高密模板支撐架施工超厚混凝土關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

楊 帆，李林山，夏志強(qiáng)

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 問(wèn)題的引入

白鶴灘水電站左岸尾閘室豎井混凝土使用高密模板支撐架作為混凝土澆筑承重排架，實(shí)現(xiàn)了采用排架承重的情況下一次性混凝土澆筑厚度達(dá)6．9m的創(chuàng)舉，遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了現(xiàn)行規(guī)范——《扣件式鋼管腳手架規(guī)范》［1］對(duì)于使用承重排架進(jìn)行混凝土澆筑的最大厚度的限制，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，模板支撐架仍存在諸多不確定因素:①排架設(shè)計(jì)因人而異，排架搭設(shè)及其使用規(guī)范性不夠;②沒(méi)有形成一套完整的、適用于水利水電工程建筑的規(guī)范和管理體系;③對(duì)混凝土澆筑速度要求較嚴(yán)格;④模板拉筋的布置要求以及拉筋與排架間的受力分配;⑤合理進(jìn)行施工通道布置;⑥連墻件形式選擇不一。盡管該法存在上述不確定因素，但在工期緊張，采用其他澆筑手段施工成本較大的情況下，仍不失為一個(gè)很好的方法。筆者結(jié)合白鶴灘水電站左岸尾閘室混凝土襯砌澆筑中成功運(yùn)用的承重排架，把本次施工中的關(guān)鍵要素進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，可供類(lèi)似工程參考。

2 工程實(shí)例

2．1 工程概況

白鶴灘水電站左岸尾水隧洞檢修尾閘室長(zhǎng)250m，最大高度87．025m，共布置4個(gè)尾水閘門(mén)井，單個(gè)閘門(mén)井長(zhǎng) 23．7m，寬 9．1 ～10．2m，澆筑高度62m，共分為10層澆筑，其中頂拱以下共分3層，分層高度為2～16．6m，為導(dǎo)流洞與尾閘井交叉段，采用模板支撐架進(jìn)行混凝土澆筑施工。若考慮混凝土在澆筑期間達(dá)不到初凝狀態(tài)，則鋼模板上約承受6．9m厚混凝土壓力，發(fā)生在起拱位置。如此超大厚度的混凝土澆筑施工，對(duì)模板支架的承載力要求非常高。普通模板支撐架立桿間距一般為 0．9 ～1．2m，步距一般在 1．2 ～1．8 m，若按普通模板支撐架設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性就不能滿(mǎn)足承載力要求。為此，在排架設(shè)計(jì)時(shí)，采取“小跨距、低步距”加密措施，立桿間距為0．6m×0．75m，步距為0．9m，形成“高密”模板支撐架。

2．2 設(shè)計(jì)參數(shù)

針對(duì)尾閘井下部現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，高密模板支撐架的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

(1)架管采用 φ48．3 ×3．6mm 鋼管，搭設(shè)高度22m(高程574～596m)，詳見(jiàn)圖1。

(2)立桿步距 h=0．9m。

(3)立桿間距:縱距(沿導(dǎo)流洞洞軸線(xiàn)方向)la取0．6 ～0．9m，承重部位為0．6m，不承重部位為0．9m，兩側(cè)延伸至頂拱加載區(qū)投影范圍4跨，延伸部位的立桿間距為0．75m。橫距(垂直于導(dǎo)流洞洞軸線(xiàn)方向)lb取為0．75m。

(4)靠邊墻內(nèi)立桿距離導(dǎo)流洞邊墻50cm、掃地桿距離地面20cm設(shè)置。

(5)連墻件:連墻件采用調(diào)節(jié)螺栓與導(dǎo)流洞左右側(cè)邊墻抵死，從底層一步一跨布置。

(6)爬梯:爬梯從導(dǎo)流洞上游面設(shè)置，爬梯與地面的角度為30°～45°，爬梯一直延伸至頂拱附近。爬梯步距不超過(guò)30cm，踏步采用焊接鋼踏或并排架管，扶手兩側(cè)均設(shè)置安全防護(hù)網(wǎng)。

