淺談水閘牛腿的懸臂施工方法計算及分析

周援越，曾 艷，張少娟，趙 兵

（湖北省漢江河道管理局，湖北 潛江 433100）

0 前言

本文將討論的工程系某水庫排淤泄洪閘上的牛腿施工。根據(jù)該工程結(jié)構(gòu)的特點，中孔的弧形門閘墩設(shè)計成為不同坡比的懸挑構(gòu)件，牛腿的外挑長度較大，施工艱難且危險，施工的質(zhì)量要求十分高。經(jīng)設(shè)計和施工方討論，為了加快工程施工的進度并且保證施工的安全和質(zhì)量，對該水庫閘墩的牛腿懸挑部分采用懸臂模板施工技術(shù)。目前工程上應(yīng)用的懸臂模板有平面懸臂和曲面懸臂模板兩種類型——平面懸臂模板一般主要用于大壩壩面和牛腿部位，曲面懸臂模板主要用于水閘的表孔、中孔、底孔進口弧形段。懸臂模板的結(jié)構(gòu)主要包括面板、支撐系統(tǒng)、工作平臺等，各結(jié)構(gòu)均采用鋼結(jié)構(gòu)制作。

1 關(guān)于懸臂施工工藝

工程上所謂的懸臂澆筑法又被稱為無支架平衡伸臂法、吊籃法或者掛籃法。施工時占用的空間較小。有利于節(jié)省施工費用，降低工程造價，有利于施工作業(yè)。該工程修改后的方案在施工時現(xiàn)場采用的是預(yù)埋工字鋼。該工程的的牛腿的外挑部分使用的模板將采用懸臂模板整體骨架，考慮其施工的特點，對懸臂模板進行了改造和組裝。通常施工中使用的模板面板采用組合鋼面板，同時加強格柵使用型鋼做背楞，經(jīng)久耐用，且能防止混凝土側(cè)壓力、外界壓力碰撞，以及在鋼筋施工時的模板面板的變形。其混凝土面邊線的傾角通過調(diào)節(jié)可變支撐桿的長度來控制，面板的水平和鉛直調(diào)整分別通過設(shè)置在下部剛體三角形的橫梁和豎梁的水平和鉛直調(diào)節(jié)裝置來完成。

懸臂模板采用預(yù)埋爬升錐和槽鋼立柱進行反拉固定，槽鋼立柱根據(jù)倒懸控制線的要求進行布置（對應(yīng)懸臂模板預(yù)留孔）。一般的工程經(jīng)驗是考慮間距以90 cm為原則，在拉筋受緊的狀態(tài)下起到承重作用。每塊模板可以設(shè)置采用若干內(nèi)向反拉拉筋，拉筋與模板之間的連接用傘狀預(yù)埋件配備調(diào)節(jié)拉桿施工，在澆筑的過程中可以隨時對模板的變形予以調(diào)整，這樣減小了拉筋在彈性變形中變形矢量，更起到了對模板在澆筑的過程中出現(xiàn)跑?，F(xiàn)象的發(fā)生，滿足施工規(guī)范要求。具體的懸臂模板施工工藝流程圖見圖1所示。

圖1 懸臂模板施工工藝流程圖

2 工程基本概況

2.1 工程難題

某地一水庫排淤泄洪閘的閘室為雙孔閘，該閘室的單孔凈寬為8.0 m。原定的施工設(shè)計方案是在枯水期搭設(shè)鋼管腳手架進行牛腿部位的施工。由于有關(guān)方面要求，考慮下游農(nóng)田灌溉，必須在汛期前施工該部位工程。這一要求給施工帶來了很大的難度，況且，那時的閘室段已施工，將澆至牛腳底（高程為149.938 m）。根據(jù)工程現(xiàn)況，以及相關(guān)業(yè)主的要求，必須保證在汛期閘室的牛腿能夠繼續(xù)施工，而且要安全度汛。

2.2 擬解決方案

為了加快施工進度，保證施工的安全和施工質(zhì)量，針對牛腿的懸挑部分長度較長的實際情況，擬采用懸臂模板施工技術(shù)。牛腿外挑部分使用的模板是懸臂模板整體骨架，根據(jù)施工特點，對懸臂模板進行改造和組裝。該施工方案是擬定在牛腿的下部（高程為149.300 m）預(yù)先埋置工字型鋼，每個牛腿的底部預(yù)埋4根25#工字型鋼，工字鋼的懸挑1.35 m，預(yù)埋0.65m在閘墩里面，牛腿的縱向水平鋪設(shè)2根12#槽鋼，放置工字型鋼上面，槽鋼的間距為1.2 m，距離閘墩墻為0.1 m。

