金安橋電站預留擴機工程引水隧洞圓洞段承重排架設計

陳臨泉，陶崇峽

(中國水利水電第三工程局有限公司，西安，710000)

金安橋電站預留擴機工程引水隧洞圓洞段承重排架設計

陳臨泉，陶崇峽

(中國水利水電第三工程局有限公司，西安，710000)

安橋水電站預留擴機進水口引水隧洞圓洞混凝土工程，由于圓洞段形狀統一，故在引0+020.000m～引0+080.000m范圍內，將頂拱混凝土分為每9m一段進行澆筑。模板支撐采取在洞軸線高程鋪設鋼桁架，其上搭設承重排架進行頂拱混凝土施工。本文針對引水隧洞圓洞段支撐模板承重腳手架排架及鋼桁架進行承載能力分析，驗算其強度、撓度和穩定性。

金安橋水電站 引水隧洞 鋼桁架 承重排架 設計計算

1 概述

金安橋水電站工程，位于云南省麗江市境內的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段規劃的第五級電站。水電站樞紐工程主要由碾壓混凝土擋水重力壩、右岸溢流表孔及消力池、右岸泄洪(沖砂)底孔、左岸沖砂底孔、壩后廠房及交通洞等導流隧洞、圍堰等臨時建筑物組成。壩高160m，電站裝機2400MW。其預留擴機工程布置在右岸，裝機3×200MW,由引水系統、發電廠房、主變、高壓電纜室、尾水調壓室、尾水隧洞及開關站等組成。引水系統采用一管三機引水方式，由岸邊式進水口、引水隧洞和岔管及支管組成。電站設計水頭111m，引水流量644m3/s，單機引用流量215m3/s，進水口布置在右壩肩下游河岸的6#沖溝與8#沖溝之間。引水口采用岸邊式，地板高程1370.0m。

在預留擴機進水口引水隧洞圓洞段混凝土工程中，在樁號引0+020.000m～引0+080.000m、高程1373.5m～1384.2m范圍內頂拱混凝土分為每9m一段進行澆筑。模板支撐采取在洞軸線高程鋪設鋼桁架，在鋼桁架上面搭設承重排架的方式施工。具體搭設方式見圖1、圖2。

由于引水隧洞圓洞段斷面形狀統一，因此在保證施工安全的前提下，為加快混凝土施工進度，在圓洞段側墻混凝土澆筑工程中預埋工字鋼支撐，在側墻混凝土澆筑完成后，鋪設鋼桁架搭設承重排架進行混凝土澆筑施工。

圖1 鋼桁架鋪設及承重排架搭設示意

圖2 A-A斷面

施工工藝具體為：每9m段鋼桁架與承重排架搭設完成后形成一個整體，再進行頂拱混凝土施工，一段施工完成后，拆除模板，把承重排架與鋼桁架整體拖至下一段進行施工。

2 引水隧洞圓洞段承重排架計算

為保證引水隧洞圓洞段混凝土施工中的安全，承重排架搭設采用φ48mm×3.0mm的鋼管搭設，橫向間距或排距la=0.6m，縱距lb=0.75m，步距h=1.0m，立桿上端伸出至模板支撐點長度為0.10m，腳手架搭設高度為H=5.50m?？奂B接方式采用單扣件，扣件抗滑承載力系數為0.80；板底支撐連接方式為鋼筋、鋼管雙向支撐，板底支撐間隔距離為375mm。模板與木板自重P3=0.35kN/m2，混凝土與鋼筋自重ρ=25kN/m3，樓板澆筑厚度D=1.2m；施工均布荷載標準值P2=1.0kN/m2，傾倒混凝土荷載標準值P1=2.0kN/m2。具體詳見圖3、圖4。

圖3 混凝土支撐架立面示意

圖4 混凝土支撐架荷載計算單元

2.1 橫向支撐鋼筋計算：

2.1.1 荷載計算

φ36mm橫向鋼筋按照均布荷載下連續梁計算，截面力學參數為：截面抵抗矩W=4.58cm3,截面慣性矩I=8.24cm4，[σ]=215N/mm2。靜載荷、動載荷受力簡圖詳見圖5。