(7)拋撐:本高密模板支撐架搭設(shè)時(shí)考慮到沿導(dǎo)流洞水流方向上下游為臨空面，采用拋撐進(jìn)行支撐，后期則視情況拆除。

圖1 尾閘室混凝土承重排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

(8)剪刀撐:垂直于水流向設(shè)置6排橫向剪刀撐，間距3～4．35m，寬3．75m。平行于水流向設(shè)置5 排縱向剪刀撐，間距3．75 ～4．5m，寬3．75 m。在水平面上，最底層設(shè)置一道水平剪刀撐，門(mén)洞上部一層設(shè)置一道水平剪刀撐，往上每隔5．4 m設(shè)置一層剪刀撐，寬3．75m。剪刀撐采用旋轉(zhuǎn)扣件固定在與之相交的水平桿或立桿上，旋轉(zhuǎn)扣件中心線(xiàn)至主節(jié)點(diǎn)的距離不宜大于150mm。所有剪刀撐角度均在45°～60°之間。

(9)本承重架位于左岸尾閘室導(dǎo)流洞內(nèi)(不考慮風(fēng)壓力)。

(10)立桿支撐面:對(duì)地面清理后，沿水流方向按立桿間距布置平［10槽鋼，立桿放置在槽鋼內(nèi)部。

(11)立桿縱距承重部位為0．6m，非承重部位為0．9m。因?yàn)槌兄夭课涣U縱距為0．6m，故計(jì)算時(shí)縱距 la=0．6m，橫距 lb=0．75m。

3 架體設(shè)計(jì)

3．1 設(shè)計(jì)原則與架體組成

3．1．1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)高密模板支撐架時(shí)，應(yīng)充分考慮工程進(jìn)度、質(zhì)量和安全要求，同時(shí)應(yīng)在安全允許范圍內(nèi)最大程度地降低投資成本。

(1)模板支撐架架體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力求做到安全可靠，造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。

(2)應(yīng)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工條件及施工使用時(shí)限要求，在所使用期間內(nèi)具有足夠的耐久性、安全性。

(3)選用材料時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ130-2011的要求。

(4)結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)力求做到受力明確，構(gòu)造措施到位，升降搭拆方便，便于檢查驗(yàn)收。

3．1．2 架體組成

本工程使用的高密模板支撐架主要由底支座、立桿、水平桿、水平剪刀撐、垂直剪刀撐(雙向)、扣件、腳手板、安全網(wǎng)等部件組成。水平桿在縱橫向與立桿采用直角扣件連接。水平剪刀撐與水平桿形成45°到60°的夾角，并通過(guò)轉(zhuǎn)角扣件與立桿連接。垂直剪刀撐與立桿形成45°到60°夾角，并通過(guò)轉(zhuǎn)角扣件與立桿連接。

相對(duì)單、雙排腳手架而言，高密模板支撐架在縱橫平面尺寸相近，縱距、橫距、步距均較小，立桿數(shù)量較多。從構(gòu)造上看，其空間穩(wěn)定性?xún)?yōu)于單雙排腳手架，但因豎向荷載比腳手架大得多，所以豎向、水平支撐構(gòu)造也較單、雙排腳手架?chē)?yán)密。

3．2 主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3．2．1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

高密模板支撐架由于立桿受力極大，底支座如果直接座落在基礎(chǔ)面上，立桿底部應(yīng)力過(guò)于集中，容易造成基礎(chǔ)塌陷或失穩(wěn)，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)其引起足夠的重視，采取有效的減壓措施對(duì)立桿底部進(jìn)行減壓。本工程立桿底部均采用［10槽鋼作為墊板，增大了立桿與新澆混凝土面的受力面積，有效減小了立桿對(duì)基礎(chǔ)的壓力。

