栗子塘水電站大壩公路橋鋼構(gòu)件承重架優(yōu)化設(shè)計與施工

劉正科

（湖南省水利水電工程總公司 長沙市 410007）

1 工程概況

栗子塘水電站位于湖南省新寧縣回龍寺鎮(zhèn)境內(nèi)，資水一級支流——夫夷水下游，距新寧縣城59km，距回龍鎮(zhèn)8km。工程以發(fā)電為主，兼有通航、養(yǎng)殖等綜合效益。壩址控制流域面積3541km2，占夫夷水總流域面積4554 km2的77.76%，多年平均流量102m3/s。電站裝機(jī)容量為3.2kW×3臺。

大壩為混凝土閘壩，共分為9孔，每孔凈寬15m，為底流消能方式；壩頂公路橋上部構(gòu)造采用16.6m現(xiàn)澆混凝土整體T型簡支梁設(shè)計，公路橋底梁至溢流面最大高度為11.9m；因公路橋施工時為主汛期，大壩圍堰設(shè)計為10年一遇過水圍堰，有可能洪水漫過上、下游圍堰而淹沒整個基坑；設(shè)計方要求橋梁施工時下部支承架必須采取架空形式以便汛期洪水過流，故不能采用普通鋼管滿堂腳手架支撐；因T型梁4根為整體設(shè)計，自重（145t）大，也無法采取吊裝方案。

2 鋼構(gòu)件承重架設(shè)計與計算

設(shè)計思路：采用鋼桁架連續(xù)梁和鋼管立柱支撐設(shè)計方案。鋼管立柱共12根，縱向3排，均間距為3.75m；立柱上采用鋼桁架縱梁連接，鋼桁架縱梁上按設(shè)計的4道混凝土T型梁布置4排鋼桁架橫梁，橫梁采用二跨等跨連續(xù)梁連接形式；所有鋼構(gòu)件均采用螺栓連接穩(wěn)固又便于裝拆；橫梁上面再鋪方木、模板形成一個統(tǒng)一整體。所有鋼構(gòu)件利用現(xiàn)有施工塔吊裝拆到位（附圖）。

2.1 設(shè)計荷載計算：單孔公路橋設(shè)計荷載計算

（1）每孔靜荷載計算：每孔公路橋混凝土重量為:55 m3×25kN/m3=1443.75kN。

（2）每孔設(shè)計靜荷載：G=1.2×1443.75=1732.5kN（靜載系數(shù)1.2），折算成均布荷載q1=28.88n/mm。

（3）設(shè)計動荷載：

●施工人員行走和施工料具運(yùn)輸或堆放的荷載：根據(jù)DL/T5110-2000規(guī)范取值為2.5kN/m2。

●傾倒混凝土產(chǎn)生的沖擊荷載：根據(jù)DL/T5110-2000規(guī)范取值為2.0kN/m2。

●振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載：根據(jù)DL/T5110-2000規(guī)范取值為2.0kN/m2。

以上相加，則設(shè)計動荷載為：1.4×6.5=9.1kN/m2（動載系數(shù)1.4）換算為均布荷載q2=0.61n/mm。

（4）總均布荷載為q=29.49n/mm。

2.2 等跨連續(xù)梁計算

鋼管立柱跨距I為3.75m；根據(jù)計算出來的動、靜荷載及橋面有關(guān)幾何數(shù)據(jù)計算得出二跨等跨連接梁線性均布荷載值為q=29.49n/mm。

設(shè)定承載等跨連續(xù)梁為材質(zhì)為Q235b的槽鋼，其彈性模量為E=2.6×105n/mm2，混凝土的彈性模量為E=2.1× 104n/mm2，槽鋼強(qiáng)度設(shè)計值為[σ]=215n/mm2。

附圖 壩頂公路橋現(xiàn)澆承重結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)計算：四跨等跨連續(xù)梁最大彎矩:M=Kmql2=0.077× 29.49n/mm×37502=3193.21kn/cm（Km為彎矩系數(shù)）。