圖5 靜載荷、動載荷受力簡圖

鋼筋混凝土板自重q11=ρlalbD=13.5kN/m；模板自重線荷載q12=P3lalb=0.1575kN/m；活荷載為施工荷載標準值與振倒混凝土時產生的荷載q21=(P1+P2)lalb=1.35kN/m。

2.1.2 強度計算

最大彎矩考慮為三跨連續梁均布荷載作用下的彎矩，為靜荷載與活荷載最不利分配的彎矩和。計算公式為：

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

靜荷載：q1=1.2(q1+q2)=16.389kN/m；

活荷載：q2=1.4q21=1.89kN/m；

最大支座力計算公式

N=1.1q1L+1.2q2L=12.18kN；

截面應力σ=M/W=0.67×106/4580.0=146N/mm2<[σ]，滿足要求。

2.2 縱向支撐鋼管計算

支撐鋼管按照集中荷載作用下的三跨連續梁計算。集中荷載P取縱向板底支撐傳遞力，取最大支反力N=12.17kN。得最大彎矩Mmax=1.066kN.m，最大變形Vmax=1.785mm，最大支座力Qmax=17.455kN。具體受力簡圖、剪力圖、彎矩圖以及受力變形圖詳見圖6、圖7、圖8、圖9。

圖6 鋼管計算受力簡圖

圖7 支撐鋼管計算剪力(kN)

圖8 支撐鋼管計算彎矩圖(kN.m)

圖9 支撐鋼管計算變形(kN.m)

截面應力σ=1.066×106/2×4490=118.67N/mm2<[σ],滿足要求。支撐鋼管最大撓度計算略。

2.3 模板支架荷載標準值(軸力)

作用于模板支架的荷載包括靜荷載、活荷載。

2.3.1 靜荷載標準值包括的內容。腳手架的自重計算參照《扣件式規范》附錄A雙排架自重標準值，可根據情況修改，取值0.149。NG1=0.149×5.50=0.819kN；模板自重NG2=0.35×0.60×0.75=0.157kN；鋼筋混凝土樓板自重NG3=25.0×1.20×0.60×0.75=13.5kN；經計算得到，靜荷載標準值NG=NG1+NG2+NG3=14.476kN。

2.3.2 活荷載為施工荷載標準值與振倒混凝土時產生的荷載。經計算得到，NQ=(1.0+2.0)×0.60×0.75=1.35kN

2.3.3 不考慮風荷載時,立桿的軸向壓力N=1.2NG+1.4NQ=19.26kN

2.6 立桿的穩定性計算

σ=N/ψ(φ)A≤[σ]

式中：N——立桿的軸心壓力設計值，N=19.26kN；ψ——軸心受壓立桿的穩定系數,由長細比L0/i查表得到；i——計算立桿的截面回轉半徑(cm)，i=1.59cm；A——立桿凈截面面積,A=4.24cm2；W——立桿凈截面模量(抵抗矩)，W=4.49cm3；σ——鋼管立桿抗壓強度計算值(N/mm2)； [σ]——鋼管立桿抗壓強度設計值，[σ]=205N/mm2；L0——計算長度(m)。如果完全參照《扣件式規范》，由公式(1)或(2)計算，k1、k2參照《扣件式鋼管模板高支撐架設計和使用安全》。

L0=k1Uh

(1)

L0=(h+2a)

(2)

其中：k1——計算長度附加系數，取值為1.155；u——計算長度系數，u=1.700；a——立桿上端伸出頂層橫桿中心線至模板支撐點的長度，a=0.100m。

公式(1)計算結果：

L0=k1·U·h=1.964m，L0/i=123

由長細比L0/i的結果查表，得到軸心受壓立桿的穩定系數ψ=0.434；鋼管立桿受壓強度計算值σ=26573.34/(0.434×424.0)=144.408N/mm2；σ<[σ],滿足要求。

