斜拉索懸吊模施工及其鋼架設(shè)計(jì)

陶紅文 佀永峰

摘要：水利工程施工中，模板施工支撐的方式多種多樣，但并不是一成不變的，在施工過程中需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理創(chuàng)新。文章針對(duì)龍江工程進(jìn)水口施工工期緊，且無法采用常規(guī)方式置模的情況下，采用斜拉索懸吊模板進(jìn)行進(jìn)水口連系梁施工，主要進(jìn)行了斜拉索懸吊模板的置模方式選擇及各相關(guān)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度驗(yàn)算。

Abstracts: Water conservancy construction, the template construction of supporting a variety of ways, but not immutable, and in the construction process need to be reasonable based on the actual situation of innovation. The article works for the Longjiang inlet tight construction schedule, and can not be set using conventional methods the case of mold, using cable-stayed suspension template intake tie beam construction, mainly for the purchase of cable-stayed suspension template model approach Select and relevant structural strength checking.

關(guān)鍵詞：進(jìn)水口 連系梁斜拉索懸吊模板 強(qiáng)度驗(yàn)算

Keywords：Intake Tie beam Cable-stayed suspension Template Strength Checking

中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1 技術(shù)特性

引水系統(tǒng)布置在左岸山體內(nèi)，由進(jìn)水口、引水隧洞及壓力管道組成。進(jìn)水口為塔式結(jié)構(gòu)，主要由進(jìn)水口邊墻、攔污柵墩、進(jìn)水口塔體內(nèi)聯(lián)系梁及進(jìn)水口閘門啟閉機(jī)房等構(gòu)成。

引水系統(tǒng)攔污柵筒體內(nèi)設(shè)計(jì)有3層聯(lián)系梁，高程分別位于EL859.0~EL861.5、EL844.5~EL847.0以及EL875檢修平臺(tái)，聯(lián)系梁呈“井”字狀。

EL847.0高程聯(lián)系梁由3條主梁和2條次梁組成（總重約為：999.185）。主梁橫截面尺寸為150cm×250cm（寬×高），梁長為25m，間距為4.75m，距邊墻距離為5.25m；次梁橫截面為100cm×250cm（寬×高），梁長為24.5m，間距為8m，距邊墻距離為7.5m。主梁L3重為10.07t/m，主梁L4重為9.99t/m，次梁L1重為6.53t/m。

2 模板支撐方式選擇

因下部為進(jìn)水口流道，無法采用滿堂紅腳手架施工方案，經(jīng)各個(gè)方案的比較對(duì)EL847.0高程聯(lián)系梁施工采用斜拉索懸吊模板支撐。

3 斜拉索懸吊模板支撐系統(tǒng)概述

主梁斜拉索吊模：在已埋設(shè)的墻體鋼板上焊接支座，支座采用I25a工字鋼，長度25cm，橫向間距1.384m。主梁底部設(shè)置兩根I25a工字鋼作為主支撐系統(tǒng)，橫向間距與鋼支座間距對(duì)應(yīng)，焊接在兩端鋼支座上，沿I25a縱向設(shè)置HW250×250工字鋼，長度2.2m，縱向間距2.0m，按粱方向左右對(duì)稱布置。下部吊點(diǎn)位置設(shè)在HW250×250工字鋼上，上部吊點(diǎn)設(shè)置在墻體預(yù)埋鋼板上，吊點(diǎn)詳細(xì)結(jié)構(gòu)見附圖，采用Φ34鋼絲繩斜拉形成主梁整個(gè)模板支撐系統(tǒng)，梁底模沿梁縱向設(shè)置I18工字鋼，橫向間距為750MM，上部鋪設(shè)建筑標(biāo)準(zhǔn)鋼模板形成底模，側(cè)模鋪設(shè)在I18工字鋼上，采用Φ14對(duì)拉螺桿進(jìn)行加固，圍棱采用Φ48鋼管。

