钢筋桁架渐变式流道组合模板施工技术

李勇

【摘要】本文结合南宁市邕宁水利枢纽工程厂房流道尾水段钢筋桁架渐变式模板的施工实践，阐述了异形渐变式钢筋桁架组合模板的设计制作及施工工艺，总结出了一套钢筋桁架组合式模板在异形渐变段结构施工中行之有效、经济合理的施工方法，为后续类似异形结构模板设计与施工提供借鉴与参考。

【关键词】厂房流道；尾水段；异形渐变模板

一、概述

1 工程概述

南宁市邕宁水利枢纽工程位于南宁邕江河段下游青秀区仙葫开发区牛湾半岛处，上距老口航运枢纽74Km，下距西津水电站124Km。水库正常蓄水位67m，总库容7.1亿m3，电站总装机容量57.6MW（6×9.6MW），为灯泡贯流式机组。枢纽工程等别为Ⅱ等。

2 流道尾水段简介

厂房流道层总长75.05m，中心高程51.5m。流道层底板以上部分平行于坝轴线方向设置二道纵缝，将流道分为进口段、流道中段（主机段）、尾水段。

厂房流道层尾水段长32.057m，其中流道尾水直锥段长9.989m，异形渐变段长22.068m。异形渐变段由φ10.26m正圆渐变至13.5m（宽）×12.825m（高）矩形断面。

厂房流道层示意图如下图。

3 技术特点

（1）技术难度大。流道尾水异形渐变段由正圆变化为矩形，形成由4个曲面与平面切割组成复杂流线型几何体。曲面段采用钢筋桁架钢面板模板结构，直模板段采用竹胶板结构。曲面模板制作较复杂，钢桁架需采用计算机辅助技术进行逐根弯曲加工，钢面板按照其展开半径、圆心角等参数在平面上放样加工，后与钢桁架依次按序弯曲焊接，精度要求高。

（2）质量要求高。模板与支撑体系的施工要求具有足够的强度、刚度及稳定性，流道异形渐变段模板采用钢筋桁架曲面模板与木模板组合拼接而成，保证混凝土结构面的几何尺寸符合设计规定，同时要保证混凝土外观质量满足规范要求。

二、流道尾水段模板设计制作

流道尾水异形渐变段由圆形渐变为矩形，经过计算机辅助制图分析，可将模板切割分块形成由4个三角形平面与4个相同尺寸的斜圆锥面，斜圆锥的圆心轨迹为空间曲线，导致圆锥面的圆心及半径不断变化。

流道尾水渐变段长22.068m，曲面模板若加工成一个整体，吊装难度及施工精度均难以达到设计要求，因此延水流方向将模板分成4块进行加工，长度分别为3块5.5m、1块长5.568m。同时由于异形渐变段底板与顶板对称，因此每个流道尾水段加工2套曲面模板，底板扩散段施工完成后再搭设满堂脚手架翻转曲面模板施工顶板扩散段。

2.1 异形渐变模板设计

为了保证流道混凝土施工质量，异形渐变模板采用钢筋桁架与5mm厚钢面板组拼而成。

1 面板设计与加工

（1）简化面板设计荷载确定钢筋桁架间距

因流道尾水异形渐变段结构复杂，即使是同一浇筑层不同横断面各部位的受力均不同，为了便于计算同时考虑模板周转使用，按照顶板混凝土分层浇筑，每次1m厚的最不利状况进行计算，确定钢筋桁架的间距为30cm。

（2）利用计算机辅助技术进行面板放样与加工

根据设计流道单线图，通过计算机辅助技术将斜锥面展開，确定各块模板的加工参数（圆心、圆心角、半径），按照计算参数进行钢面板的切割加工。

2 钢筋桁架设计与加工

（1）单片钢筋桁架结构设计

钢筋桁架直接承受面板传递的荷载压力，既要满足强度和刚度的要求，又要求材料有良好的弯曲性能并能与面板材料进行良好的连接，因此，本工程借鉴隧洞工程中常用的格栅钢架的形式，拟定采用φ28钢筋作为桁架材料。