3．2．2 掃地桿與頂層橫桿的設(shè)計(jì)

掃地桿、頂層橫桿是加強(qiáng)立桿整體穩(wěn)定性、增強(qiáng)水平向連接強(qiáng)度的構(gòu)件。從力學(xué)角度上看，掃地桿和頂層最后一根橫桿本質(zhì)上屬于同種受力構(gòu)件，在不考慮排架架體內(nèi)力的情況下，排架是一個(gè)整體受力結(jié)構(gòu)，假設(shè)將排架整體翻轉(zhuǎn)180°，原來(lái)的掃地桿即為翻轉(zhuǎn)后的頂層橫桿，因此，這兩者的受力狀態(tài)和形式是一致的。為了讓設(shè)計(jì)人員、施工管理人員有一個(gè)量化認(rèn)識(shí)，體會(huì)掃地桿、頂層橫桿的重要性，筆者在文中引用了沈勤［2］等人的研究成果(圖2)。

圖2 掃地桿設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響示意圖

從圖2中可以看出，掃地桿的設(shè)置對(duì)整個(gè)架體的穩(wěn)定承載力起著重要作用，若不設(shè)置掃地桿或掃地桿設(shè)置過(guò)高，將大大削弱支架的承載能力，故高密模板支撐架掃地桿應(yīng)采用直角扣件固定在距鋼管底端不大于20cm處的立桿上。本工程取值亦為20cm。

3．2．3 立桿設(shè)計(jì)

《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ130-2011允許單雙排架、滿(mǎn)堂腳手架頂層立桿與下一層立桿采取搭接方式，其余立桿均采用對(duì)接方式。但對(duì)于高密模板支撐架來(lái)說(shuō)，偏心距產(chǎn)生的彎矩極大，不容忽略。因此，任何一根立桿都不宜采取搭接方式。

3．2．4 水平桿設(shè)計(jì)

水平桿分為縱向水平桿和橫向水平桿。對(duì)于施工排架，無(wú)論是單雙排架還是滿(mǎn)堂施工架，水平桿既可對(duì)接，也可搭接。對(duì)于高密模板支撐架，水平桿的連接方式應(yīng)根據(jù)其具體受力情況而定。

當(dāng)水平向受到軸向力時(shí)，應(yīng)采用對(duì)接。垂直于尾閘室邊墻的水平桿盡管采用調(diào)節(jié)螺桿與巖壁抵死，但在邊墻澆筑混凝土?xí)r，其將產(chǎn)生側(cè)向壓力，側(cè)壓力經(jīng)模板傳遞至調(diào)節(jié)螺桿再轉(zhuǎn)移到垂直于邊墻上的水平桿上，此時(shí)該桿應(yīng)作為軸心受壓構(gòu)件考慮，其受力機(jī)理和立桿是一致的，應(yīng)進(jìn)行荷載計(jì)算。

3．2．5 連墻件

通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿與邊墻固定牢靠，逐層逐跨布置，當(dāng)有側(cè)墻混凝土?xí)r，調(diào)節(jié)螺桿一方面作為軸心受壓構(gòu)件，在澆筑時(shí)將混凝土側(cè)壓力傳遞到橫桿上，澆筑后可作為與墻體連接構(gòu)件，用以提高架體整體穩(wěn)定性。

3．2．6 剪刀撐

剪刀撐斜桿的接長(zhǎng)應(yīng)采用搭接，搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于1m，并采用3個(gè)旋轉(zhuǎn)扣件固定。端部扣件蓋板的邊緣至桿端距離不應(yīng)小于100mm。剪刀撐斜桿應(yīng)用旋轉(zhuǎn)扣件固定在與之相交的橫向水平桿的伸出端或立桿上，旋轉(zhuǎn)扣件中心線(xiàn)至主節(jié)點(diǎn)的距離不應(yīng)大于150mm。

