長×寬×厚），采用C30混凝土，設單層鋼筋網。C30混凝土軸心抗壓強度設計值fc=14.3MPa，鋼筋等級為HRB400，抗拉強度設計值fy=360MPa。

（1）新澆混凝土側壓力計算。新澆混凝土側壓力取下式中的最小值。

式中：γc為混凝土重力密度，取24kN/m3；t0為混凝土初凝時間，取5.7h；β1為外加劑修整系數，取1.0；β2為混凝土坍落度修整系數，取1.15；V為混凝土澆筑速度，取0.5m/h；H為混凝土澆筑高度，取3m。

經計算：F1=77.39kN/m2，F2=72kN/m2，取較小值，因此新澆混凝土側壓力F=72kN/m2，澆筑混凝土時，對側面模板產生的水平荷載標準值Pv=4kN/m2，振搗混凝土時，對側模板產生的水平荷載標準值Pc=4kN/m2，荷載總值P=97.6kN/m2，面板的最大彎矩M1=8.808×106N·mm。

（2）配筋計算。混凝土底部鋼筋保護層厚c=25mm，采用Φ16mm鋼筋，則截面有效高度h0=52mm，側板計算寬度b=1700mm，主筋直徑為6mm，單根截面積為28.27mm2，共18根，間距為100mm，鋼筋總面積As=508.86mm2。分布鋼筋按構造要求確定，選用Φ6@200mm鋼筋。

3.2 預制鋼筋混凝土頂板強度驗算

預制頂板（以下簡稱“頂板”）標準規格為3100mm×1000mm×150mm（長×寬×厚），采用C25混凝土，設單層鋼筋網，蓋板兩端擱置在空箱兩側規格為165mm×200mm的工字鋼梁上。頂板上部承受混凝土重（含自重）及相應的施工荷載，凈跨度3.0m。C25混凝土軸心抗壓強度設計值fc=11.9MPa，鋼筋等級為HRB400，抗拉強度設計值fy=360MPa。

（1）荷載計算。①永久荷載標準值。結構混凝土均布永久荷載標準值（含蓋板自重）gk1=25kN/m，永久荷載分項系數γG=1.2。②可變荷載標準值。施工人員及設備均布荷載標準值qk1=2.5kN/m，可變荷載分項系數γQ=1.4。振搗混凝土均布荷載標準值qk2=2.0kN/m，荷載設計值S1=gk1×γG+（qk1+qk2）×γQ=36.3kN/m。

（2）內力計算。蓋板計算跨度l0=3.05m，跨中彎矩設計值M1=S1×l02÷8=42.4kN·m。（3）配筋計算。混凝土底部鋼筋保護層厚c=25mm，采用Φ16mm鋼筋，則截面有效高度h0=117mm，側板計算寬度b=1000mm，主筋直徑為16mm，單根截面積為201.1mm2，共7根，間距150mm，鋼筋總面積As=1407mm2。分布鋼筋按構造要求確定，選用Φ6@150mm鋼筋。

3.3 支撐體系驗算

（1）工字鋼按該工程最大跨度3m×3.4m計算。彎矩M的計算公式如下：

式中：q為作用在工字鋼上的線荷載；l為計算跨度，取3m。

經過計算M=1÷8×25×1.7×3×3=47.82kN·m。

工字鋼規格為165mm×200mm，若要求不發生整體失穩，則最大應力σ的計算公式如下：

式中：MX為工字鋼所受最大彎矩；Wx為工字鋼截面抵抗矩，取237cm3；σcr為工字鋼容許最大應力值，取215N/mm2。

經過計算σ=47.82÷237×1000=201.74N/mm2≤ 215N/mm2，滿足要求。

（2）方管立柱受力按下閘首最大空箱9.3m×10.8m×7.5m計算。空箱頂混凝土重力G=2511kN，空箱共設置12根方管，單根方管軸心受力N=156.94kN，方管規格為250mm×250mm×6mm，方管回轉半徑i=99.55mm，方管立柱凈截面面積A=25×25-（25-1.2）×（25-1.2）=58.56cm2，則長細比λ=75.34，查表得a類構件穩定系數ψ=0.807，則方管的整體穩定計算公式如下：

式中：N為方管立柱的軸心壓力設計值；φ為軸心受壓立桿的穩定系數；A為方管立柱凈截面面積；[f]為鋼管立桿抗壓強度設計值。

經過計算σ=(156.94×1000)÷(0.807×58.56×100)=33.21N/mm2＜235N/mm2，滿足要求。

4 施工方法

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程為放線定位→空箱側板安裝→混凝土澆筑→支撐體系安裝→空箱頂板安裝→混凝土澆筑→支撐體系拆除。

4.2 主要施工方法

（1）放線定位。測量人員根據施工圖紙放樣定位，放出空箱結構邊線位置。

（2）空箱側板安裝。在結構邊線內側鉆孔，植入定位鋼筋，采用吊車吊裝至安裝部位進行拉筋焊接，兩塊相鄰模板間通過模板邊緣設置的鋼板進行焊接。

（3）支撐體系安裝。混凝土澆筑到空箱設計高程后，進行頂板支撐體系的安裝，體系結構分塊在地面焊接完成后進行整體吊裝。

（4）空箱頂板安裝。支撐體系安裝完成后，采用汽車吊將預制頂板吊裝至安裝部位。頂板上預留規格為2m×3m的孔洞不予鋪設頂板，并在四周安裝木模板形成通道，方便后期施工人員進出空箱拆除支撐體系，同時頂板往上預埋C25鋼筋彎鉤用于錨固，確保施工安全，并在模板縫間設置彎鉤伸入空箱內部，用于后期支撐體系拆除時使用。

（5）支撐體系拆除。待空箱頂混凝土強度達到設計要求后，施工人員由預留孔洞進入空箱將支撐體系拆除。拆除時，將手動小型葫蘆固定在預留彎鉤上，鋼絲繩通過手動葫蘆將工字鋼綁好固定，再將底部鋼圓筒里面細砂抽離，然后將方管和工字鋼分解吊出空箱。

5 結束語

白石窯樞紐船閘工程創新提出“方管+工字鋼”結合“預制鋼筋混凝土模板（頂模板及側模板）”空箱施工工藝替代傳統“鋼模板+滿堂支撐架”的施工方式，加快了現場施工速度，同時支撐結構可就地取材，節約環保，可在類似工程施工中推廣應用。