（2）钢筋桁架加工

钢筋桁架由上弦杆、腹杆及下弦杆经过焊接而成。其中，上弦杆与下弦杆平行设置，间距30cm，上、下弦杆间设置腹杆，形成稳定的超静定结构。由于斜锥面的特殊性，每片钢筋桁架的几何尺寸均不同，因此，必须借助计算机辅助技术计算每片桁架组成部分的尺寸，再进行钢筋弯曲编号，然后按照编码逐片焊接而成。

钢筋桁架示意图如下图。

2.2 异形渐变段模板的拼接

在已经加工完成的面板上按照钢筋桁架设计间距30cm逐片定位，由桁架的一边向另一边进行焊接，确保焊接的施工质量，保证面板不变形。模板拼接完毕后，要进行试拼，检查模板的几何尺寸及线形是否满足设计要求。

三、模板支撑及施工工艺

3.1 尾水段中心线以下部分的施工

尾水段中心线以下部分的砼施工采用φ16钢筋内拉与φ48钢管内撑相结合的方式。边墙浇筑厚度按3m分层，中心线以下曲面部分以下部分砼浇筑不易振捣密实，浇筑过程中一定要按照分层加密振捣的方式进行，减少气泡、蜂窝的出现。

3.2 尾水段中心线以上部分的施工

3.2.1 模板承重支架设计与验算

厂房流道尾水段结构由正圆渐变为正方形，体态不规则，承重顶板支撑较复杂，为了更好的适应结构变化，简化受力，施工方便，确定采用Φ48mm普通钢管脚手架作为承重架，曲面渐变部分采用加工成型的异形渐变段模板，平直部分采用竹胶板。

尾水段承重脚手架拟定尺寸为纵距0.6m、横距0.75m、最大步距1.2m，立杆顶端伸出0.1m，立杆顶端安装I10工字钢主梁，主梁上方设置10cm×10cm木方分配梁，间距30cm，左右方向的横杆顶紧混凝土壁面或侧面模板桁架。支架水平向每2步设置剪刀撑，垂直方向每3跨设置剪刀撑。

模板支撑体系示意图如下图所示。

3.2.2 荷载计算

模板承受的主要竖向荷载包括模板及支架自重（q1=0.35 kN /m2），新浇混凝土自重（q2=26 kN / m3），施工人员及设备荷载（q4=2.5 kN /m2），振捣混凝土时产生的荷载（q5=4.0 kN /m2），水平荷载主要包括振捣混凝土时产生的荷载（q6=2.0 kN /m2），新浇混凝土对模板的侧压力和倾倒混凝土时产生的水平荷载（q7=4.0 kN /m2）。

3.2.2.1 模板支撑方木受力验算

方木间距0.6m，按三跨连续梁验算。木材抗弯强度设计值fm=16.9 N/mm2，弹性模量E=9500 N/mm2。方木按照三跨连续梁计算，截面惯性矩I和截面抵抗矩W分别为：

W=10×10×10/6 = 166.67 cm3；

I=10×10×10×10/12 =833.33cm4；

1 荷载计算

（1）静荷载为钢筋混凝土和模板的自重：

q1=26×0.75×0.6×1+0.35×0.6×0.75×1=11.858kN/m；

（2）活荷载为施工人员及设备荷载（kN/m）：

q2=2.5×0.75×0.6= 1.125 kN/m；

2 强度计算

最大弯矩考虑为静荷载与活荷载的计算值最不利分配的弯矩和，计算公式如下：

其中：q=1.2×11.858+1.4×1.25= 15.98kN/m

最大弯矩M=0.1ql2=0.1×（1.2×11.858+1.4×1.25）×0.32=0.14kN·m；

方木最大应力计算值：σ=M/W=140000/166666.67 =0.84N/mm2；

面板的最大应力计算值为σ=84N/mm2 <【f】=16.9 N/mm2，满足要求。

3 挠度验算：

最大挠度考虑为静荷载与活荷载的计算值最不利分配的挠度和，计算公式如下：

ν=0.677ql4/（100EI）= 0.677×15.98×3004 /（100×9500×833333.33）= 0.11 mm；

方木的最大挠度计算值 0.11 mm<【ν】=300/400=0.75mm，满足要求！

3.2.2 立杆稳定性受力验算

1 荷载计算

支架承受的主要静荷载包括脚手架自重（N1=2.208 kN），模板自重（N2=0.35×0.6×0.75 = 0.157 kN），钢筋混凝土顶板自重（N3=26×0.6×0.75 = 11.7 kN）。静荷载标准值NG=N1+N2+N3=14.065 kN。支架承受的主要动荷载包括施工人员及振捣产生的荷载NQ= （2.5+2）×0.6×0.75=2.205 kN。

