金安桥电站预留扩机工程引水隧洞圆洞段承重排架设计

陈临泉，陶崇峡

(中国水利水电第三工程局有限公司，西安，710000)

金安桥电站预留扩机工程引水隧洞圆洞段承重排架设计

陈临泉，陶崇峡

(中国水利水电第三工程局有限公司，西安，710000)

安桥水电站预留扩机进水口引水隧洞圆洞混凝土工程，由于圆洞段形状统一，故在引0+020.000m～引0+080.000m范围内，将顶拱混凝土分为每9m一段进行浇筑。模板支撑采取在洞轴线高程铺设钢桁架，其上搭设承重排架进行顶拱混凝土施工。本文针对引水隧洞圆洞段支撑模板承重脚手架排架及钢桁架进行承载能力分析，验算其强度、挠度和稳定性。

金安桥水电站 引水隧洞 钢桁架 承重排架 设计计算

1 概述

金安桥水电站工程，位于云南省丽江市境内的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段规划的第五级电站。水电站枢纽工程主要由碾压混凝土挡水重力坝、右岸溢流表孔及消力池、右岸泄洪(冲砂)底孔、左岸冲砂底孔、坝后厂房及交通洞等导流隧洞、围堰等临时建筑物组成。坝高160m，电站装机2400MW。其预留扩机工程布置在右岸，装机3×200MW,由引水系统、发电厂房、主变、高压电缆室、尾水调压室、尾水隧洞及开关站等组成。引水系统采用一管三机引水方式，由岸边式进水口、引水隧洞和岔管及支管组成。电站设计水头111m，引水流量644m3/s，单机引用流量215m3/s，进水口布置在右坝肩下游河岸的6#冲沟与8#冲沟之间。引水口采用岸边式，地板高程1370.0m。

在预留扩机进水口引水隧洞圆洞段混凝土工程中，在桩号引0+020.000m～引0+080.000m、高程1373.5m～1384.2m范围内顶拱混凝土分为每9m一段进行浇筑。模板支撑采取在洞轴线高程铺设钢桁架，在钢桁架上面搭设承重排架的方式施工。具体搭设方式见图1、图2。

由于引水隧洞圆洞段断面形状统一，因此在保证施工安全的前提下，为加快混凝土施工进度，在圆洞段侧墙混凝土浇筑工程中预埋工字钢支撑，在侧墙混凝土浇筑完成后，铺设钢桁架搭设承重排架进行混凝土浇筑施工。

图1 钢桁架铺设及承重排架搭设示意

图2 A-A断面

施工工艺具体为：每9m段钢桁架与承重排架搭设完成后形成一个整体，再进行顶拱混凝土施工，一段施工完成后，拆除模板，把承重排架与钢桁架整体拖至下一段进行施工。

2 引水隧洞圆洞段承重排架计算

为保证引水隧洞圆洞段混凝土施工中的安全，承重排架搭设采用φ48mm×3.0mm的钢管搭设，横向间距或排距la=0.6m，纵距lb=0.75m，步距h=1.0m，立杆上端伸出至模板支撑点长度为0.10m，脚手架搭设高度为H=5.50m。扣件连接方式采用单扣件，扣件抗滑承载力系数为0.80；板底支撑连接方式为钢筋、钢管双向支撑，板底支撑间隔距离为375mm。模板与木板自重P3=0.35kN/m2，混凝土与钢筋自重ρ=25kN/m3，楼板浇筑厚度D=1.2m；施工均布荷载标准值P2=1.0kN/m2，倾倒混凝土荷载标准值P1=2.0kN/m2。具体详见图3、图4。

图3 混凝土支撑架立面示意

图4 混凝土支撑架荷载计算单元

2.1 横向支撑钢筋计算：

2.1.1 荷载计算

φ36mm横向钢筋按照均布荷载下连续梁计算，截面力学参数为：截面抵抗矩W=4.58cm3,截面惯性矩I=8.24cm4，[σ]=215N/mm2。静载荷、动载荷受力简图详见图5。