次梁斜拉索吊模：同主梁方案，現(xiàn)在兩端焊接I25a鋼支座。再鋪設(shè)I25a工字鋼，長度25m，間距見附圖。下部吊點(diǎn)設(shè)在I25a支座上，上部吊點(diǎn)設(shè)在墻體預(yù)埋鋼板上，吊點(diǎn)詳細(xì)結(jié)構(gòu)見附圖，采用Φ34鋼絲繩斜拉形成主梁整個(gè)模板支撐系統(tǒng)。沿已鋪設(shè)工字鋼垂直方向設(shè)置I18工字鋼，橫向間距600mm，上部鋪設(shè)建筑標(biāo)準(zhǔn)鋼模板形成底模，側(cè)模鋪設(shè)在I18工字鋼上，采用Φ14對(duì)拉螺桿進(jìn)行加固，高向間距40cm，長向間距60cm，立檔間距30cm，圍棱采用Φ48鋼管。

鋼絲繩張緊采用自制花籃螺栓進(jìn)行緊固，梁底模按4‰起拱。

4 模板支撐設(shè)計(jì)計(jì)算、驗(yàn)算

為保證模板及其支架具有足夠承載能力、剛度和穩(wěn)定性，能可靠地承受新澆筑混凝土的自重和側(cè)壓力、以及在施工過程中產(chǎn)生的荷載，保證工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件各部分形體尺寸和相互位置的正確，作如下設(shè)計(jì)計(jì)算、驗(yàn)算。

4.1 荷載計(jì)算

因L3單重最大，所以以L3梁進(jìn)行計(jì)算。

混凝土的自重取為25kN/m3，則混凝土梁荷載為q1＝1.5m×2.5m×25kN/m3=93.75 kN/m。

鋼筋荷載，Φ36鋼筋7.996kg/m，Φ32鋼筋6.318 kg/m，Φ16鋼筋1.58 kg/m，鋼筋荷載為q2＝24×7.996+2×19×6.318+2.5×5×1.56+5×2×1.58×7.16＝664.363 kg/m，取7kN/m。

模板荷載q3：底部1.5m2×48.09kg/m2=72.135 kg，側(cè)面2×2.5m2×48.09kg/m2＝240.45kg，合計(jì)q3＝312.585 kg，含鋼管圍棱取5kN/m。

恒荷載q恒＝93.75+7+5＝105.75kN/m。

振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載q1=4kN/m2，人員q2＝2kN/m2，q活＝6kN/m2。

荷載q＝1.2q恒+1.4q活＝1.2×105.75+1.4×1×6＝133.3kN/m。

4.2 梁底模板計(jì)算

梁底模板為受彎構(gòu)件，需要驗(yàn)算抗彎強(qiáng)度和剛度。梁底模板按雙跨連續(xù)梁計(jì)算，I18工字鋼作為連續(xù)梁的計(jì)算支座。查結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算表得：

彎矩系數(shù)KM=-0.121，剪刀系數(shù)KV=-0.625，撓度系數(shù)KW=0.677；底模板按2.5mm標(biāo)準(zhǔn)鋼模板計(jì)，截面慣性矩I=28.59cm4，截面抵抗矩W=6.45cm3，截面積11.11cm2，E=2.06×105N/mm2。

4.2.1 梁底模板抗彎強(qiáng)度計(jì)算

Mmax=KMql2=0.121×133.3×0.752=9.073KNm

σmax=M/W=9.073×106/28.59×104=31.73N/mm2＜205 N/mm2，滿足要求。

4.2.2 梁底抗剪計(jì)算

Vmax =KVql=0.625×133.3×0.75=62.48KN

τmax= Vmax/A=62.48×103/11.44×102=54.62N/mm2＜120N/mm2，滿足要求。

4.2.3 梁底模撓度計(jì)算

ωmax = KWql4/100EI=0.677×133.3×104×7504/100×2.06×105×28.59×104=1.15mm＜[ω]=750/250=3.0mm，滿足要求。

4.3 梁側(cè)模板驗(yàn)算

混凝土的重力密度γc=25kN/m3，混凝土溫度T=25℃，混凝土澆筑初凝時(shí)間按6h計(jì)算，混凝土澆筑速度V=3m/h，摻高效緩凝減水劑劑β1=1.2，混凝土塌落度為120～140mm，則β2=1.15。則新澆筑混凝土對(duì)梁側(cè)面模板的壓力為：

