渐变段穿行式承重脚手架的设计及应用

周红祖，曾 强，李林山

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 工程概述

白鹤滩水电站左岸2#、3#导流洞进口渐变段各长30m，桩号K0+0～K0+30。进口渐变段底板及边顶拱衬砌厚度为250cm;设计最大净空27 m(不包括超挖)，平均超挖约0．3m，局部因地质原因超挖约1．5m。边顶拱模板采用 P1015、P3015钢模组合而成，模板采用内拉外撑的方式固定;内拉丝杆采用φ14钢筋与系统锚杆连接，内拉丝杆的间排距为0．7m×0．75m;纵、横向围檩采用φ48，壁厚3．6mm的钢管架设。考虑到左岸2#、3#导流洞进口闸门井十字排架还未全部拆除，进水口基坑存在部分施工，围堰内侧减薄施工将在渐变段浇筑阶段启动等工作需要从洞内通车，因此，进口渐变段承重脚手架必须设计成穿行式。

2 承重脚手架的设计原则

本工程考虑到施工工期、质量和安全要求，在承重脚手架搭设时，应遵循以下原则:

(1)架体的结构设计力求做到结构要安全可靠，造价经济合理。

(2)在规定的条件下和规定的使用期限内，能够充分满足预期的安全性和耐久性。

(3)选用材料时，力求做到常见通用、可周转利用，便于保养维修。

(4)结构选型时，力求做到受力明确，构造措施到位，升降搭拆方便，便于检查验收。

(5)承重脚手架的搭设必须符合《建筑施工扣件式钢管承重脚手架安全技术规范》(JGJ 130—2011)标准要求。

3 承重脚手架的设计及荷载参数

3．1 承重脚手架的设计参数

满堂承重脚手架使用φ48，壁厚3．5mm的钢管进行搭设。搭设形式:进口渐变段顶拱混凝土设计厚度为2．5m，超挖约0．3m，局部因地质原因超挖约1．5m。

(1)横向间距 (m):0．6;

(2)纵距(m):0．75;

(3)步距(m):0．9;

(4)承重脚手架搭设高度(m):22;

(5)采用的钢管(mm):φ48×3．5;其截面特性如下:截面积 A=4．89cm2，惯性矩 I=12．19 cm4，抗弯截面模量W=5．08cm3，回 转 半 径i=1．58cm，单位重量为3．841kg/m。弹性模量E=2．06×105N/mm2，抗弯、抗压强度设计值 f=205 N/mm2;

(6)扣件连接方式:双扣件;扣件抗滑承载力系数:0．8;

(7)模板支撑方式:φ48，壁厚3．5mm的钢管支撑，托架传递;

(8)穿行式过车门洞净空尺寸为4m×4．7m(宽×高)。

排架基础通过10#槽钢座落在混凝土面上，过车门洞通过增加斜支撑加固门洞，以保证其整体的稳定性。渐变段浇筑顶拱前必须采用φ48，壁厚3．6mm的钢管将预留门洞满堂支撑，以保证顶拱浇筑时的安全(图1)。

图1 承重脚手架设计示意图

3．2 荷载参数(表1)

表1 荷载参数表

(1)模板自重(kN/m2):0．196;(2)架管自重(kN/m2):0．393;

(3)混凝土与钢筋自重(kN/m3):25;

(4)最不利位置(拱肩线以上)混凝土厚度=5．942 × cos46．814°=3．931(m);

(5)施工均布荷载标准值(kN/m2):2。

3．3 拉杆受力分析

拉杆屈服强度σ=235MPa

拉杆直径φ=14mm

以单根拉杆控制范围作为一个计算单元(图2)。

单元内荷载:

混凝土自重 P1=25×3．931×0．75 ×0．7=44．224(kN)。

图2 拉杆受力计算单元示意图

模板自重 P2=0．196 ×0．75 ×0．7=0．103(kN)。

4 承重脚手架的设计计算

4．1 横向水平杆的计算

横向水平杆按照简支梁进行强度和挠度计算。

4．1．1 计算简图

计算简图见图3。

图3 横向水平杆计算简图

4．1．2 荷载值计算

横向水平杆的自重标准值q1=0．393kN/m;

脚手板的荷载标准值q2=0．35×0．75=0．2625(kN/m);

钢筋混凝土自重 q3=25×0．75×3．931=73．706(kN/m);

模板自重荷载 q4=0．196 ×0．75=0．147(kN/m);

活荷载标准值 q5=2．5 ×0．75=1．875(kN/m)。

按排架承受混凝土和模板荷载的20%计算，横向水平杆上的线荷载标准值:

qk=0．393+0．2625+(73．706+0．147)×20%-1．875=17．3011(kN/m);

横向水平杆上的线荷载设计值:

q=1．2 × {0．393+0．2625+(73．706+0．147)×20%}+1．4 ×1．875=21．136(kN/m);

4．1．3 强度计算

最大弯距计算:，满足要求。

4．1．4 挠度计算

最大挠度计算:，满足要求。

4．2 纵向水平杆的计算

纵向水平杆按照三跨连续梁进行强度和挠度计算，横向水平杆在纵向水平杆的上面。

4．2．1 计算简图

计算简图见图4。

图4 纵向水平杆计算简图

4．2．2 荷载值计算

横向水平杆的自重标准值q1=0．393kN/m;

脚手板的荷载标准值q2=0．35×0．75=0．2625(kN/m);

活荷载标准值 qs=2．5 ×0．75=1．875(kN/m);

