下凱富峽水電站進(jìn)水塔牛腿及頂板支撐體系研究

丁 陽(yáng)

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概況

下凱富峽水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)從下到上由底板、墩身和頂板組成，引水發(fā)電洞進(jìn)水口布置在右壩肩上游，坐落在弱風(fēng)化巖體上，為岸塔式進(jìn)水口。進(jìn)水塔底板高程506m，塔身整體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，包括一期塔身混凝土及二期門槽混凝土。進(jìn)水塔頂部高程582.2m，整體澆筑高度76.2m，混凝土澆筑總方量4.08萬(wàn)m3。

進(jìn)水塔頂部主要結(jié)構(gòu)包括牛腿、頂板以及頂板梁。牛腿分為攔污柵牛腿、閘門槽牛腿及塔身背部橋臺(tái)牛腿，攔污柵牛腿寬1.6m，高2m，閘門槽牛腿寬6.5m，高2.4m，塔身背部橋臺(tái)牛腿寬8m，高1m；進(jìn)水塔頂板為懸挑結(jié)構(gòu)，兩側(cè)懸挑長(zhǎng)度為2m，厚度為50cm，頂板面積為1051m2；進(jìn)水塔上游攔污柵門槽處頂板梁厚1.8m，寬0.9m，下游頂板梁厚1.6m，寬0.8m。進(jìn)水塔頂部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 進(jìn)水塔頂部結(jié)構(gòu)示意

2 支撐方案選擇

2.1 支撐方案簡(jiǎn)述

牛腿及懸挑頂板支撐方式一般由滿堂承重腳手架從底部進(jìn)行支撐、在牛腿及頂板的下一層預(yù)埋工字鋼進(jìn)行支撐、承重腳手架與預(yù)埋工字鋼相結(jié)合三種[1]支撐方式。針對(duì)進(jìn)水塔牛腿及懸挑頂板混凝土澆筑，預(yù)先設(shè)計(jì)了兩個(gè)支撐方案：

方案一：對(duì)于進(jìn)水塔牛腿澆筑，采用在已澆筑的混凝土內(nèi)預(yù)埋豎向工字鋼，用于對(duì)牛腿模板的斜拉固定；對(duì)于進(jìn)水塔頂板、兩側(cè)懸挑部位、閘墩上游懸挑等部位的澆筑，均采用在已澆筑的混凝土內(nèi)預(yù)埋工字鋼搭建施工平臺(tái)的方式進(jìn)行頂板澆筑。預(yù)埋懸挑工字鋼布置于高程574.39m，懸挑工字鋼上部搭接工字鋼框格，上部鋪設(shè)3mm鋼板，進(jìn)而在鋼板上部搭設(shè)腳手架進(jìn)行頂板施工。腳手架按照0.9m×0.6m搭設(shè)，在頂板梁區(qū)域，腳手架加密為0.6m×0.6m搭設(shè)。本方案的特點(diǎn)為各部位的荷載全部由預(yù)埋在混凝土內(nèi)的工字鋼承擔(dān)，因荷載較大，需要預(yù)埋的工字鋼的型號(hào)較大，間距較小。

方案二：對(duì)于進(jìn)水塔牛腿澆筑，采用在已澆筑的混凝土內(nèi)預(yù)埋豎向工字鋼，用于對(duì)牛腿模板的斜拉固定；對(duì)于進(jìn)水塔頂板澆筑，進(jìn)水塔內(nèi)部頂板及頂板梁區(qū)域，采用從底部胸墻和隔板開(kāi)始搭設(shè)滿堂支撐架；對(duì)于兩側(cè)懸挑頂板澆筑，利用兩側(cè)邊墻模板搭設(shè)懸挑架作為懸挑頂板的支撐；對(duì)于攔污柵閘門墩上游處，利用工字鋼挑架作為施工平臺(tái)搭設(shè)支撐架。本方案的特點(diǎn)為大部分頂板荷載由下部的滿堂支撐架支撐，腳手架搭設(shè)高度較高。