F1=γc H=25×2.5=62.5kN/m2

F2=0.22γcT0β1β2V 1/2=0.22×25×6×1.2×1.15×31/2=78.88kN/m2

按要求二者取小值F1，振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載q1=4kN/m2

則F=1.2 F2+1.4q1=100.256kN/m2

按4跨連續(xù)梁計(jì)算，化為線荷載則q=F×0.30=30.08 kN/m（立檔間距按30cm計(jì)算）。

4.3.1抗彎強(qiáng)度計(jì)算

Mmax =KMql2=0.107×30.08×0.32=289.67×103Nmm

σmax =M/W= 289.67×103/（6.45×103）=44.91N/mm2＜205N/mm2，滿足要求。

4.3.2抗剪計(jì)算

Vmax = KVql=0.607×30.08×0.30=5.463kN

τmax= Vmax/A =5.463×103/11.44×102=4.78N/mm2＜120N/mm2，滿足要求。

4.3.3撓度（剛度）計(jì)算

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果撓度滿足要求。

4.3.4對(duì)拉螺桿強(qiáng)度驗(yàn)算

螺桿承受的最大拉力為Q=FA=100.256×0.4×0.6=24.06KN

Φ14螺桿的允許拉力F=32.31 kN＞Q=24.06kN，滿足要求。

4.4 井字主梁支撐驗(yàn)算

4.4.1 I18工字鋼小楞驗(yàn)算

I25工字鋼為小楞I18工字鋼的支座，支撐梁底模板的I18工字鋼小楞近似按簡支梁計(jì)算，間距按1.5m計(jì)，I18工字鋼自重為0.241kN/m，合計(jì)q=0.241+133.3×0.75=100.216kN/m。

最大剪力Qmax=1/2ql=75.12 kN，最大彎矩Mmax=1/8ql2=28.17kN.m

σmax=Mmax/Wz=28.17×103×103/402×106=32.2N/mm2＜205 N/mm2

τmax=QS*max/dIz=75.12×103×107.8/(0.65×1660) =7505.04N/cm2=75.05N/mm2＜120N/mm2

經(jīng)計(jì)算I18工字鋼作為底模小楞的強(qiáng)度和剛度雖滿足要求。

4.4.2 I25工字鋼驗(yàn)算

從I18工字鋼傳遞到I25工字鋼按集中荷載計(jì)算，HW250×250工字鋼作為I25工字鋼施工支座，單個(gè)接觸點(diǎn)荷載為100.216×1.5/2＝75.16。

計(jì)算簡圖如下：

4.4.3 HW250×250工字鋼驗(yàn)算

從上部傳來的荷載為133.3，吊耳作為HW250×250工字鋼的施工支座，I18工字鋼自重為1/0.75×1.7×0.241＝0.546 kN/m , I25工字鋼自重為2×0.381=0.762 kN/m ,作用在HW250×250工字鋼為集中荷載，荷載q=（133.3+0.546+0.762）×2/2＝134.61kN，HW250×250工字鋼長2.2m，自重為2.2×0.724 ＝1.593kN/m，合計(jì)荷載為134.61+1/2×1.593＝135.41。

經(jīng)計(jì)算最大剪力為135.41 kN，最大彎矩為20.31kN.m，W250×250工字鋼抗彎截面模量Wz為846.305cm3，截面慣性矩Iz為10578.812 cm4，面積矩S*max＝468.445 cm3。

σmax=Mmax/Wz=20.31×103×103/846.305×103=24.00 N /mm2＜205 N/mm2

τmax= QS*max/dIz=135.41×103×468.445/(0.9×10578.812) =6662.39 N/cm2=66.62 N/mm2＜120N/mm2

