漸變段穿行式承重腳手架的設計及應用

周紅祖，曾 強，李林山

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610081)

1 工程概述

白鶴灘水電站左岸2#、3#導流洞進口漸變段各長30m，樁號K0+0～K0+30。進口漸變段底板及邊頂拱襯砌厚度為250cm;設計最大凈空27 m(不包括超挖)，平均超挖約0．3m，局部因地質原因超挖約1．5m。邊頂拱模板采用 P1015、P3015鋼模組合而成，模板采用內拉外撐的方式固定;內拉絲桿采用φ14鋼筋與系統錨桿連接，內拉絲桿的間排距為0．7m×0．75m;縱、橫向圍檁采用φ48，壁厚3．6mm的鋼管架設。考慮到左岸2#、3#導流洞進口閘門井十字排架還未全部拆除，進水口基坑存在部分施工，圍堰內側減薄施工將在漸變段澆筑階段啟動等工作需要從洞內通車，因此，進口漸變段承重腳手架必須設計成穿行式。

2 承重腳手架的設計原則

本工程考慮到施工工期、質量和安全要求，在承重腳手架搭設時，應遵循以下原則:

(1)架體的結構設計力求做到結構要安全可靠，造價經濟合理。

(2)在規定的條件下和規定的使用期限內，能夠充分滿足預期的安全性和耐久性。

(3)選用材料時，力求做到常見通用、可周轉利用，便于保養維修。

(4)結構選型時，力求做到受力明確，構造措施到位，升降搭拆方便，便于檢查驗收。

(5)承重腳手架的搭設必須符合《建筑施工扣件式鋼管承重腳手架安全技術規范》(JGJ 130—2011)標準要求。

3 承重腳手架的設計及荷載參數

3．1 承重腳手架的設計參數

滿堂承重腳手架使用φ48，壁厚3．5mm的鋼管進行搭設。搭設形式:進口漸變段頂拱混凝土設計厚度為2．5m，超挖約0．3m，局部因地質原因超挖約1．5m。

(1)橫向間距 (m):0．6;

(2)縱距(m):0．75;

(3)步距(m):0．9;

(4)承重腳手架搭設高度(m):22;

(5)采用的鋼管(mm):φ48×3．5;其截面特性如下:截面積 A=4．89cm2，慣性矩 I=12．19 cm4，抗彎截面模量W=5．08cm3，回 轉 半 徑i=1．58cm，單位重量為3．841kg/m。彈性模量E=2．06×105N/mm2，抗彎、抗壓強度設計值 f=205 N/mm2;

(6)扣件連接方式:雙扣件;扣件抗滑承載力系數:0．8;

(7)模板支撐方式:φ48，壁厚3．5mm的鋼管支撐，托架傳遞;

(8)穿行式過車門洞凈空尺寸為4m×4．7m(寬×高)。

排架基礎通過10#槽鋼座落在混凝土面上，過車門洞通過增加斜支撐加固門洞，以保證其整體的穩定性。漸變段澆筑頂拱前必須采用φ48，壁厚3．6mm的鋼管將預留門洞滿堂支撐，以保證頂拱澆筑時的安全(圖1)。

圖1 承重腳手架設計示意圖

3．2 荷載參數(表1)

表1 荷載參數表

(1)模板自重(kN/m2):0．196;(2)架管自重(kN/m2):0．393;

(3)混凝土與鋼筋自重(kN/m3):25;

(4)最不利位置(拱肩線以上)混凝土厚度=5．942 × cos46．814°=3．931(m);

(5)施工均布荷載標準值(kN/m2):2。

3．3 拉桿受力分析

拉桿屈服強度σ=235MPa

拉桿直徑φ=14mm

以單根拉桿控制范圍作為一個計算單元(圖2)。

單元內荷載:

混凝土自重 P1=25×3．931×0．75 ×0．7=44．224(kN)。

圖2 拉桿受力計算單元示意圖

模板自重 P2=0．196 ×0．75 ×0．7=0．103(kN)。

4 承重腳手架的設計計算

4．1 橫向水平桿的計算

橫向水平桿按照簡支梁進行強度和撓度計算。

4．1．1 計算簡圖

計算簡圖見圖3。

圖3 橫向水平桿計算簡圖

4．1．2 荷載值計算

橫向水平桿的自重標準值q1=0．393kN/m;

腳手板的荷載標準值q2=0．35×0．75=0．2625(kN/m);

鋼筋混凝土自重 q3=25×0．75×3．931=73．706(kN/m);

模板自重荷載 q4=0．196 ×0．75=0．147(kN/m);

活荷載標準值 q5=2．5 ×0．75=1．875(kN/m)。

按排架承受混凝土和模板荷載的20%計算，橫向水平桿上的線荷載標準值:

qk=0．393+0．2625+(73．706+0．147)×20%-1．875=17．3011(kN/m);

橫向水平桿上的線荷載設計值:

q=1．2 × {0．393+0．2625+(73．706+0．147)×20%}+1．4 ×1．875=21．136(kN/m);

4．1．3 強度計算

最大彎距計算:，滿足要求。

4．1．4 撓度計算

最大撓度計算:，滿足要求。

4．2 縱向水平桿的計算

縱向水平桿按照三跨連續梁進行強度和撓度計算，橫向水平桿在縱向水平桿的上面。

4．2．1 計算簡圖

計算簡圖見圖4。

圖4 縱向水平桿計算簡圖

4．2．2 荷載值計算

橫向水平桿的自重標準值q1=0．393kN/m;