預(yù)埋牛腿前，注意在墩內(nèi)用直徑為25 mm的鋼筋焊井字鋼筋骨架，以便使得牛腿平穩(wěn)放置墩內(nèi)，預(yù)埋工字鋼時，工字鋼在墩內(nèi)根部低于外露端部5 cm，使其工字鋼向內(nèi)微傾斜，中墩左右兩側(cè)預(yù)埋工字鋼，在墩內(nèi)用25 mm直徑的鋼筋水平焊接兩側(cè)工字鋼，使它們連成一整體；左、右墩用鋼筋焊接工字鋼根部與該層混凝土主筋根部，焊接牢固。每根工字鋼懸挑底部用鋼管斜向支撐于墩側(cè)混凝土，懸挑梁底部搭設(shè)鋼管架豎向支撐，穩(wěn)定工字鋼，在閘室未到度汛期前可以一直使用，度汛期間便可拆除該部位的鋼管架。

3 牛腿的施工計算分析

3.1 基本受力計算

不論施工方案如何，牛腿的施工計算還是應(yīng)參照常規(guī)的計算。閘墩的牛腿一般分為柱牛腿和梁牛腿，本文中設(shè)計分析的是作為梁牛腿來處理的，而根據(jù)工程經(jīng)驗一般閘墩上的牛腿按短懸臂梁來考慮。參考相關(guān)計算手冊，牛腿在半扇閘門水壓力R的兩個分力N和T的作用下（牛腿的布置，水壓力方向基本上與N方向一致，是不能偏離過大），計算牛腿的受力鋼筋。除此之外，還要根據(jù)需要驗算牛腿與閘墩相接處的面積，從而進一步保證牛腿的安全。分力N和T對牛腿產(chǎn)生的彎矩、剪力和扭矩，現(xiàn)分別敘述如下。

閘墩的牛腿在彎矩M=NC作用下，所需配置的鋼筋面積，可根據(jù)下列公式進行計算：

式中：C——支座的垂直分力N作用點至閘墩邊的距離；

Rg——受拉鋼筋的設(shè)計強度；

h0——牛腿的有效高度；

K——強度安全系數(shù)，按水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定選用。

閘墩牛腿與閘墩相接處的主拉應(yīng)力，按受彎拉構(gòu)件來計算：

靜水壓力對閘門的推力為：

設(shè)φ0為與R水平面的夾角，則有8.82°，設(shè)α為閘墩牛腿受力軸線與水平面的夾角，則=18.4°，由幾何關(guān)系可以知道，R與N的夾角 θ=α-φ0=18.4°-8.82°=9.58°

于是：

牛腿在彎矩M=NC作用下所需配置鋼筋的面積：

式中：N——作用于牛腿支座的軸向力；

C——分力N作用點至閘墩邊的距離，取為0.4 m；

h0——牛腿的有效高度；

Rg——鋼筋屈服極限，Ⅱ級鋼筋，取310N/mm2；

K——強度安全系數(shù)，取1.5。

解得：

從而選配 7Φ25和 6Φ28（A=7 131 mm2）。

牛腿與閘墩相交接處的截面尺寸，要符合下式抗裂條件：

式中：Q——接觸面上的總剪力，Q=R，kN;

b——牛腿寬度；

Kf——抗裂安全系數(shù)，取為1.25；

Rl——混凝土抗拉強度，混凝土等級為C25，為130 N/mm2。

解得：

故牛腿與閘墩相接處的截面尺寸，滿足抗裂要求。

牛腿在剪力和扭矩作用下（扭矩Mn=Ta，a=弧形門座高度+牛腿高之半）產(chǎn)生剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力，當主拉應(yīng)力超過混凝土的許可拉應(yīng)力，需計算抗剪和抗扭鋼筋。