公式(2)計算結果：

L0=(h+2a)=1.2m，L0/i=75.00

由長細比L0/i的結果查表，得到軸心受壓立桿的穩定系數ψ=0.75；鋼管立桿受壓強度計算值σ=26573.34/(0.75×424.0)=83.564N/mm2；σ<[σ]，滿足要求。

如果考慮到高支撐架的安全因素，可由公式(3)計算L0：

L0=k1k2(h+2a)

(3)

式中：k1——計算長度附加系數，按照表1取值1.243；k1——計算長度附加系數，h+2a=1.200，按照表2取值1.010。

公式(3)計算結果：

L0=k1k2(h+2a)=1.507m，

L0/i=1506.516/15.900=95.00

由長細比L0/i的結果查表，得到軸心受壓立桿的穩定系數ψ=0.626；鋼管立桿受壓強度計算值σ=26573.340/(0.626×424.000)=100.117N/mm2；σ<[σ]，滿足要求。

模板承重架盡量利用拉模筋與已澆筑混凝土進行連接，防止存在安全隱患。

3 鋼桁架承載能力分析計算

桁架長度12.74m，節點間距1.2m；模板支架搭設高度5.5m；模板與木板自重0.35kN/m2，混凝土與鋼筋自重25.00kN/m3，施工均布荷載標準值2.00kN/m2；混凝土計算厚度1.20m；桁架梁材料角鋼：∠75×5、∠63×5、∠50×5；12#工字鋼；10#槽鋼。

3.1 桁架計算

3.1.1 荷載計算

作用于模板支架的荷載包括靜荷載、活荷載。

(1)靜荷載標準值。腳手架自重NG1=0.149×5.50=0.819kN；模板自重NG2=0.350×0.90×0.70=0.220kN；鋼筋混凝土樓板自重NG3=25×1.2×0.9×0.7=18.900kN。經計算，靜荷載標準值NG=NG1+NG2+NG3=19.939kN；

(2)活荷載為施工荷載標準值與振倒混凝土時產生的荷載。經計算，活荷載標準值NQ=(1.0+2.0)×0.9×0.7=1.89kN；

(3)不考慮風荷載時,立桿的軸向壓力設計值計算公式N=1.2NG+1.4NQ=26.573kN；

(4)承載力設計安全系數α=1.35，桁架承載力設計值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 內力計算

3.2.1 受力分析

整個桁架的荷載設計值為291.34kN，上層共11個節點。桁架受力、桿件內力、彎矩詳見圖10、圖11、圖12。由于桁架受力軸力、彎矩均為對稱關系，因此僅示其半。

圖10 桁架計算簡圖(單位：kN)

圖11 桁架軸力圖(單位：kN)

圖12 桁架彎矩圖(單位：kN)

經桁架的位移圖解法求得鋼桁架位移(表1)。

表1 12.74m鋼桁架位移

3.3 桁架驗算

3.3.1 桁架平面內整體穩定驗算

因為承重排架不全在桁架的節點上，使上弦桿同時受彎，故上弦桿按壓彎構件驗算。上弦的最大彎矩按集中荷載作用下進行計算：

Mmax=7.5×106N.mm；

上弦桿采用：12#工字鋼A=1470mm2,受壓最大纖維的截面抵抗拒Wx=5.84×104mm3,ix=48.8mm。查得塑性發展系數,rx=1.05；

λx=L0/ix=1200/48.8=24.59<[λ]=150；

查得軸心受壓構件整體穩定系數γx=0.955。

NEx=π2EA/1.1λ2x=4493kN

只需按彎矩最大來驗算平面內穩定性。

N/γxA+βmxMx/rxWx(1-0.8N/NEx)=162.37<[σ]，桁架平面內整體穩定性滿足要求。

3.3.2 強度驗算

按最大彎矩作用驗算強度。N/A+Mmax/rx·Wx=182.42N/mm2<[σ]=215N/mm2；強度滿足要求。

3.3.3 下弦桿截面驗算

選取下弦桿軸力最大值N=59.4kN進行驗算，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]。截面無消弱時強度不必驗算，因此下弦桿截面滿足要求。