滿足要求。

4.4.4吊環(huán)及焊縫驗(yàn)算

從梁底傳遞到單個(gè)吊環(huán)的荷載135.41kN/m。

上部吊環(huán)采用2塊20mm×250mm×150mm，間距100mm，焊接在已埋設(shè)的鋼板上，鋼板中間穿孔，穿50mm鋼棒，形成吊環(huán)。

下部吊環(huán)形式同上部，主梁直接焊接在HW250×250型工字鋼上，次梁焊接在I25工字鋼上，在焊接吊環(huán)部位，對(duì)H型工字鋼、I25工字鋼做加勁板處理，處理詳見附圖。

4.4.5鋼板與連接板吊點(diǎn)焊縫驗(yàn)算

斜拉索與下部連接板的夾角α分別為：第一根索α＝53°，第二根索α＝48°，第三、第四、第五根索α＝47°，第六根索α＝46°。為簡化計(jì)算，可按其最小夾角α＝45°進(jìn)行驗(yàn)算。

鋼板與連接板采用部分焊透的對(duì)接焊縫，采用單邊V形坡口，坡口角度45°，坡口寬度15mm，高度15mm，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)7.1.5，單邊V形坡口，當(dāng)α＝45±5°，he=s-3=21.21-3=18.21mm

按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)7.1.3-1至7.1.3-3公式進(jìn)行驗(yàn)算，此時(shí)N為146.87kN，lw為250mm，計(jì)算結(jié)果如下：

σf=N/(helw)=135.41×103/(18.21×（250-2×30）×10-6)＝39.14×106N/m2=39.14N/mm2＜ffw=160N/m2

τf= N/(helw) ＝135.41×103/(18.21×（250-2×30）×10-6)＝39.14×106N/m2=39.14N/mm2＜ffw=160 N/m2

在各種力綜合作用下，σf和τf共同作用處：

= =55.34 N/mm2＜ffw=160 N/m2

4.4.6鋼棒直徑選擇

鋼棒剪切校核，鋼棒屬于雙剪受力情況，因與連接件夾角基本為45°～53°，為簡化計(jì)算，可按其最小夾角45°進(jìn)行驗(yàn)算，其剪力Q為Q=1/2*(N /cos45°)=1/2×（135.41/cos45°）=95.76kN。

先按剪切強(qiáng)度設(shè)計(jì)，根據(jù)材料力學(xué)連接件強(qiáng)度的實(shí)用計(jì)算公式，鋼棒的直徑

≥24Qπ[τj] =24×95.76×1033.14×120×106=3.19×10-2m=31.9mm。

按擠壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)，鋼棒與鋼板連接處中間部位為危險(xiǎn)擠壓面，其擠壓力Pjy=1/2*P＝1/2×（135.41/cos45°）=95.76kN，擠壓面積Ajy=td，代入公式σjy=Pjydt，得d≥Pjyt[σjy] =95.76×10320×205×103=2.34×10-2m=23.4mm。

綜上計(jì)算結(jié)果，鋼棒直徑選擇d＝50mm可完全滿足要求。

4.4.7鋼板拉斷校核

每塊鋼板受到的拉力N=1/2*P=1/2×（135.41/sin45°）=95.76kN, σ=NA=Nb-dt=95.76×10315-5×2×10-4=47.88×106Pa=47.88Mpa＜〔σ〕＝205Mpa。

4.4.8鋼棒擠壓校核

鋼棒所受的擠壓力為Pjy=1/2*P=1/2×（135.41/cos45°）=95.76kN，σjy=Pjy/dt=95.76×103/(50×10-3×20×10-3)=95.76×106=95.76Mpa＜(σ許)＝205Mpa。

4.4.9鋼棒剪切校核

鋼棒剪切面上剪力Q為Q=1/2*P=1/2×（135.41/cos45°）=95.76kN。

τj=4Q/(πd2)=4×95.76×103/(3.14×502×10-6)=48.79×106Pa=48.79Mpa＜〔τ許〕＝120Mpa。

5 主梁鋼絲繩驗(yàn)算

采用雙根￠34鋼絲繩進(jìn)行斜拉，單根￠34鋼絲繩的破斷拉力為603kN，考慮鋼絲繩已使用過，應(yīng)乘以折減系數(shù)0.6，則雙根鋼絲繩的設(shè)計(jì)承載力為2×603 kN×0.6＝723.6kN，因鋼索與連接點(diǎn)夾角均大于45°，為簡化計(jì)算，按最小夾角45°計(jì)算，則傳遞到鋼索的拉力N＝135.41/cos45°＝191.5kN<723.6 kN，滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

