栗子塘水電站大壩公路橋鋼構件承重架優化設計與施工

劉正科

（湖南省水利水電工程總公司 長沙市 410007）

1 工程概況

栗子塘水電站位于湖南省新寧縣回龍寺鎮境內，資水一級支流——夫夷水下游，距新寧縣城59km，距回龍鎮8km。工程以發電為主，兼有通航、養殖等綜合效益。壩址控制流域面積3541km2，占夫夷水總流域面積4554 km2的77.76%，多年平均流量102m3/s。電站裝機容量為3.2kW×3臺。

大壩為混凝土閘壩，共分為9孔，每孔凈寬15m，為底流消能方式；壩頂公路橋上部構造采用16.6m現澆混凝土整體T型簡支梁設計，公路橋底梁至溢流面最大高度為11.9m；因公路橋施工時為主汛期，大壩圍堰設計為10年一遇過水圍堰，有可能洪水漫過上、下游圍堰而淹沒整個基坑；設計方要求橋梁施工時下部支承架必須采取架空形式以便汛期洪水過流，故不能采用普通鋼管滿堂腳手架支撐；因T型梁4根為整體設計，自重（145t）大，也無法采取吊裝方案。

2 鋼構件承重架設計與計算

設計思路：采用鋼桁架連續梁和鋼管立柱支撐設計方案。鋼管立柱共12根，縱向3排，均間距為3.75m；立柱上采用鋼桁架縱梁連接，鋼桁架縱梁上按設計的4道混凝土T型梁布置4排鋼桁架橫梁，橫梁采用二跨等跨連續梁連接形式；所有鋼構件均采用螺栓連接穩固又便于裝拆；橫梁上面再鋪方木、模板形成一個統一整體。所有鋼構件利用現有施工塔吊裝拆到位（附圖）。

2.1 設計荷載計算：單孔公路橋設計荷載計算

（1）每孔靜荷載計算：每孔公路橋混凝土重量為:55 m3×25kN/m3=1443.75kN。

（2）每孔設計靜荷載：G=1.2×1443.75=1732.5kN（靜載系數1.2），折算成均布荷載q1=28.88n/mm。

（3）設計動荷載：

●施工人員行走和施工料具運輸或堆放的荷載：根據DL/T5110-2000規范取值為2.5kN/m2。

●傾倒混凝土產生的沖擊荷載：根據DL/T5110-2000規范取值為2.0kN/m2。

●振搗混凝土時產生的荷載：根據DL/T5110-2000規范取值為2.0kN/m2。

以上相加，則設計動荷載為：1.4×6.5=9.1kN/m2（動載系數1.4）換算為均布荷載q2=0.61n/mm。

（4）總均布荷載為q=29.49n/mm。

2.2 等跨連續梁計算

鋼管立柱跨距I為3.75m；根據計算出來的動、靜荷載及橋面有關幾何數據計算得出二跨等跨連接梁線性均布荷載值為q=29.49n/mm。

設定承載等跨連續梁為材質為Q235b的槽鋼，其彈性模量為E=2.6×105n/mm2，混凝土的彈性模量為E=2.1× 104n/mm2，槽鋼強度設計值為[σ]=215n/mm2。

附圖 壩頂公路橋現澆承重結構圖

經計算：四跨等跨連續梁最大彎矩:M=Kmql2=0.077× 29.49n/mm×37502=3193.21kn/cm（Km為彎矩系數）。

四跨等跨連續梁最大剪力:V=Kvql=0.446×25.79×3750= 49.32kN（Kv為剪力系數）。

由等跨連續梁最大彎矩M=3193.21Kn/cm計算得出最小截面抵抗矩Wmin：

Wmin=M/[σ]=31932140.63n.mm/215n/mm2=148.52cm3

考慮到結構需要，選2根支尖靠支尖的槽鋼組合而成連續梁;查槽鋼組合截面表得：

2 [16a：截面慣性矩I=1732cm4，截面抵抗矩W=216cm3；

2 [18a：截面慣性矩I=2540cm4，截面抵抗矩W=282cm3；

2 [20a：截面慣性矩I=3560cm4，截面抵抗矩W=356cm3。

考慮其穩定性要求:l1=375cm查表并經插入法得出每根[20a所承受的彎矩值為2315Kn/cm，則2根[20a所承受的彎矩值為2315×2=4630Kn/cm＞四跨等跨連續梁實際最大彎矩2792.57kn/cm，故用2根支尖靠支尖的槽鋼組合而成連續梁抗彎強度滿足要求。另外其抗剪能力亦可滿足要求。

該二跨等跨連續梁的繞度經計算為:

W=Kwql4/（100EI）=0.967×29.49×37504/（100×2.6×105× 35600000）=0.61mm。

由此可知:選用2根支尖靠支尖的槽鋼組合而成連續梁（2[20a）合適。

2.3 鋼管立柱支撐計算

根據鋼管立柱受力狀態，可簡化為下端固定，上端簡支的受力模型，其長度系數取μ=0.7則計算長度為l0=μl= 0.7×1100=770cm，又經計算各根立柱均載為N=147.45kN。

根據規范要求：長細比[λ]＜150。

選定鋼管為:Φ180×8 i=0.35（d+D）/2=0.35×（16.4+18）/2=6.02

λ=l0/I=770/6.02=128＜[λ]=150因此所選Φ180×8鋼管適用。計算：截面慣性矩I=π/64×（D4-d4）=π/64×（184-16.44）=1602cm4

