倒锥壳水塔装配式环形可调节托架设计及应用

吴越升WU Yue-sheng；玉镇熇YU Zhen-he；阮仕锋RUAN Shi-feng

（广西路建工程集团有限公司，南宁 530012）

0 引言

倒锥壳水塔施工由于其高空作业特性，一直以来都存在较大的安全隐患，常规支架现浇工艺已经无法满足当下的安全要求，研究出更安全的倒锥壳水塔箱体施工方法迫在眉睫。本文通过分析支模体系，配合“高空作业平地化”理念，设计与之适配的装置，改善临时支撑结构受力情况，提高整体安全稳定性，并且将阐述设计应用于实际工程情况。

1 工程概况

贺州至巴马高速公路（来宾至都安段）项目№1 标一分部承建一座收费站水塔，该水塔建筑高度为33.755m，支筒外径为2.4m，壁厚180mm，沿筒身竖直方向设有采光圆形窗口10 个，支筒、环板分别采用C35 和C30 混凝土，塔顶水箱下壳壁厚120mm、上壳壁厚80mm，采用S8 抗渗等级的C30 混凝土。

2 装配式环形可调节托架设计

2.1 总体设计

通过对目前已有的常规支架做法进行改进，支架不再直接支撑水塔箱体，而是作为“施工平台”使用，平台满铺木板并设置护栏，实现“高空作业平地化”，将环梁以上的水塔支撑部分采用环形托架形式，托架直接放置于支架平台上，与平台无固定连接，仅有竖向荷载传递无水平荷载传递至支架，对比原来立杆直接支撑水箱底面受到水平力作用，大幅提高立杆安全稳定性，如图1 所示。当用于地面预制提升法时，亦可在硬化平整后的地面上使用托架来完成水箱的地面预制工序。

图1 支架平台+装配式环形可调节托架设计示意图

考虑到托架的运输、储存、适用性及循环使用，托架采用桁架片+横向连接的装配式设计，对整体结构拆分为8个组成部分，分别为下弦杆、腹杆、上弦杆、护栏、下弦横连、腹杆横连、护栏横连、环形钢管。如图2 所示。其中下弦杆、腹杆、上弦杆、护栏、下弦横连、环形钢管需要在钢结构加工厂进行加工制造，腹杆横连、护栏横连采用扣件式钢管，钢管可在施工现场进行裁剪。

图2 装配式环形可调节托架细部详图

2.2 上、下弦杆设计

下弦杆作为托架底部受力基础，主要作用为固定腹杆底部节点位置以及将节点处集中荷载转换为线荷载向下传递，下弦杆长度取决于所用水塔箱体半径，水塔箱体半径一般介于3m～6.5m 之间，根据目前常用水塔型号，下弦杆设计为150m330°水箱标准节段长度，可适用于常见的50m3～150m3水箱，对于较为少见的200m3水箱则需要采用夹板焊接方式对下弦杆进行接长。

上弦杆主要作用为承受水箱钢筋混凝土荷载，要求上弦杆具有一定的刚度。上弦杆长度与水箱下锥壳长度相适应，初始尺寸按照150m330°水箱确定为5.2m，可适用于50m3～150m3水箱，200m3水箱则需要采用夹板焊接方式对上弦杆进行接长。

2.3 腹杆设计

腹杆作为上弦的竖向支撑和角度调节器，为托架的核心构件，腹杆需要具备无级调节功能和足够的调节范围，腹杆设计为钢管+螺杆形式，钢管作为不可调节部分，在钢管两端焊接螺母，螺杆作为可调节部分，螺杆拧入钢管两端螺母内，通过旋转钢管或者螺母可调节螺杆伸出长度。钢管长度按照30°水箱设计，螺杆长度按照45°水箱设计。由于腹杆需具备可伸缩性，其余杆件与腹杆均采用销接连接。每片桁架片从左至右依次设计有6 根腹杆，如图3 所示。

图3 单个桁架片腹杆编号分配图

2.4 护栏设计

护栏采用L 字形设计，包括底部作为人行平台的平台杆以及竖直的立杆，平台杆与立杆采用焊接固定，为保证平台杆的水平以及立杆垂直度，平台杆一端与上弦杆端头连接，另一端与腹杆连接，两端接头均采用插销连接，通过调整腹杆长度，即可调整平台杆水平。平台杆采用具有足够刚度的槽钢，考虑立杆后期需采用扣件式钢管连成整体，立杆亦选用同型号扣件式钢管。

2.5 下弦横连设计

为保证托架“基础”牢固，下弦杆需要采用型钢连接成整体，保证下弦杆水平稳固。横连有横杆以及斜杆两种杆件类型，横连与下弦杆组合而成水平桁架结构，横连与下弦杆采用螺栓固定，如图4 所示。