2.2 方案分析比選

方案一：埋設(shè)型鋼作為支撐平臺(tái)為該類型工程常規(guī)施工方案，該方案優(yōu)點(diǎn)是減少了吊裝工程量，同時(shí)型鋼支撐平臺(tái)強(qiáng)度、剛度更高，并且具有較成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，可借鑒同類型成功的施工方案。但是其施工過(guò)程中存在較多缺點(diǎn)：

(1)由于懸挑長(zhǎng)度過(guò)大，經(jīng)驗(yàn)算各部位預(yù)埋工字鋼及工字鋼橫梁多為40#工字鋼，且需對(duì)工字鋼兩側(cè)翼板全長(zhǎng)范圍內(nèi)采用20mm厚鋼板進(jìn)行加勁處理，預(yù)埋型鋼總量約為40t。

(2)預(yù)埋工字鋼的搭設(shè)及拆除難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。具體為：①預(yù)埋在混凝土內(nèi)的工字鋼需進(jìn)行切除和修補(bǔ)，人員無(wú)操作平臺(tái)進(jìn)行操作，修補(bǔ)難度大；②型鋼支撐體系的安裝工作量非常大，在僅有塔吊進(jìn)行吊裝的情況下其施工進(jìn)度難以控制，同時(shí)安裝過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)較大，人員操作困難；③澆筑完成后需對(duì)預(yù)埋工字鋼進(jìn)行切除，切除后的工字鋼需設(shè)置專門的安全繩系牢，若沒(méi)有將直接跌落至下部的胸墻混凝土上破壞混凝土外露面，安全繩需進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)，且安全繩錨點(diǎn)本身也需要拆除，為方案實(shí)施增加了難度；④頂板澆筑完成后，塔身內(nèi)部已封閉，沒(méi)有吊裝設(shè)備可以將整根工字鋼橫梁吊出。

方案二：從進(jìn)水塔胸墻搭設(shè)滿堂支撐架結(jié)合懸挑支撐架用于進(jìn)水塔頂板澆筑，該方案舍棄了傳統(tǒng)的埋設(shè)型鋼作為支撐平臺(tái)的方案，采用針對(duì)不同部位進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)的理念，采用多形式組合結(jié)構(gòu)為本工程的創(chuàng)新型方案。該方案的優(yōu)點(diǎn)是搭設(shè)滿堂支撐架的同時(shí)也將被用于塔身內(nèi)部拉桿孔修補(bǔ)的工作平臺(tái)，滿堂支撐架拆除過(guò)程中采用人工逐層拆除，安全系數(shù)高；搭設(shè)滿堂支撐架，工字鋼預(yù)埋數(shù)量少，僅門槽處預(yù)埋作為懸挑平臺(tái)的工字鋼，修補(bǔ)數(shù)量少，施工難度較小；且腳手架為周轉(zhuǎn)性材料，可以重復(fù)利用，經(jīng)濟(jì)方面更節(jié)約了施工成本。該方案的缺點(diǎn)為搭設(shè)滿堂支撐架最大高度約為57m，需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，保證施工過(guò)程中的安全。

經(jīng)過(guò)對(duì)兩個(gè)支撐方案的詳細(xì)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，最終選擇方案二作為進(jìn)水塔牛腿及懸挑頂板的施工方案。

3 支撐方案設(shè)計(jì)

3.1 施工分層分塊

進(jìn)水塔頂板及牛腿澆筑共分為兩層，第一層澆筑從高程578m澆筑2.4m，澆筑至頂板連系梁以下，本倉(cāng)澆筑包括攔污柵牛腿、閘門槽牛腿和進(jìn)水塔背部橋臺(tái)牛腿；第二層澆筑從高程580.4m澆筑1.8m，本倉(cāng)澆筑包括進(jìn)水塔頂板及頂板梁。進(jìn)水塔施工分層布置見(jiàn)圖2。

圖2 進(jìn)水塔施工分層布置

3.2 方案設(shè)計(jì)

