淺談水閘牛腿的懸臂施工方法計(jì)算及分析

周援越，曾 艷，張少娟，趙 兵

（湖北省漢江河道管理局，湖北 潛江 433100）

0 前言

本文將討論的工程系某水庫(kù)排淤泄洪閘上的牛腿施工。根據(jù)該工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，中孔的弧形門閘墩設(shè)計(jì)成為不同坡比的懸挑構(gòu)件，牛腿的外挑長(zhǎng)度較大，施工艱難且危險(xiǎn)，施工的質(zhì)量要求十分高。經(jīng)設(shè)計(jì)和施工方討論，為了加快工程施工的進(jìn)度并且保證施工的安全和質(zhì)量，對(duì)該水庫(kù)閘墩的牛腿懸挑部分采用懸臂模板施工技術(shù)。目前工程上應(yīng)用的懸臂模板有平面懸臂和曲面懸臂模板兩種類型——平面懸臂模板一般主要用于大壩壩面和牛腿部位，曲面懸臂模板主要用于水閘的表孔、中孔、底孔進(jìn)口弧形段。懸臂模板的結(jié)構(gòu)主要包括面板、支撐系統(tǒng)、工作平臺(tái)等，各結(jié)構(gòu)均采用鋼結(jié)構(gòu)制作。

1 關(guān)于懸臂施工工藝

工程上所謂的懸臂澆筑法又被稱為無(wú)支架平衡伸臂法、吊籃法或者掛籃法。施工時(shí)占用的空間較小。有利于節(jié)省施工費(fèi)用，降低工程造價(jià)，有利于施工作業(yè)。該工程修改后的方案在施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采用的是預(yù)埋工字鋼。該工程的的牛腿的外挑部分使用的模板將采用懸臂模板整體骨架，考慮其施工的特點(diǎn)，對(duì)懸臂模板進(jìn)行了改造和組裝。通常施工中使用的模板面板采用組合鋼面板，同時(shí)加強(qiáng)格柵使用型鋼做背楞，經(jīng)久耐用，且能防止混凝土側(cè)壓力、外界壓力碰撞，以及在鋼筋施工時(shí)的模板面板的變形。其混凝土面邊線的傾角通過(guò)調(diào)節(jié)可變支撐桿的長(zhǎng)度來(lái)控制，面板的水平和鉛直調(diào)整分別通過(guò)設(shè)置在下部剛體三角形的橫梁和豎梁的水平和鉛直調(diào)節(jié)裝置來(lái)完成。

懸臂模板采用預(yù)埋爬升錐和槽鋼立柱進(jìn)行反拉固定，槽鋼立柱根據(jù)倒懸控制線的要求進(jìn)行布置（對(duì)應(yīng)懸臂模板預(yù)留孔）。一般的工程經(jīng)驗(yàn)是考慮間距以90 cm為原則，在拉筋受緊的狀態(tài)下起到承重作用。每塊模板可以設(shè)置采用若干內(nèi)向反拉拉筋，拉筋與模板之間的連接用傘狀預(yù)埋件配備調(diào)節(jié)拉桿施工，在澆筑的過(guò)程中可以隨時(shí)對(duì)模板的變形予以調(diào)整，這樣減小了拉筋在彈性變形中變形矢量，更起到了對(duì)模板在澆筑的過(guò)程中出現(xiàn)跑模現(xiàn)象的發(fā)生，滿足施工規(guī)范要求。具體的懸臂模板施工工藝流程圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 懸臂模板施工工藝流程圖

2 工程基本概況

2.1 工程難題

某地一水庫(kù)排淤泄洪閘的閘室為雙孔閘，該閘室的單孔凈寬為8.0 m。原定的施工設(shè)計(jì)方案是在枯水期搭設(shè)鋼管腳手架進(jìn)行牛腿部位的施工。由于有關(guān)方面要求，考慮下游農(nóng)田灌溉，必須在汛期前施工該部位工程。這一要求給施工帶來(lái)了很大的難度，況且，那時(shí)的閘室段已施工，將澆至牛腳底（高程為149.938 m）。根據(jù)工程現(xiàn)況，以及相關(guān)業(yè)主的要求，必須保證在汛期閘室的牛腿能夠繼續(xù)施工，而且要安全度汛。

2.2 擬解決方案

為了加快施工進(jìn)度，保證施工的安全和施工質(zhì)量，針對(duì)牛腿的懸挑部分長(zhǎng)度較長(zhǎng)的實(shí)際情況，擬采用懸臂模板施工技術(shù)。牛腿外挑部分使用的模板是懸臂模板整體骨架，根據(jù)施工特點(diǎn)，對(duì)懸臂模板進(jìn)行改造和組裝。該施工方案是擬定在牛腿的下部（高程為149.300 m）預(yù)先埋置工字型鋼，每個(gè)牛腿的底部預(yù)埋4根25#工字型鋼，工字鋼的懸挑1.35 m，預(yù)埋0.65m在閘墩里面，牛腿的縱向水平鋪設(shè)2根12#槽鋼，放置工字型鋼上面，槽鋼的間距為1.2 m，距離閘墩墻為0.1 m。