图4 下弦横连平面设计图

2.6 腹杆横连设计

腹杆横连采用扣件式钢管，连接相邻腹杆，控制由上、下弦及腹杆组成的三角桁架片处于竖直状态。腹杆横连有横杆以及斜杆两种杆件类型，横杆采用十字扣件与腹杆连接，斜杆采用旋转扣件与腹杆连接。

2.7 护栏横连设计

护栏横连采用扣件式钢管，共设置两层，护栏中部及顶部各一层，护栏横连采用十字扣件与护栏相连。

2.8 环形钢管设计

为保证水箱弧面平顺，采用与弧面相适配的环形钢管作为水箱模板体系的主梁，钢管采用常规扣件式钢管，利用弯曲机将其制作成圆形，考虑到运输以及安装便捷性，将环形钢管分割平均成4 段，接口处设计为内套筒连接。环形钢管与上弦杆采用铁丝绑扎并加设点焊三角钢板相连接。

2.9 结构验算

考虑功能性以及安全性，对杆件所用型钢类型进行选取，并采用有限元软件Midas Civil 对其整体建立数值模型，分析整体强度以及刚度是否满足规范要求，结果如表1 所示。

表1 托架杆件设计表

2.9.1荷载设计（见表2）

表2 荷载设计表

2.9.2模板体系计算

模板最大跨径为40cm，结果如表3 所示。

表3 模板参数表

按三等跨连续梁，取1m 单位宽度计算。

承载能力极限状态：

正常使用极限状态：

①强度验算。

满足要求！

②抗剪验算。

满足要求！

③挠度验算。

满足要求！

2.9.3小梁验算

小梁按照三等跨连续梁计算，每跨跨径0.65m，结果如表4 所示。

表4 小梁参数表

承载能力极限状态：

正常使用极限状态：

①强度验算。

满足要求！

②抗剪验算。

满足要求！

③挠度验算。

满足要求！

2.9.4Midas 软件计算

运用MIDAS 根据建立的整体支架模型输入相应荷载工况并进行分析验算。（见图5）

图5 装配式环形可调节托架最大组合应力云图

模板传递至环形钢管的荷载为：承载能力极限状态q1=7.234×0.65=4.702kN/m；正常使用极限状态q2=5.612×0.65=3.648kN/m。

承载能力极限状态下，整体结构最大组合应力98.13MPa＜190MPa，验算合格。

其中各杆件应力结果如表5 所示。

由以上可得出，受力较大为上弦杆以及环形钢管，两者均作为主梁承受上部荷载。

3 装配式环形可调托架的应用

支架平台完成后，开始装配式环形可调托架的安装。

3.1 安装下弦杆及下弦横连

将所有下弦杆及下弦横连按照设计要求设计至平台，人工将所有杆件调整摆正安装螺栓并拧紧，整体连接完成后需要对中心水平位置进行调整，确保结构中心对齐水塔中心，利用卷尺测量托架与水塔环板之间的间隙，人工利用撬棍插入缝隙调整缝隙宽度，调整后使用木楔塞入缝隙，所有缝隙宽度应相等，误差不得大于±2mm。

3.2 安装上弦杆及腹杆

先安装所有上弦杆以及5 号腹杆，通过旋转腹杆的钢管调节5 号腹杆的螺杆伸出长度，使上弦杆呈设计角度，之后再陆续安装1～4 号腹杆。

3.3 安装腹杆横连

利用水平尺调整桁架片的竖直度，随后安装3 号腹杆的横连，采用十字扣件将钢管与3 号腹杆相连，安装过程中应实测每一片桁架片的竖直度。所有3 号腹杆横连完成后再安装5 号腹杆横连，5 号腹杆横连包括2 道水平杆和1 道斜杆。

3.4 安装环形钢管

将所有桁架片相互连接固定完成后，托架主体结构已基本成型，开始安装水箱模板体系的主梁环形钢管。先将环形钢管放置于上弦杆上，测量环形钢管水平度并进行调整，调至水平后紧贴环形钢管在上弦杆上点焊小钢板用于固定环形钢管防止滑移，如图6 所示。

图6 下弦横连平面示意图

3.5 安装模板

模板采用1.5cm 厚竹胶板，竹胶板底下为间距40cm的40mm×60mm 方木，将铁钉打穿竹胶板插入方木内，将方木与竹胶板连成一体，模板接缝处需设置方木，避免模板悬挑以及控制模板间缝隙，模板缝隙内填充玻璃胶，避免水箱弧面漏浆，影响外观质量。

3.6 安装护栏及护栏横连

护栏与上弦杆顶端进行销接，再与6 号腹杆销接，调节6 号腹杆长度，使用平台杆水平，最后装上2 层护栏横连。在平台杆上铺设竹片脚手板，在立杆上挂设安全网。

4 结语

随着我国的发展，人民的工作条件逐步改善，人民的生命财产安全保护不可侵犯。水塔施工为高危工作，水塔箱体装配式可调节托架的研究，可提高施工的安全性。创新水塔施工新工艺，保障作业安全性，实现高空作业平地化，可为水塔施工安全标准化施工提供经验借鉴。