(1)進(jìn)水塔第一層高程578m～580.4m澆筑。本倉(cāng)施工選用的支撐方式為在已澆筑的混凝土內(nèi)預(yù)埋豎向工字鋼的方式。在攔污柵閘墩及進(jìn)水塔后墻預(yù)埋豎向254工字鋼(歐標(biāo))，共預(yù)埋24根工字鋼。工字鋼埋入下層混凝土50cm。牛腿澆筑時(shí)采用木模板，牛腿模板利用預(yù)埋工字鋼斜拉的方式進(jìn)行固定。模板斜拉體系是用50mm×50mm方木在模板外部搭設(shè)一組豎圍囹，再用φ48mm×3.5mm雙鋼管為一組搭設(shè)一道橫圍囹，最后用山形扣卡在雙鋼管上，通過(guò)φ16或φ20圓鋼作為拉桿焊接固定在提前預(yù)埋的工字鋼上。進(jìn)水塔工字鋼預(yù)埋位置立面見(jiàn)圖3，進(jìn)水塔工字鋼預(yù)埋位置平面見(jiàn)圖4。

圖3 進(jìn)水塔工字鋼預(yù)埋位置立面

圖4 進(jìn)水塔工字鋼預(yù)埋位置平面

(2)進(jìn)水塔頂部第二層高程580.4m～582.2m澆筑。本倉(cāng)施工過(guò)程中，頂板及聯(lián)系梁澆筑模板采用扣件式滿堂支撐架作為支撐體系。滿堂支撐架分別從進(jìn)水塔隔板及胸墻以上開(kāi)始搭設(shè)，最高搭設(shè)高度57.7m，采用φ48mm×3.5mm鋼管，腳手架立桿橫縱間距1m，水平橫桿步距1.8m，剪刀撐設(shè)置為普通型。進(jìn)水塔頂板模板支撐體系見(jiàn)圖5。

圖5 進(jìn)水塔頂板模板支撐體系示意

由于腳手架搭設(shè)高度較高，在搭設(shè)過(guò)程中應(yīng)設(shè)置連墻件固定腳手架。設(shè)計(jì)將連墻件固定在翻轉(zhuǎn)模板的拉桿孔內(nèi)，首先用鋼筋焊接在拉桿孔內(nèi)的拉筋上，鋼筋另一端焊接在鋼管上；鋼管則與主體混凝土頂緊，另一端與立桿使用扣件固定，防止架體發(fā)生晃動(dòng)，保證架體穩(wěn)定。連墻件每隔一個(gè)拉桿孔布置一個(gè)(其間距為3m或3.5m)。腳手架連墻件固定示意見(jiàn)圖6。

圖6 腳手架連墻件固定示意

進(jìn)水塔兩側(cè)邊墻及后墻支撐體系采用懸挑支架。邊墻翻轉(zhuǎn)模板在上一倉(cāng)澆筑時(shí)每塊模板新增4個(gè)拉桿，以增加其穩(wěn)定性及抗拉抗滑能力，澆筑完成后不予拆除，懸挑支架在原邊墻翻轉(zhuǎn)模板的基礎(chǔ)上進(jìn)行搭設(shè)，將水平桿及斜向支撐頂在模板背面的肋板槽內(nèi)，并利用預(yù)埋在倉(cāng)內(nèi)的拉桿焊接拉筋的方式保證支撐體系穩(wěn)定。進(jìn)水塔懸挑支撐架搭設(shè)示意見(jiàn)圖7。