預(yù)埋牛腿前，注意在墩內(nèi)用直徑為25 mm的鋼筋焊井字鋼筋骨架，以便使得牛腿平穩(wěn)放置墩內(nèi)，預(yù)埋工字鋼時(shí)，工字鋼在墩內(nèi)根部低于外露端部5 cm，使其工字鋼向內(nèi)微傾斜，中墩左右兩側(cè)預(yù)埋工字鋼，在墩內(nèi)用25 mm直徑的鋼筋水平焊接兩側(cè)工字鋼，使它們連成一整體；左、右墩用鋼筋焊接工字鋼根部與該層混凝土主筋根部，焊接牢固。每根工字鋼懸挑底部用鋼管斜向支撐于墩側(cè)混凝土，懸挑梁底部搭設(shè)鋼管架豎向支撐，穩(wěn)定工字鋼，在閘室未到度汛期前可以一直使用，度汛期間便可拆除該部位的鋼管架。

3 牛腿的施工計(jì)算分析

3.1 基本受力計(jì)算

不論施工方案如何，牛腿的施工計(jì)算還是應(yīng)參照常規(guī)的計(jì)算。閘墩的牛腿一般分為柱牛腿和梁牛腿，本文中設(shè)計(jì)分析的是作為梁牛腿來(lái)處理的，而根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)一般閘墩上的牛腿按短懸臂梁來(lái)考慮。參考相關(guān)計(jì)算手冊(cè)，牛腿在半扇閘門水壓力R的兩個(gè)分力N和T的作用下（牛腿的布置，水壓力方向基本上與N方向一致，是不能偏離過(guò)大），計(jì)算牛腿的受力鋼筋。除此之外，還要根據(jù)需要驗(yàn)算牛腿與閘墩相接處的面積，從而進(jìn)一步保證牛腿的安全。分力N和T對(duì)牛腿產(chǎn)生的彎矩、剪力和扭矩，現(xiàn)分別敘述如下。

閘墩的牛腿在彎矩M=NC作用下，所需配置的鋼筋面積，可根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：C——支座的垂直分力N作用點(diǎn)至閘墩邊的距離；

Rg——受拉鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度；

h0——牛腿的有效高度；

K——強(qiáng)度安全系數(shù)，按水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定選用。

閘墩牛腿與閘墩相接處的主拉應(yīng)力，按受彎拉構(gòu)件來(lái)計(jì)算：

靜水壓力對(duì)閘門的推力為：

設(shè)φ0為與R水平面的夾角，則有8.82°，設(shè)α為閘墩牛腿受力軸線與水平面的夾角，則=18.4°，由幾何關(guān)系可以知道，R與N的夾角 θ=α-φ0=18.4°-8.82°=9.58°

于是：

牛腿在彎矩M=NC作用下所需配置鋼筋的面積：

式中：N——作用于牛腿支座的軸向力；

C——分力N作用點(diǎn)至閘墩邊的距離，取為0.4 m；

h0——牛腿的有效高度；

Rg——鋼筋屈服極限，Ⅱ級(jí)鋼筋，取310N/mm2；

K——強(qiáng)度安全系數(shù)，取1.5。

解得：

從而選配 7Φ25和 6Φ28（A=7 131 mm2）。

牛腿與閘墩相交接處的截面尺寸，要符合下式抗裂條件：

式中：Q——接觸面上的總剪力，Q=R，kN;

b——牛腿寬度；

Kf——抗裂安全系數(shù)，取為1.25；

Rl——混凝土抗拉強(qiáng)度，混凝土等級(jí)為C25，為130 N/mm2。

解得：

故牛腿與閘墩相接處的截面尺寸，滿足抗裂要求。

牛腿在剪力和扭矩作用下（扭矩Mn=Ta，a=弧形門座高度+牛腿高之半）產(chǎn)生剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力，當(dāng)主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的許可拉應(yīng)力，需計(jì)算抗剪和抗扭鋼筋。