图5 静载荷、动载荷受力简图

钢筋混凝土板自重q11=ρlalbD=13.5kN/m；模板自重线荷载q12=P3lalb=0.1575kN/m；活荷载为施工荷载标准值与振倒混凝土时产生的荷载q21=(P1+P2)lalb=1.35kN/m。

2.1.2 强度计算

最大弯矩考虑为三跨连续梁均布荷载作用下的弯矩，为静荷载与活荷载最不利分配的弯矩和。计算公式为：

Mmax=-0.10q1L2-0.117q2L2=0.67kN.m

静荷载：q1=1.2(q1+q2)=16.389kN/m；

活荷载：q2=1.4q21=1.89kN/m；

最大支座力计算公式

N=1.1q1L+1.2q2L=12.18kN；

截面应力σ=M/W=0.67×106/4580.0=146N/mm2<[σ]，满足要求。

2.2 纵向支撑钢管计算

支撑钢管按照集中荷载作用下的三跨连续梁计算。集中荷载P取纵向板底支撑传递力，取最大支反力N=12.17kN。得最大弯矩Mmax=1.066kN.m，最大变形Vmax=1.785mm，最大支座力Qmax=17.455kN。具体受力简图、剪力图、弯矩图以及受力变形图详见图6、图7、图8、图9。

图6 钢管计算受力简图

图7 支撑钢管计算剪力(kN)

图8 支撑钢管计算弯矩图(kN.m)

图9 支撑钢管计算变形(kN.m)

截面应力σ=1.066×106/2×4490=118.67N/mm2<[σ],满足要求。支撑钢管最大挠度计算略。

2.3 模板支架荷载标准值(轴力)

作用于模板支架的荷载包括静荷载、活荷载。

2.3.1 静荷载标准值包括的内容。脚手架的自重计算参照《扣件式规范》附录A双排架自重标准值，可根据情况修改，取值0.149。NG1=0.149×5.50=0.819kN；模板自重NG2=0.35×0.60×0.75=0.157kN；钢筋混凝土楼板自重NG3=25.0×1.20×0.60×0.75=13.5kN；经计算得到，静荷载标准值NG=NG1+NG2+NG3=14.476kN。

2.3.2 活荷载为施工荷载标准值与振倒混凝土时产生的荷载。经计算得到，NQ=(1.0+2.0)×0.60×0.75=1.35kN

2.3.3 不考虑风荷载时,立杆的轴向压力N=1.2NG+1.4NQ=19.26kN

2.6 立杆的稳定性计算

σ=N/ψ(φ)A≤[σ]

式中：N——立杆的轴心压力设计值，N=19.26kN；ψ——轴心受压立杆的稳定系数,由长细比L0/i查表得到；i——计算立杆的截面回转半径(cm)，i=1.59cm；A——立杆净截面面积,A=4.24cm2；W——立杆净截面模量(抵抗矩)，W=4.49cm3；σ——钢管立杆抗压强度计算值(N/mm2)； [σ]——钢管立杆抗压强度设计值，[σ]=205N/mm2；L0——计算长度(m)。如果完全参照《扣件式规范》，由公式(1)或(2)计算，k1、k2参照《扣件式钢管模板高支撑架设计和使用安全》。

L0=k1Uh

(1)

L0=(h+2a)

(2)

其中：k1——计算长度附加系数，取值为1.155；u——计算长度系数，u=1.700；a——立杆上端伸出顶层横杆中心线至模板支撑点的长度，a=0.100m。

公式(1)计算结果：

L0=k1·U·h=1.964m，L0/i=123

由长细比L0/i的结果查表，得到轴心受压立杆的稳定系数ψ=0.434；钢管立杆受压强度计算值σ=26573.34/(0.434×424.0)=144.408N/mm2；σ<[σ],满足要求。