6 次梁計(jì)算

6.1 荷載計(jì)算

以L5粱為計(jì)算依據(jù)

恒荷載：混凝土q1=1×2.5×25kN/m3=62.5 kN/m，鋼筋q2=4.6kN/m，模板及圍棱q3=4 kN/m，活荷載：q活取4 kN/ m。

荷載q＝1.2×（q1+ q2+ q3）+1.4 q活＝1.2×（62.5+4.6+4）+1.4×4＝90.92kN/m。

6.2 I18工字鋼小楞驗(yàn)算

I18工字鋼自重0.241 kN/ m，作用在I18工字鋼的均布荷載為90.92+0.241×3＝91.643kN/ m，單根I18工字鋼承擔(dān)的均布荷載為91.643/3＝30.55kN/ m。根據(jù)前述計(jì)算，剪應(yīng)力與彎曲應(yīng)力完全滿足要求，不再進(jìn)行驗(yàn)算。

6.3 I25工字鋼驗(yàn)算

按最大跨度2.3m計(jì)算，從I18工字鋼底部傳來的單個(gè)集中荷載29.09×2.3＝66.91kN，經(jīng)計(jì)算支座力為100.37kN。最大剪力100.37kN，最大彎矩60.22kN.m，I25工字鋼抗彎截面模量Wz為402cm3，截面慣性矩Iz為5020 cm4，面積矩S*max =232.4cm3。

σmax=Mmax/Wz=60.22×103×103/402×103=149.80N/mm2＜205 N/mm2

τmax= QS*max/dIz=100.37×103×232.4/(0.8×5020) =5808.26 N/cm2=58.08N/mm2＜120N/mm2

滿足要求。

6.4 鋼板與連接板吊點(diǎn)焊縫驗(yàn)算

根據(jù)主梁驗(yàn)算結(jié)果，可完全滿足要求，不再計(jì)算，但需在設(shè)吊環(huán)部位對(duì)I25工字鋼進(jìn)行加勁板不強(qiáng)。

6.5 鋼絲繩驗(yàn)算

采用雙根￠30鋼絲繩進(jìn)行斜拉，單根￠30鋼絲繩的破斷拉力為469kN，考慮鋼絲繩已使用過，應(yīng)乘以折減系數(shù)0.6，則雙根鋼絲繩的設(shè)計(jì)承載力為469 kN×0.6×2＝562.8kN ，因鋼索與連接點(diǎn)夾角均大于45°，為簡化計(jì)算，按最小夾角45°計(jì)算，則傳遞到鋼索的拉力N＝100.37/sin45°＝141.95kN<562.8kN，滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

7 花籃螺栓驗(yàn)算

㈠ 套筒螺帽強(qiáng)度驗(yàn)算

σ1=P/AS1=191.5kN/AS1=191.5×105N/2463.0086mm2 =77.75MPa

套筒螺帽采用70mm45#鋼棒加工，屈服強(qiáng)度σ屈為355 MPa

σ1＜σ許，滿足要求。

㈡ 螺桿強(qiáng)度驗(yàn)算

σ2=P/AS2=191.5kN/AS1=191.5×105N/1179.4462mm2 =162.36MPa

螺桿采用42mm35#鋼棒加工，屈服強(qiáng)度為σ屈為315 MPa

σ2＜σ許，滿足要求。

㈢ 吊環(huán)鋼板驗(yàn)算

⑴ 焊縫驗(yàn)算

單側(cè)焊縫計(jì)算厚度he=0.7×15.45=10.815mm，單側(cè)鋼板焊縫承載力=100×10.815×200×0.9＝194.67kN，其中0.9為焊縫強(qiáng)度折減系數(shù)，200為二級(jí)焊縫設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，he為10.815mm，兩側(cè)鋼板焊縫承載力為194.67kN×2＝389.34 kN＞191.5kN，滿足要求。