圖7 進(jìn)水塔懸挑支撐架搭設(shè)示意

攔污柵閘門墩上游處利用工字鋼挑架作為施工平臺(tái)搭設(shè)支撐架。首先，在閘門槽內(nèi)預(yù)埋的一期埋件槽鋼上方焊接一塊2cm厚鋼板，在鋼板上橫向焊接兩根I18工字鋼橫梁；另外，澆筑上一倉(cāng)時(shí)在閘墩邊墻處預(yù)埋305工字鋼外露30cm作為橫梁支座，澆筑完成后在此工字鋼上方焊接一根305工字鋼(歐標(biāo))橫梁與后方已澆筑完成的聯(lián)系梁共同作為懸挑梁的支撐，如圖8所示。在橫梁與連系梁上搭設(shè)305工字鋼懸挑梁間距1m，每孔布置6根，挑梁與橫梁焊接。為保證上述橫梁的穩(wěn)定性，在其下部設(shè)置45°斜向支撐抵抗豎向彎矩。進(jìn)水塔工字鋼挑梁布置見(jiàn)圖8，進(jìn)水塔工字鋼挑梁及支撐布置見(jiàn)圖9。

圖8 進(jìn)水塔工字鋼挑梁布置示意

圖9 進(jìn)水塔工字鋼挑梁及支撐布置

4 支撐體系結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 牛腿模板支撐體系驗(yàn)算

以進(jìn)水塔閘門槽2.4m牛腿為例進(jìn)行拉筋拉應(yīng)力驗(yàn)算及工字鋼穩(wěn)定性驗(yàn)算。當(dāng)混凝土澆筑到最頂層時(shí)拉筋受力最大。普通鋼筋混凝土重度為25kN/m3，鋼筋、模板、安全操作平臺(tái)、施工人員及澆筑時(shí)振動(dòng)荷載G2按10%混凝土重量計(jì)取。

4.1.1 拉筋平均拉應(yīng)力驗(yàn)算

混凝土體積V=2.4×2.4/2×6.5+0.55×2.4×6.5=27.3m3

混凝土自重G1=ρ×v×g=25×27.3=682.5kN

其他荷載G2=682.5×10%=68.25kN

G=G1+G2=750.75kN

預(yù)埋5根高6的I18工字鋼，每邊拉筋豎向分力承受1/5全部重力。

拉筋拉力N=1/5×G/sin45°=1/5×750.75/sin45°=212.34kN

工字鋼一邊擬用5根φ20圓鋼，面積共π×102×5=1570.8mm2，則拉筋所受平均拉應(yīng)力為：

σ=N/A=212.34×103/1570.8=135.18N/mm2<[σ]=215N/mm2

驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。

4.1.2 工字鋼穩(wěn)定性驗(yàn)算

單根工字鋼所受的最大壓力為150.15kN，I18工字鋼截面積為3070mm2，工字鋼所受最大壓應(yīng)力為：

N/A=150.15×103/3070=48.9N/mm2<215N/mm2

驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。

4.2 工字鋼挑梁穩(wěn)定驗(yàn)算

利用MSteel軟件對(duì)次梁進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，對(duì)次梁施加恒荷載及活荷載，根據(jù)不同的組合信息，計(jì)算結(jié)果顯示最大壓應(yīng)力為σ=162.5MPa<215MPa，次梁驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。

根據(jù)次梁穩(wěn)定計(jì)算得出最大支座反力193.4kN，對(duì)主梁施加恒荷載193.4kN的集中力，根據(jù)不同的組合信息，計(jì)算結(jié)果顯示最大壓應(yīng)力為σ=155MPa<215MPa，主梁驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。

4.3 懸挑支撐體系穩(wěn)定驗(yàn)算

利用Autodesk Inventor Professional軟件建立懸挑支撐模型，本次計(jì)算在腳手架的支撐點(diǎn)處施加點(diǎn)荷載，混凝土頂板的荷載以點(diǎn)荷載形式施加在腳手架上。頂板以下的腳手架施加的點(diǎn)荷載大小為18kN，懸挑的腳手架施加的點(diǎn)荷載為12kN。計(jì)算中將固定在模板上的腳手架以及斜撐施加完全約束。

由模型整體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，法向應(yīng)力最大值為145.9MPa<215MPa，各項(xiàng)應(yīng)力均在合適范圍內(nèi)，最大應(yīng)力均小于215MPa。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與預(yù)期一致，符合實(shí)際情況。綜上分析，模型整體的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足承載力要求和相關(guān)規(guī)范要求。進(jìn)水塔懸挑支撐架結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖10。