受扭同時受彎時，主拉應(yīng)力：

配置受力鋼筋，但任何情況下，σzmax不宜超過Rf。

已知弧形門門座高度0.4 m，牛腿高度3 m，扭矩：

故需計算抗扭鋼筋和彎起鋼筋。

所需抗扭縱向鋼筋及箍筋的數(shù)量可由下式確定：

式中：ak——每根縱向鋼筋的面積，cm2；

sg——縱向鋼筋間距，cm；

ak——每支鋼箍面積，cm2；

bk、hk——鋼箍所包圍的核心混凝土的兩邊邊長，cm；

s——鋼箍間距，cm。

解得：

故鋼箍配Φ10@300的鋼筋。

在受扭且受彎的構(gòu)件中，因為彎矩的作用，已在構(gòu)件一邊布置了抗彎縱向鋼筋A(yù)g，從而附加的抗扭縱向鋼筋不在沿截面均勻布置，要將所需要的鋼筋總面積集中布置在其它三個邊上?？古や摻羁偯娣eAgn按下式計算：

故配 6Φ18的鋼筋（A=1 527mm2）。

3.2 施工安全的質(zhì)量控制措施

該工程設(shè)計為懸臂模板施工，等到閘墩牛腿部位混凝土強度達到大于或者等于25 MPa就可以進行下一道工序的施工。這樣一來便可以省去了在牛腿中需要安裝和拆除大量桁架的常規(guī)施工。一般而言，懸臂模板在施工中只需按照正常的施工順序和施工計劃就可以滿足了施工進度，降低了施工費用，大大地節(jié)約了工程成本，提高了工程進度，滿足了大壩混凝土面外觀質(zhì)量和外觀質(zhì)量評定的要求。

本文工程中的閘墩牛腿的懸臂施工法施工在整個過程中要滿足施工設(shè)計所規(guī)定的偏差要求，見表1所列。同時注意牛腿在懸臂模板施工的澆注的過程中的拉筋、立柱和錨錐要得到有效的保護，這樣使得觀測的結(jié)果達到設(shè)計允許偏差的要求。每次安裝模板前要對懸臂模板的螺桿、螺帽、螺桿式支撐等易損部件進行詳細的檢查，也要對模板、螺桿、螺帽及其他配件應(yīng)及時的維護和保養(yǎng)。

表1 模板允許偏差值一覽表

4 結(jié)語

一般而言，模板工程不僅在水閘牛腿的施工中，而且在水工混凝土施工中都經(jīng)常遇到。眾所周知，水工混凝土施工中的模板工程費用比重大，可以占到混凝土總造價的25%～30%，就算是在無筋或者少筋的大體積混凝土工程中也約占 5%～15%。本文所談?wù)摰膽冶勰０蹇朔藗鹘y(tǒng)的模板型式的缺點，易于加工生產(chǎn)、操作方便靈活、安全系數(shù)高，周轉(zhuǎn)使用次數(shù)多，提高了施工進度和施工質(zhì)量要求，在機械化施工和減少勞動消耗上呈現(xiàn)了很大的優(yōu)勢。其在工程施工中并能努力提高和改進其工作和使用性能，確保工程的設(shè)計質(zhì)量，推動工程的施工進度和設(shè)計觀念的進一步提高。

牛腿是結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)，為保證閘墩牛腿結(jié)構(gòu)設(shè)計安全，了解牛腿的受力特點從而正確地進行牛腿的設(shè)計計算顯得尤為重要。筆者認為由于牛腿對于水閘的重要性，有條件的話，還可應(yīng)用有限元分析法或模型試驗的方法求得較為精確的內(nèi)力分布情況，以保證這一薄弱部位具有足夠的安全度。另外，上述牛腿在工民建工程中運用較多，其設(shè)計的理論依據(jù)也來源于工民建的規(guī)范，在水工中應(yīng)用時，安全系數(shù)的取值略有不同。

[1]曹海順,王云龍,許凱明.系桿拱橋端橫梁牛腿分析[J].城市道橋與防洪,2009.

[2]國振喜,張樹義.鋼筋混凝土柱牛腿設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[3]沈蒲生.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理.[M].北京：高等教育出版社,2005.

[4]李德墉.牛腿雙懸臂縱梁用于懸灌梁0#塊支架的研究[J].交通標準化,2009.

[5]李冬,張哲.新型牛腿設(shè)計及配筋計算[J].公路,2006.

[6]徐有鄰,周氐.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范理解與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[7]王鐵成，等.混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件設(shè)計原理[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2002.