受扭同時(shí)受彎時(shí)，主拉應(yīng)力：

配置受力鋼筋，但任何情況下，σzmax不宜超過(guò)Rf。

已知弧形門門座高度0.4 m，牛腿高度3 m，扭矩：

故需計(jì)算抗扭鋼筋和彎起鋼筋。

所需抗扭縱向鋼筋及箍筋的數(shù)量可由下式確定：

式中：ak——每根縱向鋼筋的面積，cm2；

sg——縱向鋼筋間距，cm；

ak——每支鋼箍面積，cm2；

bk、hk——鋼箍所包圍的核心混凝土的兩邊邊長(zhǎng)，cm；

s——鋼箍間距，cm。

解得：

故鋼箍配Φ10@300的鋼筋。

在受扭且受彎的構(gòu)件中，因?yàn)閺澗氐淖饔茫言跇?gòu)件一邊布置了抗彎縱向鋼筋A(yù)g，從而附加的抗扭縱向鋼筋不在沿截面均勻布置，要將所需要的鋼筋總面積集中布置在其它三個(gè)邊上。抗扭鋼筋總面積Agn按下式計(jì)算：

故配 6Φ18的鋼筋（A=1 527mm2）。

3.2 施工安全的質(zhì)量控制措施

該工程設(shè)計(jì)為懸臂模板施工，等到閘墩牛腿部位混凝土強(qiáng)度達(dá)到大于或者等于25 MPa就可以進(jìn)行下一道工序的施工。這樣一來(lái)便可以省去了在牛腿中需要安裝和拆除大量桁架的常規(guī)施工。一般而言，懸臂模板在施工中只需按照正常的施工順序和施工計(jì)劃就可以滿足了施工進(jìn)度，降低了施工費(fèi)用，大大地節(jié)約了工程成本，提高了工程進(jìn)度，滿足了大壩混凝土面外觀質(zhì)量和外觀質(zhì)量評(píng)定的要求。

本文工程中的閘墩牛腿的懸臂施工法施工在整個(gè)過(guò)程中要滿足施工設(shè)計(jì)所規(guī)定的偏差要求，見(jiàn)表1所列。同時(shí)注意牛腿在懸臂模板施工的澆注的過(guò)程中的拉筋、立柱和錨錐要得到有效的保護(hù)，這樣使得觀測(cè)的結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)允許偏差的要求。每次安裝模板前要對(duì)懸臂模板的螺桿、螺帽、螺桿式支撐等易損部件進(jìn)行詳細(xì)的檢查，也要對(duì)模板、螺桿、螺帽及其他配件應(yīng)及時(shí)的維護(hù)和保養(yǎng)。

表1 模板允許偏差值一覽表

4 結(jié)語(yǔ)

一般而言，模板工程不僅在水閘牛腿的施工中，而且在水工混凝土施工中都經(jīng)常遇到。眾所周知，水工混凝土施工中的模板工程費(fèi)用比重大，可以占到混凝土總造價(jià)的25%～30%，就算是在無(wú)筋或者少筋的大體積混凝土工程中也約占 5%～15%。本文所談?wù)摰膽冶勰０蹇朔藗鹘y(tǒng)的模板型式的缺點(diǎn)，易于加工生產(chǎn)、操作方便靈活、安全系數(shù)高，周轉(zhuǎn)使用次數(shù)多，提高了施工進(jìn)度和施工質(zhì)量要求，在機(jī)械化施工和減少勞動(dòng)消耗上呈現(xiàn)了很大的優(yōu)勢(shì)。其在工程施工中并能努力提高和改進(jìn)其工作和使用性能，確保工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量，推動(dòng)工程的施工進(jìn)度和設(shè)計(jì)觀念的進(jìn)一步提高。

牛腿是結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)，為保證閘墩牛腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全，了解牛腿的受力特點(diǎn)從而正確地進(jìn)行牛腿的設(shè)計(jì)計(jì)算顯得尤為重要。筆者認(rèn)為由于牛腿對(duì)于水閘的重要性，有條件的話，還可應(yīng)用有限元分析法或模型試驗(yàn)的方法求得較為精確的內(nèi)力分布情況，以保證這一薄弱部位具有足夠的安全度。另外，上述牛腿在工民建工程中運(yùn)用較多，其設(shè)計(jì)的理論依據(jù)也來(lái)源于工民建的規(guī)范，在水工中應(yīng)用時(shí)，安全系數(shù)的取值略有不同。

[1]曹海順,王云龍,許凱明.系桿拱橋端橫梁牛腿分析[J].城市道橋與防洪,2009.

[2]國(guó)振喜,張樹義.鋼筋混凝土柱牛腿設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[3]沈蒲生.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.[M].北京：高等教育出版社,2005.

[4]李德墉.牛腿雙懸臂縱梁用于懸灌梁0#塊支架的研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2009.

[5]李冬,張哲.新型牛腿設(shè)計(jì)及配筋計(jì)算[J].公路,2006.

[6]徐有鄰,周氐.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[7]王鐵成，等.混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件設(shè)計(jì)原理[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2002.