荷载设计值 q=(0．393-0．35 ×0．6)×1．2+2．5 ×0．6 ×1．4=2．8236(kN/m)。

由横向水平杆传给纵向水平杆的集中力设计值:

4．2．3 强度计算)(中间支座处)，满足要求。

4．2．4 挠度计算(端跨中)(二者取较大值)

按照最大弯矩计算大横杆的抗弯强度:)，满足设计要求。

4．3 扣件抗滑力的计算

纵向或横向水平杆与立杆连接时，扣件的抗滑承载力应满足:R≤Rc

式中 R为纵向或横向水平杆传给立杆的竖向作用力设计值;Rc为扣件抗滑承载力设计值，取8kN。

R=4．308kN≤Rc=8kN，扣件抗滑承载力设计计算结果满足要求。

4．4 立杆稳定性验算

由于立杆除承受竖直的轴向压力外，还要承受可能存在的施工偏心荷载产生的弯矩，属于压弯构件，其承载力应按稳定性进行验算。作用于承重脚手架的荷载包括恒荷载、活荷载。

4．4．1 恒荷载计算

(1)立杆自重产生的轴向力标准值:

(2)脚手板自重产生的轴向力标准值(脚手板支护一层、铺设一层):

(3)栏杆与挡脚板自重产生的轴向标准值:

(4)吊挂的安全设施荷载，包括安全网:

(5)杆件传递的荷载:

构配件自重产生的轴向力标准值:

静荷载标准值:

4．4．2 活荷载计算

活荷载为施工荷载标准值产生的轴向力总和，内外立杆各按一纵距内施工荷载总和的1/2取值。

4．4．3 立杆的轴向压力设计值

4．5 混凝土侧压力计算

混凝土侧压力分布情况见图5。式中 l0为计算长度;i为回转半径，取值为1．58 cm。

计算长度 l0=kμh

式中 k为立杆长度附加系数，取值为1．191;μ为计算长度系数，取值为1．422。

故

λ =152．4/1．58=96．5，查附录 A．0．6 表得稳定系数:f=0．618。

所以

图5 混凝土侧压力示意图

混凝土侧压力值:

式中 P为混凝土侧压力;γc为混凝土容重;h为混凝土侧压力计算高度(考虑混凝土的初凝，当浇筑高度达到h时，最下方混凝土已经初凝，不再对侧向模板产生压力，故只分析高度为h时的混凝土侧压力)。

图6 混凝土侧压力示意图

侧压力最不利的位置位于最下方一块模板，拉杆按照受力控制高度0．7m计算。受力简图见图6。

单元模板受力 F=0．75q

式中 F为拉杆屈服强度，为235MPa;S为拉杆截面面积。

根据白鹤滩商品混凝土的配合比参数，实验确定低热水泥混凝土初凝时间约为8h，计算侧压力时需要考虑混凝土浇筑上升的速度及分层高度。

(1)当混凝土浇筑上升的速度大于0．55m/h时，侧压力受力高度按h=4．5m计算。

底部模板受力 F=54．688(kN)

拉杆受力按照80%，排架受力按照20%计算，

则拉杆受力 F=54．688 ×80%=43．575(kN)≥［F］=36．157kN

拉杆不满足受力要求。

排架按承受20%力计算:

F=54．688 ×20%=10．938(kN)

(2)当混凝土浇筑上升的速度大于0．5m/h时，侧压力受力高度按h=4m计算。

底部模板受力 F=49．906(kN)

同上步骤可得拉杆受力:

F=49．906 ×80%=38．325(kN)≥［F］=36．157kN，不满足要求。

排架满足要求。

(3)当混凝土浇筑上升的速度大于0．45m/h时，侧压力受力高度按h=3．5m计算。

底部模板受力 F=41．344(kN)

同上步骤可得拉杆受力:

F=41．344 ×80%=33．075(kN)≤［F］=36．157kN，满足要求。

故排架满足要求。

综上所述，拉杆受力按照80%、排架受力按照20%计算时，侧压力受力高度按h=3．5m计算，二者均可满足设计要求。但是，排架受力按照20%计算偏保守，所以拟重新分配拉杆及排架受力情况。

(4)拉杆受力按照70%、排架受力按照30%计算。

①侧压力受力高度按h=4．5m计算。

底部模板受力 F=54．688(kN)。

同上步骤可得拉杆受力:

F=54．688 ×70%=38．281(kN)≥［F］=36．157kN，不满足受力要求。

②侧压力受力高度按h=4m计算。

底部模板受力 F=49．906(kN)。

同上步骤可得拉杆受力:

F=49．906 ×70%=34．934(kN)≤［F］=36．157kN，满足要求。

综上所述，拉杆受力按照70%、排架受力按照30%计算时，侧压力受力高度按h=4m计算，二者均可满足设计要求。为了保证施工安全，笔者建议侧压力受力高度取h=3．5m进行计算，即在实际施工中，需要严格控制混凝土浇筑上升的速度大于 0．45m/h。

5 结语

白鹤滩左岸导流洞进口渐变段混凝土工期紧张，在实际施工过程中，按照本文计算的建议值进行控制，未出现安全事故及异常现象，工程已于2014年2月施工完成。但是，经过总结分析，在建议方案的基础上，拉杆可加大受力分配值，排架可减少受力分配值，从而可调整排架基本设计参数，可使方案更加经济合理。

［1］ 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范，JGJ130—2011［S］．