预制混凝土楼梯在拱坝设计中的应用

2015-06-05刘其文代富红

水电站设计 2015年1期

关键词：挑梁梯段拱坝

刘其文，代富红

（1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002；2.贵州大学，贵州贵阳 550003）

预制混凝土楼梯在拱坝设计中的应用

刘其文1，代富红2

（1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002；2.贵州大学，贵州贵阳 550003）

拱坝设计常用的现浇混凝土楼梯施工速度慢、造价高，钢结构楼梯耐久性差，维护费用高。在建筑行业已广泛使用的预制混凝土楼梯的基础上，提出了一种实用于拱坝的预制混凝土楼梯，并以鱼简河和沙坝拱坝为例对楼梯设计作简要介绍。

楼梯设计；预制混凝土；鱼简河拱坝；沙坝拱坝

0 前言

为了满足巡视检查和运行管理的需要，拱坝通常需要在下游坝面设置交通桥，特别是对于坝体厚度较小不宜设置检查廊道的中低薄拱坝更是如此。对于两坝肩地形陡，没有条件修建梯步的工程，还需要设置楼梯将各层交通桥、取放水设施控制闸室以及基础灌浆廊道出口等连接在一起，以形成完整有效的交通系统。

拱坝通常采用的楼梯有现浇混凝土楼梯和钢结构楼梯两种型式。现浇混凝土楼梯是在施工现场架设模板、绑扎钢筋并浇筑混凝土而形成的整体式楼梯。现浇混凝土楼梯整体性好，刚度大，对抗震较有利，但由于拱坝体型复杂，施工时须搭设大量的脚手架和模板，施工临时工程量大、施工速度慢、造价高，当坝较高时其缺点更加突出。钢结构楼梯是在加工场制作构件，并在现场锚固于坝体的一种钢结构。钢结构楼梯制作和安装施工方便，但由于长期在露天、潮湿环境下工作，极其容易锈蚀，耐久性差，须定期进行保养和维护，运行维护费用高。

为了克服上述两种楼梯的不足，参照建筑行业［1］已广泛使用的预制混凝土楼梯，经过研究和改进，提出了一种实用于拱坝的预制混凝土楼梯，并已在多座混凝土拱坝设计中成功应用，本文以鱼简河和沙坝拱坝为例对预制混凝土楼梯设计作简要介绍，以供参考。

1 预制混凝土楼梯设计

预制混凝土楼梯是将楼梯分成挑梁、楼梯段和平台板三个部分，在加工厂进行制作，施工时将各构件进行装配和固定的一种楼梯结构，如图1所示。因各种形式楼梯的栏杆设计差异不大，本文不对栏杆设计作讨论。

图1 预制混凝土楼梯结构示意

挑梁由悬挑段和锚固段组成，悬挑段横截面为“L”形，锚固段横截面可做成矩形，为方便构件制作常与悬挑段一起做成“L”形。悬挑段长度为楼梯设计宽度B或2B（楼梯回头处），锚固段长度需结合安装时采用的稳定措施确定，若靠自身重量维持稳定，其长度应不小于悬挑段长度的1.3倍，若在末端采用可靠的锚固措施，可以做得更短。

楼梯段可做成板式和梁板式两种。板式梯段为一块带台阶（踏步）的预制混凝土板，如图1所示。梯段宽度通常为楼梯设计宽度，若楼梯宽度较大或现场吊装能力有限时，也可以将其分成2块。梯段板厚度需根据跨度和设计荷载计算确定，通常为10～20 cm。踏步尺寸需根据实际情况确定，为行走方便舒适，踏面宽度可取25～30 cm，踢面高度可取15～20 cm。板式梯段优点是底面平整，便于制作和安装，组成构件少，整体性好，但其单件重量大，对起吊设备要求高，当跨度较大时更是如此，通常适用于跨度不大于4 m情况。梁板式梯段由2根锯齿形斜梁和数块“L”形踏步板组成，如图2所示。踏步板长度为楼梯设计宽度B，厚度5～6 cm，踏步尺寸确定原则同板式梯段。斜梁宽度15～20 cm，高度20～30 cm，锯齿尺寸需与踏步尺寸相协调。梁板式梯段主要特点是构件小而轻，易制作和安装，但构件多，整体性较差。适用于跨度较大，采用板式梯段变形难于满足要求、现场吊装能力有限的情况。

