倒錐殼水塔裝配式環(huán)形可調節(jié)托架設計及應用

吳越升WU Yue-sheng；玉鎮(zhèn)熇YU Zhen-he；阮仕鋒RUAN Shi-feng

（廣西路建工程集團有限公司，南寧 530012）

0 引言

倒錐殼水塔施工由于其高空作業(yè)特性，一直以來都存在較大的安全隱患，常規(guī)支架現(xiàn)澆工藝已經(jīng)無法滿足當下的安全要求，研究出更安全的倒錐殼水塔箱體施工方法迫在眉睫。本文通過分析支模體系，配合“高空作業(yè)平地化”理念，設計與之適配的裝置，改善臨時支撐結構受力情況，提高整體安全穩(wěn)定性，并且將闡述設計應用于實際工程情況。

1 工程概況

賀州至巴馬高速公路（來賓至都安段）項目№1 標一分部承建一座收費站水塔，該水塔建筑高度為33.755m，支筒外徑為2.4m，壁厚180mm，沿筒身豎直方向設有采光圓形窗口10 個，支筒、環(huán)板分別采用C35 和C30 混凝土，塔頂水箱下殼壁厚120mm、上殼壁厚80mm，采用S8 抗?jié)B等級的C30 混凝土。

2 裝配式環(huán)形可調節(jié)托架設計

2.1 總體設計

通過對目前已有的常規(guī)支架做法進行改進，支架不再直接支撐水塔箱體，而是作為“施工平臺”使用，平臺滿鋪木板并設置護欄，實現(xiàn)“高空作業(yè)平地化”，將環(huán)梁以上的水塔支撐部分采用環(huán)形托架形式，托架直接放置于支架平臺上，與平臺無固定連接，僅有豎向荷載傳遞無水平荷載傳遞至支架，對比原來立桿直接支撐水箱底面受到水平力作用，大幅提高立桿安全穩(wěn)定性，如圖1 所示。當用于地面預制提升法時，亦可在硬化平整后的地面上使用托架來完成水箱的地面預制工序。

圖1 支架平臺+裝配式環(huán)形可調節(jié)托架設計示意圖

考慮到托架的運輸、儲存、適用性及循環(huán)使用，托架采用桁架片+橫向連接的裝配式設計，對整體結構拆分為8個組成部分，分別為下弦桿、腹桿、上弦桿、護欄、下弦橫連、腹桿橫連、護欄橫連、環(huán)形鋼管。如圖2 所示。其中下弦桿、腹桿、上弦桿、護欄、下弦橫連、環(huán)形鋼管需要在鋼結構加工廠進行加工制造，腹桿橫連、護欄橫連采用扣件式鋼管，鋼管可在施工現(xiàn)場進行裁剪。

圖2 裝配式環(huán)形可調節(jié)托架細部詳圖

2.2 上、下弦桿設計

下弦桿作為托架底部受力基礎，主要作用為固定腹桿底部節(jié)點位置以及將節(jié)點處集中荷載轉換為線荷載向下傳遞，下弦桿長度取決于所用水塔箱體半徑，水塔箱體半徑一般介于3m～6.5m 之間，根據(jù)目前常用水塔型號，下弦桿設計為150m330°水箱標準節(jié)段長度，可適用于常見的50m3～150m3水箱，對于較為少見的200m3水箱則需要采用夾板焊接方式對下弦桿進行接長。

上弦桿主要作用為承受水箱鋼筋混凝土荷載，要求上弦桿具有一定的剛度。上弦桿長度與水箱下錐殼長度相適應，初始尺寸按照150m330°水箱確定為5.2m，可適用于50m3～150m3水箱，200m3水箱則需要采用夾板焊接方式對上弦桿進行接長。

2.3 腹桿設計

腹桿作為上弦的豎向支撐和角度調節(jié)器，為托架的核心構件，腹桿需要具備無級調節(jié)功能和足夠的調節(jié)范圍，腹桿設計為鋼管+螺桿形式，鋼管作為不可調節(jié)部分，在鋼管兩端焊接螺母，螺桿作為可調節(jié)部分，螺桿擰入鋼管兩端螺母內，通過旋轉鋼管或者螺母可調節(jié)螺桿伸出長度。鋼管長度按照30°水箱設計，螺桿長度按照45°水箱設計。由于腹桿需具備可伸縮性，其余桿件與腹桿均采用銷接連接。每片桁架片從左至右依次設計有6 根腹桿，如圖3 所示。

圖3 單個桁架片腹桿編號分配圖

2.4 護欄設計

護欄采用L 字形設計，包括底部作為人行平臺的平臺桿以及豎直的立桿，平臺桿與立桿采用焊接固定，為保證平臺桿的水平以及立桿垂直度，平臺桿一端與上弦桿端頭連接，另一端與腹桿連接，兩端接頭均采用插銷連接，通過調整腹桿長度，即可調整平臺桿水平。平臺桿采用具有足夠剛度的槽鋼，考慮立桿后期需采用扣件式鋼管連成整體，立桿亦選用同型號扣件式鋼管。

2.5 下弦橫連設計

為保證托架“基礎”牢固，下弦桿需要采用型鋼連接成整體，保證下弦桿水平穩(wěn)固。橫連有橫桿以及斜桿兩種桿件類型，橫連與下弦桿組合而成水平桁架結構，橫連與下弦桿采用螺栓固定，如圖4 所示。

圖4 下弦橫連平面設計圖

2.6 腹桿橫連設計

腹桿橫連采用扣件式鋼管，連接相鄰腹桿，控制由上、下弦及腹桿組成的三角桁架片處于豎直狀態(tài)。腹桿橫連有橫桿以及斜桿兩種桿件類型，橫桿采用十字扣件與腹桿連接，斜桿采用旋轉扣件與腹桿連接。