圖10 進(jìn)水塔懸挑支撐架結(jié)構(gòu)模型

4.4 頂板及連系梁模板支撐體系驗(yàn)算

利用品茗安全軟件進(jìn)行模板支撐體系驗(yàn)算，胸墻上游側(cè)模板支撐架高度為5.47m，計(jì)算結(jié)果顯示面板驗(yàn)算、主梁驗(yàn)算、水平鋼管驗(yàn)算、立桿驗(yàn)算均滿足要求。胸墻下游側(cè)模板支撐架高度為56.6m，計(jì)算結(jié)果顯示面板驗(yàn)算、主梁驗(yàn)算、水平鋼管驗(yàn)算、立桿驗(yàn)算均滿足要求。

5 混凝土澆筑

進(jìn)水塔混凝土澆筑過(guò)程使用兩臺(tái)混凝土布料機(jī)同時(shí)入倉(cāng)，澆筑C30二級(jí)配混凝土，配備8臺(tái)混凝土罐車。第一倉(cāng)澆筑高度為2.4m，采用臺(tái)階法澆筑，臺(tái)階分層高度為50cm。兩臺(tái)布料機(jī)同時(shí)從左邊墻向右邊墻開(kāi)始澆筑，一臺(tái)布料機(jī)負(fù)責(zé)胸墻上游區(qū)域，另一臺(tái)負(fù)責(zé)下游區(qū)域，本倉(cāng)澆筑總方量為784m3，總澆筑時(shí)間約為16h。第二倉(cāng)澆筑高度1.8m，本倉(cāng)澆筑總方量1015m3，澆筑過(guò)程中為使模板均勻受力，平倉(cāng)鋪料時(shí)一定要均勻鋪開(kāi)。澆筑時(shí)要求均勻下料，以防止應(yīng)力集中，導(dǎo)致模板及支撐產(chǎn)生偏移[2]。澆筑時(shí)倉(cāng)內(nèi)利用人工平倉(cāng)，插入式振搗棒進(jìn)行混凝土振搗作業(yè)，振搗時(shí)振搗器距模板的振搗距離不應(yīng)小于振搗器有效半徑的1/2，并不得觸動(dòng)鋼筋[3]。同時(shí)在澆筑過(guò)程中，全程對(duì)進(jìn)水塔頂板澆筑支撐部位進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，保證在澆筑過(guò)程中發(fā)生變形可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

進(jìn)水塔頂板在澆筑過(guò)程中進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示最大偏差值+5mm，符合規(guī)范要求。進(jìn)水塔塔頂混凝土于2020年01月10日澆筑完成，成型混凝土實(shí)測(cè)最大偏差值為+7mm，在施工規(guī)范允許誤差+20mm之內(nèi)，符合規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究了下凱富峽水電站牛腿及懸挑頂板的支撐體系，在施工過(guò)程中采取該措施，混凝土澆筑質(zhì)量良好，未出現(xiàn)裂縫及其他質(zhì)量缺陷，在施工過(guò)程中，未發(fā)生安全事故，證明本支撐體系適用于該體型結(jié)構(gòu)，并且在施工過(guò)程中質(zhì)量和安全得到了保障。

進(jìn)水塔牛腿及懸挑頂板選用搭設(shè)滿堂支撐架結(jié)合懸挑支撐架的措施，其主要優(yōu)點(diǎn)是在施工過(guò)程中型鋼預(yù)埋量少，修補(bǔ)數(shù)量較少；滿堂支撐架的搭設(shè)及拆除施工難度較小，安全系數(shù)高，同時(shí)滿堂支撐架也可被用于塔身內(nèi)部拉桿孔修補(bǔ)的工作平臺(tái)；腳手架為周轉(zhuǎn)性材料，可以重復(fù)利用，節(jié)約了施工成本。

實(shí)踐證明通過(guò)以上施工措施滿足結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，同時(shí)又保障了進(jìn)水塔牛腿及頂板施工質(zhì)量和安全，可被其他同類型工程所借鑒。