图2 梁板式梯段结构示意

平台板通常做成矩形，若坝体曲率半径过小，为减小填缝工程量也可做成梯形。平台板宽度通常为B，楼梯回头处放置2块即可。平台板长度需根据梯段布置需要确定，以通过调整平台板长度使楼梯段之间、楼梯与其它设施顺利连接。平台板厚度需根据跨度和设计荷载计算确定，并需保证安装后顶面与梯段顶面高程一致，通常取10～15 cm。

预制混凝土楼梯实施过程为，先在加工厂制作构件，在进行坝体混凝土施工时，将挑梁锚固端按预定位置埋入坝体，待坝体施工完毕后，再将楼梯段放置到挑梁上，最后将平台板放置在两楼梯段之间的挑梁上，所有接缝用水泥砂浆填充抹平。

相对于现浇混凝土楼梯和钢结构楼梯，预制混凝土楼梯有如下优点：

（1）构件均为钢筋混凝土制作，造价比钢结构楼梯省；

（2）构件可在预制厂批量生产，施工过程中临时工程量小，施工速度快，便于质量控制；

（3）除挑梁须在大坝施工时埋入坝体外，其余构件均可在坝体施工结束后再进行安装，可最大限度地减少楼梯施工对坝体施工的干扰，特别是对于机械化施工程度较高的碾压混凝土拱坝效果更加显著；

（4）可根据坝体施工分层高度调整楼梯段高度，以便于挑梁的安装；

（5）可根据施工现场的吊装能力调整构件尺寸，以方便施工；

（6）可通过调整挑梁长度，以满足楼梯回头的布置需要；

（7）全部采用钢筋混凝土构件，耐久性好；

（8）可通过调整平台板的平面尺寸，以适应拱坝不同位置曲率半径的变化；

（9）可根据栏杆布置需要，在任意位置埋设预埋件，用于栏杆的安装；

（10）构件数量少，整体性好，安全性高。

2 工程实例

2.1 鱼简河碾压混凝土拱坝

鱼简河碾压混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝高81.0 m，坝顶高程1 062.0 m，拱冠梁底厚16.5 m，坝顶中心角为89.143°，坝顶弧长179.733 m，坝内995.3 m高程设灌浆廊道，坝后1 011.92 m及1 036.82 m高程设有交通桥。

根据交通桥布置，梯段高度从下往上分别设计为4×3.3 m、4×2.925 m、8×3.128 m共3类16段。楼梯设计宽度1.2 m。楼梯段为梁板式，各梯段均由2根斜梁和数块“L”形踏步板组成。斜梁截面尺寸200 mm×300 mm，台阶尺寸分别为280 mm ×183 mm和280 mm×195 mm。踏步板宽度340 mm，高度183 mm，长度1 200 mm，厚度60 mm。挑梁横截面形状为“L”形，宽度600 mm，高度600 mm，缺口宽度300 mm，高度300 mm。锚固段长度1.8 m，悬挑段长度为1.2 m或2.4 m（楼梯回头处）。各高程布置平台板2块，平面尺寸1 100 mm ×600 mm，厚度120 mm，共计38块。

本工程已于2005年建成并投入使用。

2.2 沙坝碾压混凝土拱坝

沙坝单心圆碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程620.0 m，坝顶宽度6.0 m，坝底厚度19.715 m，最大坝高84.5 m，坝轴线长度148.55 m。坝体561.5 m高程设置有灌浆廊道。右坝段591.7 m、大坝中部573.5 m和左坝段585.7 m等高程分别设置有观测室。为便于大坝日常观测和维护检查，连接廊道和底孔出口启闭机室，在坝后573.45 m高程设置一层交通桥，两岸均设置楼梯连接坝顶，其中左岸楼梯往下延伸连接561.5 m高程交通廊道出口，两岸楼梯均与观测室相连。

为方便挑梁安装，楼梯段标准高度设计为3 m，与坝体碾压混凝土施工升层高度一致，局部采用非标准高度。实际共采用标准梯段31段，非标准梯段5段。楼梯段为板式，宽度1.2 m，厚度200 mm，踏步尺寸250 mm×200 mm。挑梁横截面形状为“L”形，宽度600 mm，高度500 mm，缺口宽度300 mm，高度200 mm。锚固段长度1.8 m，悬挑段长度为1.2 m或2.4 m（楼梯回头处）；为方便安装，挑梁均布置在碾压混凝土升层仓面上，与模板安装同步进行。为防止施工过程中挑梁倾覆，在梁端均设置Φ20锚筋1根。平台板厚度150 mm，标准件平面尺寸1 200 mm×1 200 mm，共计41块，非标准件宽度1 200 mm，长度1 500～3 000 mm，共计21块。

本工程已于2006年建成并投入使用。