四跨等跨連續(xù)梁最大剪力:V=Kvql=0.446×25.79×3750= 49.32kN（Kv為剪力系數(shù)）。

由等跨連續(xù)梁最大彎矩M=3193.21Kn/cm計算得出最小截面抵抗矩Wmin：

Wmin=M/[σ]=31932140.63n.mm/215n/mm2=148.52cm3

考慮到結(jié)構(gòu)需要，選2根支尖靠支尖的槽鋼組合而成連續(xù)梁;查槽鋼組合截面表得：

2 [16a：截面慣性矩I=1732cm4，截面抵抗矩W=216cm3；

2 [18a：截面慣性矩I=2540cm4，截面抵抗矩W=282cm3；

2 [20a：截面慣性矩I=3560cm4，截面抵抗矩W=356cm3。

考慮其穩(wěn)定性要求:l1=375cm查表并經(jīng)插入法得出每根[20a所承受的彎矩值為2315Kn/cm，則2根[20a所承受的彎矩值為2315×2=4630Kn/cm＞四跨等跨連續(xù)梁實際最大彎矩2792.57kn/cm，故用2根支尖靠支尖的槽鋼組合而成連續(xù)梁抗彎強(qiáng)度滿足要求。另外其抗剪能力亦可滿足要求。

該二跨等跨連續(xù)梁的繞度經(jīng)計算為:

W=Kwql4/（100EI）=0.967×29.49×37504/（100×2.6×105× 35600000）=0.61mm。

由此可知:選用2根支尖靠支尖的槽鋼組合而成連續(xù)梁（2[20a）合適。

2.3 鋼管立柱支撐計算

根據(jù)鋼管立柱受力狀態(tài)，可簡化為下端固定，上端簡支的受力模型，其長度系數(shù)取μ=0.7則計算長度為l0=μl= 0.7×1100=770cm，又經(jīng)計算各根立柱均載為N=147.45kN。

根據(jù)規(guī)范要求：長細(xì)比[λ]＜150。

選定鋼管為:Φ180×8 i=0.35（d+D）/2=0.35×（16.4+18）/2=6.02

λ=l0/I=770/6.02=128＜[λ]=150因此所選Φ180×8鋼管適用。計算：截面慣性矩I=π/64×（D4-d4）=π/64×（184-16.44）=1602cm4

截面抵抗矩 W=π/32×（D4-d4）/D4=π/32×（184-16.44）/ 184=178cm3

由λ=128查得穩(wěn)定系數(shù)Φ=0.445，計算鋼管立柱截面積A=π/4×（D2-d2）=43cm2

σ=N/（Φ.A）=147450/（0.445×4300）=77.06Mp＜[σ]= 166.7Mp

可知鋼管立柱穩(wěn)定性符合要求。

3 鋼構(gòu)件制作與施工

鋼構(gòu)件承重架按兩孔加工。結(jié)合工地現(xiàn)場條件，加工場地布置在大壩下游，并在塔吊QTZ5417的工作半徑范圍內(nèi)。由塔吊直接吊運(yùn)到現(xiàn)場組裝。金屬結(jié)構(gòu)型材必須采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的正規(guī)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，且“三證”齊全，并由有經(jīng)驗的電焊工進(jìn)行焊接，焊縫質(zhì)量必須滿足設(shè)計和國家規(guī)范要求。

公路橋承重結(jié)構(gòu)安裝順序：立柱全部就位→搭設(shè)操作平臺▽251.2→縱梁連接→橫梁連接→連系桿焊接→加固件焊接；

鋼構(gòu)件安裝完畢后，在承重結(jié)構(gòu)跨中立柱的上下游側(cè)各加一斜撐（材料同立柱），斜撐角度為45°～60°；另外兩排立柱則利用閘墩上的絲桿在整個立柱高度平均設(shè)三層連墻件（焊結(jié)），與閘墩邊夾角不大于45°；連墻件長度超過3m時在中部設(shè)加強(qiáng)桿。

4 施工控制要點(diǎn)

（1）模板在安裝時按混凝土結(jié)構(gòu)物的施工圖進(jìn)行測量放樣，并設(shè)置足夠的臨時固定設(shè)施，以防變形和傾覆；梁的模板應(yīng)起拱3%，起拱高度為45mm。模板拆除時，混凝土強(qiáng)度應(yīng)符合施工規(guī)范的規(guī)定。

（2）鋼筋制安：在加工廠加工完成后由塔吊吊運(yùn)入倉面進(jìn)行綁扎。直徑小于或等于25mm的鋼筋采用焊接時，直接搭接焊接單面焊縫長度為10倍的鋼筋直徑，雙面為5倍的鋼筋直徑。