根據(jù)規(guī)范要求，本模板支撐架立桿縱、橫距為(0．6 ×0．6)m ～(0．9 ×0．9)m 時(shí)，在架體外側(cè)周邊及內(nèi)部縱橫向每隔5跨應(yīng)由底層至頂層設(shè)置連續(xù)豎向剪刀撐，剪刀撐與外側(cè)全立面連續(xù)設(shè)置剪刀撐。

本模板支撐架橫向設(shè)置6排剪刀撐，間距3～4．35m，寬3．75m?？v向設(shè)置5 排剪刀撐，間距3．75 ～4．5m，寬3．75m。水平面上，底層設(shè)置一道水平剪刀撐，門(mén)洞上部一層設(shè)置一道水平剪刀撐，往上每隔5．4m設(shè)置一道剪刀撐，寬3．75 m。

4 高密模板支撐架的計(jì)算要點(diǎn)

4．1 鋼管參數(shù)的確定

盡管在新的《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ130-2011中取消了φ51×3鋼管，將原規(guī)范(JGJ130-2001)中φ48×3．5的腳手架用鋼管改為φ48．3×3．6，但目前受建筑市場(chǎng)規(guī)范度不夠，φ48×3．5的標(biāo)準(zhǔn)鋼管購(gòu)置和租賃較為困難，φ48．3×3．6的鋼管更不多見(jiàn)，市場(chǎng)上多為壁厚2．8～3mm不等的φ48鋼管。在對(duì)不同規(guī)格的鋼管進(jìn)行比對(duì)分析后，算出壁厚2．8mm和3．5mm的φ48鋼管截面積、慣性矩、截面模量相差約16% ～20%。根據(jù)計(jì)算公式，在荷載和步距等相同的情況下，不同鋼管的水平桿抗彎強(qiáng)度、立桿穩(wěn)定承載力相差較大。因此，腳手架承載力的計(jì)算必須有針對(duì)性，不能簡(jiǎn)單的按規(guī)范要求套用鋼管參數(shù)，否則極可能導(dǎo)致承載力不足而發(fā)生腳手架坍塌事故。

4．2 計(jì)算時(shí)主要荷載的選擇

基本荷載主要包括:

(1)模板及圍囹自重，可取值3kN/m2;

(2)新澆混凝土自重，通?？砂?4～25kN/m3選取;

(3)鋼筋重量，通常按1kN/m計(jì)算;(4)施工均布荷載，可取值2kN/m2;(5)振搗混凝土產(chǎn)生的荷載，可取值1kN/m2;

(6)新澆混凝土側(cè)壓力與混凝土振搗、澆筑速度、凝固速度等因素有關(guān)，計(jì)算時(shí)，一般認(rèn)為混凝土處于流體狀態(tài);

(7)特殊荷載:風(fēng)荷載，可按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB20009-2012取值，洞內(nèi)可不考慮風(fēng)荷載的影響。

橫向模板荷載組合為(1)+(2)+(3)+(4)+(5)+立桿每延米計(jì)算自重，豎向模板荷載組合為(5)+(6)。

4．3 支撐架立桿需要驗(yàn)算的部位

按照規(guī)范規(guī)定的構(gòu)造所搭設(shè)的滿(mǎn)堂架，在極限荷載作用下，其可能的破壞形式分為三種:以水平剪刀撐設(shè)置層為反彎點(diǎn)沿剛度較弱方向的架體“S”型大波整體失穩(wěn)，架體較大步距間立桿段的局部彎曲失穩(wěn)以及頂步距立桿段的局部彎曲失穩(wěn)［1］。因此，對(duì)于立桿的整體、步距較大處的受力單元、立桿頂部及底部懸伸段均需進(jìn)行受力計(jì)算。通常情況下，架體的極限承載力由架體大波整體失穩(wěn)時(shí)的承載力值確定。當(dāng)架體的步距過(guò)大時(shí)，其立桿段的穩(wěn)定承載力可能低于整體失穩(wěn)時(shí)的承載力。當(dāng)滿(mǎn)堂架的頂步距過(guò)大或頂步距以上立桿懸伸長(zhǎng)度過(guò)大，其立桿段的穩(wěn)定承載力可能低于整體失穩(wěn)時(shí)的承載力。

