某泄洪洞渐变段施工中脚手架安全验算分析

2016-08-18宋艳青郑州水务建筑工程股份有限公司

河南水利与南水北调 2016年6期

□宋艳青（郑州水务建筑工程股份有限公司）

某泄洪洞渐变段施工中脚手架安全验算分析

□宋艳青（郑州水务建筑工程股份有限公司）

某水库是大（2）型水库，设计洪水标准采用500 a一遇，水库是以防洪为主，结合灌溉、供水，兼顾发电的大型水库。水库包括主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞、电站等。泄洪洞布置在主坝左侧，包括引渠段、控制段、洞身段、消能工程段等部分。在对泄洪洞渐变段进行混凝土浇筑施工过程计划采用扣碗式脚手架作为支撑。文章基于相关规范及结合现场实际施工情况，对渐变段施工中脚手架安全性进行验算分析，研究结果表明能够满足各项规程的要求，达到设计标准。

泄洪洞；渐变段；脚手架；安全性；验算分析

1　水库概况

某水库规模为大（2）型，是以防洪为主，结合灌溉、供水，兼顾发电的大型水库。工程主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞、电站等。水库设计洪水标准采用500 a一遇，相应洪水位418.36 m。水库主要建筑物有主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞和输水洞，次要建筑物有电站、交通道路、桥梁等，临时建筑物导流洞等。泄洪洞布置在主坝左侧，总长约664.50 m，包括引渠段、控制段、洞身段、消能工程段等部分。进口洞底高程为360.00 m，控制段闸室采用有压短管型式，洞身段采用无压城门洞型隧洞，出口消能方式采用挑流消能。

2　水库泄洪洞渐变段基本情况

水库泄洪洞渐变段为塔架方形流道与泄洪洞城门洞过水断面的过渡带，长12 m，上游端顶拱跨度6.50 m，顶部方变圆，混凝土衬砌厚度1.20 m。

计划该段边顶拱一次浇筑完成，然后再浇筑底板，边墙采用普通钢模板。采用满堂脚手架作为支撑，上部安装间距0.50 m的渐变龙骨，再铺设纵向钢管，安装直径20 mm的环向钢筋，其上安装宽100 mm的普通钢模板作为顶拱衬砌模板。

3　渐变段施工中脚手架安全验算的必要性

脚手架施工设计依据《简明施工计算手册》《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》进行设计，施工中不允许超过设计荷载。渡槽设计活荷载最大为20 kN/m2，施工中要求堆载不得超过该值。

脚手架的小横杆、大横杆和立杆是传递垂直荷载的主要构件。而剪刀撑、斜撑和连墙件主要是保证脚手架整体刚度和稳定性，并且加强抵抗垂直和水平作用的能力。而连墙件则承受全部的风荷载，扣件则是架子组成整体的联结件和传力件。为了保证施工安全，脚手工架搭设前须进行安全验算。

4　脚手架安全验算分析

满堂脚手架的竖向立杆和纵横向横杆间排距均为0.60 m，步高0.60 m，竖杆支撑岩石基础上，下设0.15 m×0.15 m的钢垫板。

分别取渐变段上游断面和下游断面，选择混凝土最厚部位进行计算。计算时，外加0.20 m的超挖引起的超填量。由图1可知，上游断面拱顶部位混凝土最厚，为2.55+0.2=2.75 m，故取该点进行计算。

图1　计算截面示意图

4.1计算参数

各种材料的容重及弹性模量等参数如表1所示。

表1　材料特性值表

钢管截面特性如表2所示。

表2　钢管截面特性表

施工人员、机具运输及堆放荷载取值为F1=3.00 kN/m2。

振捣混凝土产生的荷载取值为F2=2.00 kN/m2。

泵送混凝土时冲击所产生的荷载取值为F3=2.00 KN/m2。

4.2支架立杆验算

4.2.1荷载计算

便于分析起见，在计算过程中假定混凝土为理想流体材料，即材料颗粒之间不存在剪应力，这个假定对于一次浇筑完成的顶拱是恰当的，因为混凝土尚未初凝，应力重分布现象不明显。

进行强度验算时，永久荷载分项系数取1.20，可变荷载分项系数取1.40。

立杆荷载计算结果如表3所示。

表3　立杆荷载计算结果表

4.2.2强度及稳定性验算

立杆强度根据下式验算：

立杆稳定性根据下式验算：

示中：N—单根立杆所承受的轴向压力；φ—轴心受压构件的稳定系数；A—钢管横截面面积；f—钢材的抗压强度设计值，取205 N/mm2。

稳定系数φ由构件的长细比λ通过查《扣件式钢管脚手架安全技术规范》附录C而得。

式中：λ—长细比；l0—立杆计算长度；i—回转半径1.50 cm；k—计算长度附加系数，其取值1.16；μ—考虑脚手架整体稳定因素的单杆计算长度系数，按《扣件式钢管脚手架安全技术规范》采用，取最不利组合时2.00；h—立杆步距0.60 m。

故：l0=1.155×2×0.60=1.39 m。

查《扣件式钢管脚手架安全技术规范》，内插得稳定系数φ=0.74。

故支架强度及稳定性满足要求。

4.2.3支架抗风验算

风荷载作用下立杆的弯矩按下式计算：

其中：la立杆纵距，l0为立杆计算长度，ωk为横向风荷载标准值。

式中：μZ—风压高度变化系数，根据《建筑结构荷载规范》内插得1.098，另乘以1.40的修正系数，得μZ=1.54；μS—脚手架风荷载体形系数，根据《建筑结构荷载规范》取1.30；ω—脚手架挡风系数，取0.09；W0—基本风压，根据《建筑结构荷载规范》，计算中取洛阳市50年一遇风压0.40 MPa。

考虑风荷载效应时，立杆稳定性按下式进行验算：

式中：N1—永久荷载组合下的单根立柱荷载效应值，67.06× 0.36=24.14 kN；

N2—可变荷载组合下的单根立柱荷载效应值，7×0.36= 2.52 kN。

代入数据，得：

综上可知支架抗风稳定性满足要求。

4.3模板强度与刚度验算

底模下部支点为规则排列的横向φ20 mm螺纹钢，故模板按照均布荷载作用下3跨单位宽度的连续单向板进行验算。

单位宽度模板力学性能及计算参数如下：

弹性模量E=2.06×105MPa。

荷载：q=（2.55+0.20）×2.40×9.80×0.30=19.40 KN/m。

支撑模板的φ20 mm螺纹钢的中心间距：l=0.50 m。

钢模板抗弯强度设计值：fm=205 MPa。

模板强度及刚度分别按以下两式进行验算：

故模板强度及刚度均满足要求。

4.4板下纵向钢管刚度验算

纵向钢管承受模板传递的均布荷载，按照3跨连续梁进行验算。

纵向钢管横断面为圆形外径48 mm，壁厚3.50 mm，其力学性能及计算参数如下：①弹性模量E=2.06×105MPa；②截面惯性矩：I=12.187 cm4；③荷载：q=19.4+（0.38+0.048）×0.5=19.61 kN/m；④纵向钢管中心间距（按最不利取）：l=0.50 m；⑤钢管抗弯强度设计值：f钢=205 MPa。

纵向钢管刚度按下式计算：