（3）混凝土澆筑：嚴(yán)格按承重結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，按先澆中間兩根梁，再澆上、下游兩根梁的順序進(jìn)行混凝土澆筑；混凝土澆筑施工采用平鋪法施工，鋪料從倉面的一端向另一端分層鋪料，鋪料厚度控制在（30～40）cm之間，混凝土入倉垂直落距小于2.0m。具體根據(jù)混凝土入倉工、鋪料允許間隔時間和振搗器性能及氣溫等因素確定?；炷疗絺}采取人工與振搗器相結(jié)合的方式，靠近模板、鋼筋密集、預(yù)埋件的地方采用人工打鏟平倉，其它部位采取振搗器直接平倉。在搗固各層混凝土?xí)r，混凝土工必須加強(qiáng)平倉振搗，振搗器保持直立位置操作，振搗時間應(yīng)以混凝土不再顯著下沉，不出現(xiàn)氣泡，開始泛漿為準(zhǔn)。振搗器插移動距離不超過其有效半徑的1.5倍，并插入下層混凝土50mm，順序依次，方向一致，以保證上、下層的結(jié)合，避免漏振。

（4）高溫期混凝土澆筑溫控措施：混凝土運(yùn)輸工具用潮濕的麻帶片遮陽，縮短混凝土暴曬時間；在倉面設(shè)足夠噴霧器（用高壓水做水源），降低倉面的氣溫，并將混凝土澆筑盡量安排在下午4點(diǎn)以后施工，避開高溫時段；倉面準(zhǔn)備潮濕的麻帶片以在高溫時間來遮蓋新入倉的混凝土，減少日光直曬混凝土?xí)r間；養(yǎng)護(hù)期間混凝土表面須覆蓋麻帶片，并加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)使之保持潮濕。提前做好防雨水準(zhǔn)備，預(yù)備好彩條布，當(dāng)混凝土澆筑過程下大雨致使暫時停澆時，必須采取措施將已入倉的熟料做好平倉振搗處理完成，并將已澆的混凝土外露面用彩條布覆蓋，防止雨水沖走水泥漿。

（5）安全措施：塔吊在使用前，須由操作人員進(jìn)行系統(tǒng)檢查，承重結(jié)構(gòu)吊裝及拆除時，必須由專人指揮，并統(tǒng)一指揮信號；混凝土澆筑過程中，測量人員必須架設(shè)全站儀、水準(zhǔn)儀加強(qiáng)觀測承重結(jié)構(gòu)、模板等的變形移位情況，并作詳細(xì)記錄，出現(xiàn)異常情況，須立即向現(xiàn)場負(fù)責(zé)人報告，現(xiàn)場負(fù)責(zé)人必須視情況嚴(yán)重程度立即采取不同加固處理措施，甚至停止?jié)仓?；作業(yè)區(qū)域內(nèi)的臨空面一側(cè)均要求搭設(shè)有效的安全防護(hù)欄；為便于掌握承重結(jié)構(gòu)拆除是否具備條件，每跨梁混凝土在澆筑時需取三組試塊，其中兩組置于現(xiàn)場按同條件養(yǎng)護(hù)，另一組則采取標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)論性意見

（1）該設(shè)計方案經(jīng)湖南省水利水電總公司專家組評審?fù)ㄟ^，并得到邵陽電業(yè)局業(yè)主和邵陽市水利水電設(shè)計院的認(rèn)可實施。

（2）該設(shè)計方案只需在現(xiàn)場制作2孔鋼構(gòu)件支撐架，然后利用塔吊吊運(yùn)安裝或拆除，其余7孔則將此2孔鋼構(gòu)件支撐架用于周轉(zhuǎn),既實用方便又節(jié)約了工程造價。

（3）該設(shè)計方案既能有效避免汛期洪水影響的風(fēng)險，又有利于加快施工進(jìn)度，并確保了工程施工質(zhì)量。每一孔公路橋施工：鋼構(gòu)件安裝3天，裝模4天，鋼筋綁扎3天，混凝土澆筑1天，共11天施工完畢；高溫期間一般11天后通過試驗檢測混凝土強(qiáng)度就達(dá)到100%可以拆模了；在混凝土澆筑過程中，測量人員通過全站儀、水準(zhǔn)儀觀測承重結(jié)構(gòu)、模板等的變形移位情況從未出現(xiàn)過任何異常情況，所有沉陷值均在1cm以內(nèi)，完全符合其穩(wěn)定性要求，現(xiàn)公路橋一、二期在汛期已順利施工完畢，且經(jīng)受了兩年汛期特大洪水的考驗，基坑全部被淹，鋼構(gòu)件沒出現(xiàn)任何變形，且上部可以繼續(xù)施工，施工工程進(jìn)度均未受到影響，且確保了工程質(zhì)量和施工安全。