4．4 高密模板支撐架立桿計(jì)算長(zhǎng)度

以不組合風(fēng)荷載為例，立桿穩(wěn)定性的計(jì)算公式為:

式中 φ為軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)，由考慮腳手架整體穩(wěn)定因素的換算長(zhǎng)細(xì)比λo查表確定;N為軸向力;A為材料截面積;f為鋼管抗壓強(qiáng)度;lo為立桿計(jì)算長(zhǎng)度;i為慣性半徑;k為滿(mǎn)堂支撐架立桿計(jì)算長(zhǎng)度附加系數(shù);h為步距;a為立桿伸出頂層水平桿中心線(xiàn)至支撐點(diǎn)的長(zhǎng)度，應(yīng)≯0．5 m，當(dāng)0．2m＜a＜0．5m 時(shí)，按線(xiàn)性插入值確定;u1、u2為考慮滿(mǎn)堂支撐架整體穩(wěn)定因素的單桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。

按照以上步驟，可以驗(yàn)算所計(jì)算部位立桿的穩(wěn)定性，所得lo取較大值。

5 結(jié)論與展望

5．1 結(jié) 論

(1)為了有效減少偏心距對(duì)架體結(jié)構(gòu)的不利影響，模板支撐架立桿必須采用對(duì)接扣件連接，與邊墻垂直的水平桿由于受到軸心側(cè)壓力，亦應(yīng)采用對(duì)接扣件。

(2)高密模板支撐架在進(jìn)行超高超厚(大于1．5m)混凝土施工時(shí)，基礎(chǔ)應(yīng)采用降壓措施，如采用墊板或墊槽鋼等手段，以緩減基礎(chǔ)壓力。

(3)模板與立桿頂部應(yīng)通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿傳力，以便于對(duì)模板體型進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)可確保立桿不受偏心荷載的影響。

(4)在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，合理增設(shè)承重模板拉模筋，通過(guò)拉筋與排架聯(lián)合承載，可大大提高排架的安全系數(shù)。

(5)合理的澆筑速度是確保模板支撐架整體穩(wěn)定的重要因素，在進(jìn)行排架設(shè)計(jì)時(shí)需考慮該因素并提出控制指標(biāo)。

5．2 展 望

本工程使用的高密模板支撐架各參數(shù)均經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算，施工過(guò)程中也非常重視安全問(wèn)題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但模板支撐架形式不一，不確定因素較多，且本工程使用的地點(diǎn)均在洞內(nèi)，并沒(méi)有考慮風(fēng)荷載帶來(lái)的不利影響;另外，由于混凝土初凝產(chǎn)生的拱效應(yīng)也無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行度量，僅把該部分作為安全貯備。目前有關(guān)模板支撐架的計(jì)算理論尚不完善，在設(shè)計(jì)時(shí)，合理的簡(jiǎn)化、嚴(yán)格地把握設(shè)計(jì)、施工程序、施工過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，是目前確保施工安全的主要手段。隨著新型腳手架、模板支架體系和計(jì)算機(jī)軟件的進(jìn)一步發(fā)展，將促使這一領(lǐng)域逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

［1］ 建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范，JGJ130-2011［S］．

［2］ 沈 勤，胡長(zhǎng)明，車(chē)佳玲．搭設(shè)參數(shù)對(duì)扣件式鋼管模板支架整體穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析［J］．工業(yè)建筑，2005，40(2):7-11．

［3］ 陳斌，金志高，李繼剛．腳手架與模板支架安全計(jì)算中若干問(wèn)題的探討［J］．四川建筑科學(xué)研究，2008，34(5):189-191．

［4］ 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范，GB50204-2002)［S］．