2.7 護欄橫連設計

護欄橫連采用扣件式鋼管，共設置兩層，護欄中部及頂部各一層，護欄橫連采用十字扣件與護欄相連。

2.8 環(huán)形鋼管設計

為保證水箱弧面平順，采用與弧面相適配的環(huán)形鋼管作為水箱模板體系的主梁，鋼管采用常規(guī)扣件式鋼管，利用彎曲機將其制作成圓形，考慮到運輸以及安裝便捷性，將環(huán)形鋼管分割平均成4 段，接口處設計為內套筒連接。環(huán)形鋼管與上弦桿采用鐵絲綁扎并加設點焊三角鋼板相連接。

2.9 結構驗算

考慮功能性以及安全性，對桿件所用型鋼類型進行選取，并采用有限元軟件Midas Civil 對其整體建立數(shù)值模型，分析整體強度以及剛度是否滿足規(guī)范要求，結果如表1 所示。

表1 托架桿件設計表

2.9.1荷載設計（見表2）

表2 荷載設計表

2.9.2模板體系計算

模板最大跨徑為40cm，結果如表3 所示。

表3 模板參數(shù)表

按三等跨連續(xù)梁，取1m 單位寬度計算。

承載能力極限狀態(tài)：

正常使用極限狀態(tài)：

①強度驗算。

滿足要求！

②抗剪驗算。

滿足要求！

③撓度驗算。

滿足要求！

2.9.3小梁驗算

小梁按照三等跨連續(xù)梁計算，每跨跨徑0.65m，結果如表4 所示。

表4 小梁參數(shù)表

承載能力極限狀態(tài)：

正常使用極限狀態(tài)：

①強度驗算。

滿足要求！

②抗剪驗算。

滿足要求！

③撓度驗算。

滿足要求！

2.9.4Midas 軟件計算

運用MIDAS 根據(jù)建立的整體支架模型輸入相應荷載工況并進行分析驗算。（見圖5）

圖5 裝配式環(huán)形可調節(jié)托架最大組合應力云圖

模板傳遞至環(huán)形鋼管的荷載為：承載能力極限狀態(tài)q1=7.234×0.65=4.702kN/m；正常使用極限狀態(tài)q2=5.612×0.65=3.648kN/m。

承載能力極限狀態(tài)下，整體結構最大組合應力98.13MPa＜190MPa，驗算合格。

其中各桿件應力結果如表5 所示。

由以上可得出，受力較大為上弦桿以及環(huán)形鋼管，兩者均作為主梁承受上部荷載。

3 裝配式環(huán)形可調托架的應用

支架平臺完成后，開始裝配式環(huán)形可調托架的安裝。

3.1 安裝下弦桿及下弦橫連

將所有下弦桿及下弦橫連按照設計要求設計至平臺，人工將所有桿件調整擺正安裝螺栓并擰緊，整體連接完成后需要對中心水平位置進行調整，確保結構中心對齊水塔中心，利用卷尺測量托架與水塔環(huán)板之間的間隙，人工利用撬棍插入縫隙調整縫隙寬度，調整后使用木楔塞入縫隙，所有縫隙寬度應相等，誤差不得大于±2mm。

3.2 安裝上弦桿及腹桿

先安裝所有上弦桿以及5 號腹桿，通過旋轉腹桿的鋼管調節(jié)5 號腹桿的螺桿伸出長度，使上弦桿呈設計角度，之后再陸續(xù)安裝1～4 號腹桿。

3.3 安裝腹桿橫連

利用水平尺調整桁架片的豎直度，隨后安裝3 號腹桿的橫連，采用十字扣件將鋼管與3 號腹桿相連，安裝過程中應實測每一片桁架片的豎直度。所有3 號腹桿橫連完成后再安裝5 號腹桿橫連，5 號腹桿橫連包括2 道水平桿和1 道斜桿。

3.4 安裝環(huán)形鋼管

將所有桁架片相互連接固定完成后，托架主體結構已基本成型，開始安裝水箱模板體系的主梁環(huán)形鋼管。先將環(huán)形鋼管放置于上弦桿上，測量環(huán)形鋼管水平度并進行調整，調至水平后緊貼環(huán)形鋼管在上弦桿上點焊小鋼板用于固定環(huán)形鋼管防止滑移，如圖6 所示。

圖6 下弦橫連平面示意圖

3.5 安裝模板

模板采用1.5cm 厚竹膠板，竹膠板底下為間距40cm的40mm×60mm 方木，將鐵釘打穿竹膠板插入方木內，將方木與竹膠板連成一體，模板接縫處需設置方木，避免模板懸挑以及控制模板間縫隙，模板縫隙內填充玻璃膠，避免水箱弧面漏漿，影響外觀質量。

3.6 安裝護欄及護欄橫連

護欄與上弦桿頂端進行銷接，再與6 號腹桿銷接，調節(jié)6 號腹桿長度，使用平臺桿水平，最后裝上2 層護欄橫連。在平臺桿上鋪設竹片腳手板，在立桿上掛設安全網(wǎng)。

4 結語

隨著我國的發(fā)展，人民的工作條件逐步改善，人民的生命財產(chǎn)安全保護不可侵犯。水塔施工為高危工作，水塔箱體裝配式可調節(jié)托架的研究，可提高施工的安全性。創(chuàng)新水塔施工新工藝，保障作業(yè)安全性，實現(xiàn)高空作業(yè)平地化，可為水塔施工安全標準化施工提供經(jīng)驗借鑒。