截面抵抗矩 W=π/32×（D4-d4）/D4=π/32×（184-16.44）/ 184=178cm3

由λ=128查得穩定系數Φ=0.445，計算鋼管立柱截面積A=π/4×（D2-d2）=43cm2

σ=N/（Φ.A）=147450/（0.445×4300）=77.06Mp＜[σ]= 166.7Mp

可知鋼管立柱穩定性符合要求。

3 鋼構件制作與施工

鋼構件承重架按兩孔加工。結合工地現場條件，加工場地布置在大壩下游，并在塔吊QTZ5417的工作半徑范圍內。由塔吊直接吊運到現場組裝。金屬結構型材必須采用符合國家標準的正規廠家生產的產品，且“三證”齊全，并由有經驗的電焊工進行焊接，焊縫質量必須滿足設計和國家規范要求。

公路橋承重結構安裝順序：立柱全部就位→搭設操作平臺▽251.2→縱梁連接→橫梁連接→連系桿焊接→加固件焊接；

鋼構件安裝完畢后，在承重結構跨中立柱的上下游側各加一斜撐（材料同立柱），斜撐角度為45°～60°；另外兩排立柱則利用閘墩上的絲桿在整個立柱高度平均設三層連墻件（焊結），與閘墩邊夾角不大于45°；連墻件長度超過3m時在中部設加強桿。

4 施工控制要點

（1）模板在安裝時按混凝土結構物的施工圖進行測量放樣，并設置足夠的臨時固定設施，以防變形和傾覆；梁的模板應起拱3%，起拱高度為45mm。模板拆除時，混凝土強度應符合施工規范的規定。

（2）鋼筋制安：在加工廠加工完成后由塔吊吊運入倉面進行綁扎。直徑小于或等于25mm的鋼筋采用焊接時，直接搭接焊接單面焊縫長度為10倍的鋼筋直徑，雙面為5倍的鋼筋直徑。

（3）混凝土澆筑：嚴格按承重結構設計要求，按先澆中間兩根梁，再澆上、下游兩根梁的順序進行混凝土澆筑；混凝土澆筑施工采用平鋪法施工，鋪料從倉面的一端向另一端分層鋪料，鋪料厚度控制在（30～40）cm之間，混凝土入倉垂直落距小于2.0m。具體根據混凝土入倉工、鋪料允許間隔時間和振搗器性能及氣溫等因素確定。混凝土平倉采取人工與振搗器相結合的方式，靠近模板、鋼筋密集、預埋件的地方采用人工打鏟平倉，其它部位采取振搗器直接平倉。在搗固各層混凝土時，混凝土工必須加強平倉振搗，振搗器保持直立位置操作，振搗時間應以混凝土不再顯著下沉，不出現氣泡，開始泛漿為準。振搗器插移動距離不超過其有效半徑的1.5倍，并插入下層混凝土50mm，順序依次，方向一致，以保證上、下層的結合，避免漏振。

（4）高溫期混凝土澆筑溫控措施：混凝土運輸工具用潮濕的麻帶片遮陽，縮短混凝土暴曬時間；在倉面設足夠噴霧器（用高壓水做水源），降低倉面的氣溫，并將混凝土澆筑盡量安排在下午4點以后施工，避開高溫時段；倉面準備潮濕的麻帶片以在高溫時間來遮蓋新入倉的混凝土，減少日光直曬混凝土時間；養護期間混凝土表面須覆蓋麻帶片，并加強養護使之保持潮濕。提前做好防雨水準備，預備好彩條布，當混凝土澆筑過程下大雨致使暫時停澆時，必須采取措施將已入倉的熟料做好平倉振搗處理完成，并將已澆的混凝土外露面用彩條布覆蓋，防止雨水沖走水泥漿。

（5）安全措施：塔吊在使用前，須由操作人員進行系統檢查，承重結構吊裝及拆除時，必須由專人指揮，并統一指揮信號；混凝土澆筑過程中，測量人員必須架設全站儀、水準儀加強觀測承重結構、模板等的變形移位情況，并作詳細記錄，出現異常情況，須立即向現場負責人報告，現場負責人必須視情況嚴重程度立即采取不同加固處理措施，甚至停止澆筑；作業區域內的臨空面一側均要求搭設有效的安全防護欄；為便于掌握承重結構拆除是否具備條件，每跨梁混凝土在澆筑時需取三組試塊，其中兩組置于現場按同條件養護，另一組則采取標準條件養護。

5 結論性意見

（1）該設計方案經湖南省水利水電總公司專家組評審通過，并得到邵陽電業局業主和邵陽市水利水電設計院的認可實施。

（2）該設計方案只需在現場制作2孔鋼構件支撐架，然后利用塔吊吊運安裝或拆除，其余7孔則將此2孔鋼構件支撐架用于周轉,既實用方便又節約了工程造價。

（3）該設計方案既能有效避免汛期洪水影響的風險，又有利于加快施工進度，并確保了工程施工質量。每一孔公路橋施工：鋼構件安裝3天，裝模4天，鋼筋綁扎3天，混凝土澆筑1天，共11天施工完畢；高溫期間一般11天后通過試驗檢測混凝土強度就達到100%可以拆模了；在混凝土澆筑過程中，測量人員通過全站儀、水準儀觀測承重結構、模板等的變形移位情況從未出現過任何異常情況，所有沉陷值均在1cm以內，完全符合其穩定性要求，現公路橋一、二期在汛期已順利施工完畢，且經受了兩年汛期特大洪水的考驗，基坑全部被淹，鋼構件沒出現任何變形，且上部可以繼續施工，施工工程進度均未受到影響，且確保了工程質量和施工安全。