4 預埋工字鋼撓度計算

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

撓度ν=PL3/3EI=0.085mm<[ν]=L/250,滿足要求。

5 排架搭設安全、技術要求

為保證引水隧洞圓洞段混凝土澆筑的正常施工，確保施工安全，現對腳手架搭設做出如下技術要求：

(1)本措施搭建的腳手架限高5.5m；

(2)立桿垂直度偏差不得大于架高的1/200；

(3)立桿接頭除在頂層可采用搭接外，其余各接頭必須采用對接扣件。對接應符合以下要求：立桿上的對接扣件應交錯布置，兩相鄰立桿上的接頭不應設在同步、同跨內，兩相鄰立桿接頭在高度方向錯開的距離不應小于2m，各接頭中心距主節點的距離不應大于步距的1/3，同一步距內不允許有二個接頭；

(4)腳手架底部必須設置縱、橫向掃地桿?？v向掃地桿應用直角扣件，固定在距墊塊表面不小于200mm的立桿上。橫向掃地桿應用直角扣件，固定在緊靠縱向掃地桿下方的立桿上；

(5)大橫桿設于小橫桿之下，在立桿內側，采用直角扣件與立桿扣緊，大橫桿長度不宜小于3跨，且不小于6m；

(6)大橫桿采用對接扣件連接，對接應符合以下要求：對接接頭應交錯布置，不應設在同步、同跨內，相鄰接頭水平距離至少錯開一個立桿間距，并避免設在水平跨的跨中。如采用搭接方式要求保證搭接長度不小于1.0m,并用三個扣件等間距固定；

(7)同一排大橫桿水平偏差不得大于橫桿長度的1/300；

(8)小橫桿兩端應采用直角扣件固定在立桿上；

(9)每一主節點(即立桿、大橫桿交匯處)處必須設置一小橫桿，并采用直角扣件扣緊在大橫桿上。該桿軸線偏離主節點的距離不應大于150mm，外架立面外伸長度以100mm為宜。操作層上非主節點處的橫向水平桿，宜根據支承腳手板的需要等間距設置，最大間距不應大于立桿間距的1/2；

(10)搭設中每隔一層外架，要及時與結構牢固拉結，以保證搭設過程中的安全。要隨搭隨校正桿件的垂直度和水平偏差，適度擰緊扣件；

(11)腳手架外立面兩端均設置剪刀撐，由底至頂連續設置，中間根據剪刀撐的跨度等距分布；

(12)剪刀撐接頭宜采用對接方式連接，如采用搭接方式，要求保證搭接長度不小于1.0m；

(13)剪刀撐應用旋轉扣件固定在與之相交的小橫桿的伸出端或立桿上，旋轉扣件中心線距主節點的距離不應大于150mm；

(14)剪刀撐是在腳手架外側交叉成十字形的雙桿互相交叉，并與地面成45°～60°夾角，作用是把腳手架連成整體，增加腳手架的整體穩定；

(15)根據現場情況，腳手架上設置垂直通道，爬梯梯步間距不大于30cm，并設置高1.2m扶手。

〔1〕龍馭球，包世華著.結構力學(第二版)[M]，北京：高等教育出版社，1996.

〔2〕杜榮軍著.扣件式鋼管模板高支撐架設計和使用安全[M]，北京：中國機械工業出版社，2002.

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TV314

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2095-1809(2016)02-0008-05

陳臨泉(1974-)，男，甘肅臨夏人，主要從事水利水電項目管理及施工技術方面研究；

陶崇峽(1968-)，女，陜西山陽人，工程師，主要從事水利水電項目管理及施工技術方面研究。