公式(2)计算结果：

L0=(h+2a)=1.2m，L0/i=75.00

由长细比L0/i的结果查表，得到轴心受压立杆的稳定系数ψ=0.75；钢管立杆受压强度计算值σ=26573.34/(0.75×424.0)=83.564N/mm2；σ<[σ]，满足要求。

如果考虑到高支撑架的安全因素，可由公式(3)计算L0：

L0=k1k2(h+2a)

(3)

式中：k1——计算长度附加系数，按照表1取值1.243；k1——计算长度附加系数，h+2a=1.200，按照表2取值1.010。

公式(3)计算结果：

L0=k1k2(h+2a)=1.507m，

L0/i=1506.516/15.900=95.00

由长细比L0/i的结果查表，得到轴心受压立杆的稳定系数ψ=0.626；钢管立杆受压强度计算值σ=26573.340/(0.626×424.000)=100.117N/mm2；σ<[σ]，满足要求。

模板承重架尽量利用拉模筋与已浇筑混凝土进行连接，防止存在安全隐患。

3 钢桁架承载能力分析计算

桁架长度12.74m，节点间距1.2m；模板支架搭设高度5.5m；模板与木板自重0.35kN/m2，混凝土与钢筋自重25.00kN/m3，施工均布荷载标准值2.00kN/m2；混凝土计算厚度1.20m；桁架梁材料角钢：∠75×5、∠63×5、∠50×5；12#工字钢；10#槽钢。

3.1 桁架计算

3.1.1 荷载计算

作用于模板支架的荷载包括静荷载、活荷载。

(1)静荷载标准值。脚手架自重NG1=0.149×5.50=0.819kN；模板自重NG2=0.350×0.90×0.70=0.220kN；钢筋混凝土楼板自重NG3=25×1.2×0.9×0.7=18.900kN。经计算，静荷载标准值NG=NG1+NG2+NG3=19.939kN；

(2)活荷载为施工荷载标准值与振倒混凝土时产生的荷载。经计算，活荷载标准值NQ=(1.0+2.0)×0.9×0.7=1.89kN；

(3)不考虑风荷载时,立杆的轴向压力设计值计算公式N=1.2NG+1.4NQ=26.573kN；

(4)承载力设计安全系数α=1.35，桁架承载力设计值Q=(2.6+5.3+7.9+10.6+13.2+15.9+18.5+21.2+23.9+26.57)×2=291.34kN。 3.2 内力计算

3.2.1 受力分析

整个桁架的荷载设计值为291.34kN，上层共11个节点。桁架受力、杆件内力、弯矩详见图10、图11、图12。由于桁架受力轴力、弯矩均为对称关系，因此仅示其半。

图10 桁架计算简图(单位：kN)

图11 桁架轴力图(单位：kN)

图12 桁架弯矩图(单位：kN)

经桁架的位移图解法求得钢桁架位移(表1)。

表1 12.74m钢桁架位移

3.3 桁架验算

3.3.1 桁架平面内整体稳定验算

因为承重排架不全在桁架的节点上，使上弦杆同时受弯，故上弦杆按压弯构件验算。上弦的最大弯矩按集中荷载作用下进行计算：

Mmax=7.5×106N.mm；

上弦杆采用：12#工字钢A=1470mm2,受压最大纤维的截面抵抗拒Wx=5.84×104mm3,ix=48.8mm。查得塑性发展系数,rx=1.05；

λx=L0/ix=1200/48.8=24.59<[λ]=150；

查得轴心受压构件整体稳定系数γx=0.955。

NEx=π2EA/1.1λ2x=4493kN

只需按弯矩最大来验算平面内稳定性。

N/γxA+βmxMx/rxWx(1-0.8N/NEx)=162.37<[σ]，桁架平面内整体稳定性满足要求。

3.3.2 强度验算

按最大弯矩作用验算强度。N/A+Mmax/rx·Wx=182.42N/mm2<[σ]=215N/mm2；强度满足要求。

3.3.3 下弦杆截面验算

选取下弦杆轴力最大值N=59.4kN进行验算，λx=L0/ix=1200/39.5=30.37<[λ]=150。由λx=30.37，查得γx=0.935。N/(γxA)=59400/(0.935×1270)=50N/mm2<[σ]。截面无消弱时强度不必验算，因此下弦杆截面满足要求。