⑵ 鋼板拉斷驗(yàn)算

同上述鋼板拉斷驗(yàn)算校核，不再進(jìn)行驗(yàn)算。

㈣ Φ32螺紋鋼連接套筒螺栓驗(yàn)算

⑴ Φ32螺紋鋼驗(yàn)算

設(shè)計(jì)強(qiáng)度值295 MPa，截面積為803.94mm2，σ3＝P/A＝191.5×105N/803.94mm2 =23.80MPa ＜295 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

⑵ 連接焊縫驗(yàn)算

焊縫計(jì)算厚度he=0.1(70+2*32)-5=8.4mm，單根鋼筋焊縫承載力=（150-2×10）×8.4×265×0.9＝260.44kN＜191.5 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

8 預(yù)埋件計(jì)算

計(jì)算依據(jù)，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB5001-2002第10.9預(yù)埋件及吊環(huán)，預(yù)埋件承受拉力、剪力與彎矩。承受的最大作用力為同時(shí)承受1/2主梁、次梁的拉力、剪力和彎矩，為簡化計(jì)算，次梁夾角按45°角計(jì)算，即設(shè)計(jì)支座拉力N＝135.41/2+100.37＝168.07kN，設(shè)計(jì)支座剪力V＝135.41/2+43.97＝168.07kN，支座承受的彎矩M＝0.1×V＝11.72kN.m。根據(jù)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002預(yù)埋件相關(guān)公式計(jì)算：

外層鋼筋中心間距Z：200mm

鋼筋等級(jí)：D≤25

鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy：300N/mm2

混凝土等級(jí)：C20

混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fC：9.6N/mm2

鋼筋直徑d：25mm

錨板厚度t：10mm

鋼筋層數(shù)n：3

鋼筋層數(shù)影響系數(shù)ar：0.9

鋼筋受剪承載力系數(shù)： = (4.0-0.08×25)(9.6/300)0.5=0.358

錨板彎曲變形系數(shù)

=0.6+0.25×10/25=0.7

=89.64×1000/(0.9×0.358×300)+89.64×1000/(0.8×0.7×300)+8.964×106/(1.3×0.9×0.7×300×200)=2768 mm2

=89.64×1000/(0.8×0.7×300)+8.964×106/(0.4×0.9×0.7×300×200)=2112 mm2。

鋼筋實(shí)際數(shù)量：6根

鋼筋實(shí)際面積A：2945 mm2。

滿足強(qiáng)度校核要求

鋼筋最小錨固長度系數(shù):40D，最小錨固長度1000mm。

9 結(jié)束語

進(jìn)水口施工由于受到工期限制，在進(jìn)行井筒部位混凝土澆筑時(shí)，如若采用常規(guī)澆筑方式則無法滿足工期要求，為加快進(jìn)水口施工進(jìn)度，確保龍江水利水電樞紐工程按期下閘蓄水，進(jìn)水口井筒部位混凝土采用滑模進(jìn)行澆筑，在進(jìn)行滑模澆筑時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)井筒內(nèi)的“井”字連系梁澆筑，且在連系梁細(xì)部無任何支撐點(diǎn)。根據(jù)施工進(jìn)度及成本控制綜合考慮，采用了斜拉索懸吊模板支撐。井筒部位拉索與底部鋼梁焊接可以同時(shí)進(jìn)行施工，且鋼梁可以整體吊裝，這樣就加快了施工進(jìn)度；拉索均采用纜機(jī)使用后的廢舊鋼絲繩，EL847高程連系梁底部鋼梁也可以在EL861.5連系梁進(jìn)行混凝土施工時(shí)得到利用，成本得到了控制。進(jìn)水口連系梁采用斜拉索懸吊模板支撐的方式即降低了施工難度和勞動(dòng)強(qiáng)度，又降低了工程成本，有效地提高了工作效率和工程效益。