不考虑风荷载时，立杆的轴向压力设计值N=1.2 NG+1.4 NQ=16.875 kN。

2 立杆稳定形验算

立杆计算长度l0 =k1u（h+2a ） = 1.217×1.546×（1.2+0.1×2） = 2.634 m

式中 k1---- 计算长度附加系数，取值为1.217；

u ---- 计算长度系数，参照《扣件式规范》附录C表C-3中查的；u = 1.546；

a ---- 立杆上端伸出顶层横杆中心线至模板支撑点的长度；a = 0.1 m；

长细比λ =2634/15.8=166.71 ；

由长细比λ的结果查表得到轴心受压立杆的稳定系数φ= 0.253 ；

钢管立杆的最大应力计算值：

σ=N/φA=16875/（0.253×489）=136.4N/mm2；

钢管立杆的最大应力计算值 σ=136.4N/mm2 <【f】= 205 N/mm2，满足要求。

3 支架地基承载力验算

承重支架基础直接坐落在C20结构混凝土面上，地基承载力设计值fg=fgk×kc=200kpa（地基承载力调整系数kc=1）

立杆基础对面平均压力p=N/A=16.875kN/0.25m2=67.5 kpa3.2.3 模板安装

（1）吊装前按照模板分块进行测量放样，画出模板安装边线。

（2）严格按照承重支架布置图搭设支架，搭设完成后进行支架验收，验收合格后进入下一道工序施工。

（3）模板拼装前，先在拼装平台的四周立吊线架，在平台的中心悬吊铅球作为尾水管主轴线，然后用全站仪按照脚手架搭设的节点横向和纵向定出每一排脚手架的顶面，严格控制脚手架的顶高程是保证模板安装精度要求的关键环节。

（4）模板安装时，直接将模板吊放在支撑架上，其中模板下边与上一层模板顶面进行有效固定，另一边通过木楔进行调整，确保模板位置准确。

（5）模板安装完成后，对模板线形进行检查，确保模板拼接严密，渐变段模板线形平顺，满足设计要求。

3.2.3 尾水段中心线以上部分砼浇筑

（1）流道尾水段混凝土浇筑前需对模板及支撑系统进行检查，要求模板支撑系统牢固可靠。

（2）流道混凝土浇筑要严格按照施工分层设计进行分层浇筑。

（3）尾水段顶板混凝土浇筑时，要求混凝土从两侧均匀向中线浇筑，严格控制浇筑层厚度，顶板厚层浇筑厚度为1m。

（4）浇筑时，要特别注意曲面模板边混凝土的振捣质量，要采取分层加密振捣措施以减少气泡、蜂窝麻面等出现。

（5）其它混凝土浇筑工艺及注意事项与常规混凝土浇筑工艺相同。

四、结语

南宁市邕宁水利枢纽工程流道尾水段混凝土已浇筑完成，混凝土表面光滑、线形平顺，各部分几何尺寸满足设计及规范要求，充分说明了钢筋桁架渐变式组合模板及支撑系统设计合理，模板的整体性、安全性及稳定性均满足施工要求。同时，在本工程的检修廊道、渗漏廊道以及胸腔等异形结构或者曲面结构施工中，我单位也采用了钢桁架模板进行施工，均取得了较好的效果。

通过钢筋桁架渐变式组合模板及支撑系统在本工程中流道尾水段、检修廊道、渗漏廊道以及胸腔等部位的施工实践，也進一步证明，该方案是合理可行的，为各类工程中类似异形渐变段结构或曲面结构施工中模板设计与施工提供借鉴与参考，值得推广使用。

参考文献：

[1]水利水电工程施工手册（第3卷 混凝土工程），中国电力出版社，2002年。

[2]DL/T 5110-2000，水利水电工程模板施工规范。

[3]JGJ130-2011，建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范。