4 预埋工字钢挠度计算

12#工字钢,E=2.06×105，Ix=350cm4；荷载P=17.8kN，L=0.218m。

挠度ν=PL3/3EI=0.085mm<[ν]=L/250,满足要求。

5 排架搭设安全、技术要求

为保证引水隧洞圆洞段混凝土浇筑的正常施工，确保施工安全，现对脚手架搭设做出如下技术要求：

(1)本措施搭建的脚手架限高5.5m；

(2)立杆垂直度偏差不得大于架高的1/200；

(3)立杆接头除在顶层可采用搭接外，其余各接头必须采用对接扣件。对接应符合以下要求：立杆上的对接扣件应交错布置，两相邻立杆上的接头不应设在同步、同跨内，两相邻立杆接头在高度方向错开的距离不应小于2m，各接头中心距主节点的距离不应大于步距的1/3，同一步距内不允许有二个接头；

(4)脚手架底部必须设置纵、横向扫地杆。纵向扫地杆应用直角扣件，固定在距垫块表面不小于200mm的立杆上。横向扫地杆应用直角扣件，固定在紧靠纵向扫地杆下方的立杆上；

(5)大横杆设于小横杆之下，在立杆内侧，采用直角扣件与立杆扣紧，大横杆长度不宜小于3跨，且不小于6m；

(6)大横杆采用对接扣件连接，对接应符合以下要求：对接接头应交错布置，不应设在同步、同跨内，相邻接头水平距离至少错开一个立杆间距，并避免设在水平跨的跨中。如采用搭接方式要求保证搭接长度不小于1.0m,并用三个扣件等间距固定；

(7)同一排大横杆水平偏差不得大于横杆长度的1/300；

(8)小横杆两端应采用直角扣件固定在立杆上；

(9)每一主节点(即立杆、大横杆交汇处)处必须设置一小横杆，并采用直角扣件扣紧在大横杆上。该杆轴线偏离主节点的距离不应大于150mm，外架立面外伸长度以100mm为宜。操作层上非主节点处的横向水平杆，宜根据支承脚手板的需要等间距设置，最大间距不应大于立杆间距的1/2；

(10)搭设中每隔一层外架，要及时与结构牢固拉结，以保证搭设过程中的安全。要随搭随校正杆件的垂直度和水平偏差，适度拧紧扣件；

(11)脚手架外立面两端均设置剪刀撑，由底至顶连续设置，中间根据剪刀撑的跨度等距分布；

(12)剪刀撑接头宜采用对接方式连接，如采用搭接方式，要求保证搭接长度不小于1.0m；

(13)剪刀撑应用旋转扣件固定在与之相交的小横杆的伸出端或立杆上，旋转扣件中心线距主节点的距离不应大于150mm；

(14)剪刀撑是在脚手架外侧交叉成十字形的双杆互相交叉，并与地面成45°～60°夹角，作用是把脚手架连成整体，增加脚手架的整体稳定；

(15)根据现场情况，脚手架上设置垂直通道，爬梯梯步间距不大于30cm，并设置高1.2m扶手。

〔1〕龙驭球，包世华著.结构力学(第二版)[M]，北京：高等教育出版社，1996.

〔2〕杜荣军著.扣件式钢管模板高支撑架设计和使用安全[M]，北京：中国机械工业出版社，2002.

■

TV314

B

2095-1809(2016)02-0008-05

陈临泉(1974-)，男，甘肃临夏人，主要从事水利水电项目管理及施工技术方面研究；

陶崇峡(1968-)，女，陕西山阳人，工程师，主要从事水利水电项目管理及施工技术方面研究。