腳手板的荷載標準值q2=0．35×0．75=0．2625(kN/m);

活荷載標準值 qs=2．5 ×0．75=1．875(kN/m);

荷載設計值 q=(0．393-0．35 ×0．6)×1．2+2．5 ×0．6 ×1．4=2．8236(kN/m)。

由橫向水平桿傳給縱向水平桿的集中力設計值:

4．2．3 強度計算)(中間支座處)，滿足要求。

4．2．4 撓度計算(端跨中)(二者取較大值)

按照最大彎矩計算大橫桿的抗彎強度:)，滿足設計要求。

4．3 扣件抗滑力的計算

縱向或橫向水平桿與立桿連接時，扣件的抗滑承載力應滿足:R≤Rc

式中 R為縱向或橫向水平桿傳給立桿的豎向作用力設計值;Rc為扣件抗滑承載力設計值，取8kN。

R=4．308kN≤Rc=8kN，扣件抗滑承載力設計計算結果滿足要求。

4．4 立桿穩定性驗算

由于立桿除承受豎直的軸向壓力外，還要承受可能存在的施工偏心荷載產生的彎矩，屬于壓彎構件，其承載力應按穩定性進行驗算。作用于承重腳手架的荷載包括恒荷載、活荷載。

4．4．1 恒荷載計算

(1)立桿自重產生的軸向力標準值:

(2)腳手板自重產生的軸向力標準值(腳手板支護一層、鋪設一層):

(3)欄桿與擋腳板自重產生的軸向標準值:

(4)吊掛的安全設施荷載，包括安全網:

(5)桿件傳遞的荷載:

構配件自重產生的軸向力標準值:

靜荷載標準值:

4．4．2 活荷載計算

活荷載為施工荷載標準值產生的軸向力總和，內外立桿各按一縱距內施工荷載總和的1/2取值。

4．4．3 立桿的軸向壓力設計值

4．5 混凝土側壓力計算

混凝土側壓力分布情況見圖5。式中 l0為計算長度;i為回轉半徑，取值為1．58 cm。

計算長度 l0=kμh

式中 k為立桿長度附加系數，取值為1．191;μ為計算長度系數，取值為1．422。

故

λ =152．4/1．58=96．5，查附錄 A．0．6 表得穩定系數:f=0．618。

所以

圖5 混凝土側壓力示意圖

混凝土側壓力值:

式中 P為混凝土側壓力;γc為混凝土容重;h為混凝土側壓力計算高度(考慮混凝土的初凝，當澆筑高度達到h時，最下方混凝土已經初凝，不再對側向模板產生壓力，故只分析高度為h時的混凝土側壓力)。

圖6 混凝土側壓力示意圖

側壓力最不利的位置位于最下方一塊模板，拉桿按照受力控制高度0．7m計算。受力簡圖見圖6。

單元模板受力 F=0．75q

式中 F為拉桿屈服強度，為235MPa;S為拉桿截面面積。

根據白鶴灘商品混凝土的配合比參數，實驗確定低熱水泥混凝土初凝時間約為8h，計算側壓力時需要考慮混凝土澆筑上升的速度及分層高度。

(1)當混凝土澆筑上升的速度大于0．55m/h時，側壓力受力高度按h=4．5m計算。

底部模板受力 F=54．688(kN)

拉桿受力按照80%，排架受力按照20%計算，

則拉桿受力 F=54．688 ×80%=43．575(kN)≥［F］=36．157kN

拉桿不滿足受力要求。

排架按承受20%力計算:

F=54．688 ×20%=10．938(kN)

(2)當混凝土澆筑上升的速度大于0．5m/h時，側壓力受力高度按h=4m計算。

底部模板受力 F=49．906(kN)

同上步驟可得拉桿受力:

F=49．906 ×80%=38．325(kN)≥［F］=36．157kN，不滿足要求。

排架滿足要求。

(3)當混凝土澆筑上升的速度大于0．45m/h時，側壓力受力高度按h=3．5m計算。

底部模板受力 F=41．344(kN)

同上步驟可得拉桿受力:

F=41．344 ×80%=33．075(kN)≤［F］=36．157kN，滿足要求。

故排架滿足要求。

綜上所述，拉桿受力按照80%、排架受力按照20%計算時，側壓力受力高度按h=3．5m計算，二者均可滿足設計要求。但是，排架受力按照20%計算偏保守，所以擬重新分配拉桿及排架受力情況。

(4)拉桿受力按照70%、排架受力按照30%計算。

①側壓力受力高度按h=4．5m計算。

底部模板受力 F=54．688(kN)。

同上步驟可得拉桿受力:

F=54．688 ×70%=38．281(kN)≥［F］=36．157kN，不滿足受力要求。

②側壓力受力高度按h=4m計算。

底部模板受力 F=49．906(kN)。

同上步驟可得拉桿受力:

F=49．906 ×70%=34．934(kN)≤［F］=36．157kN，滿足要求。

綜上所述，拉桿受力按照70%、排架受力按照30%計算時，側壓力受力高度按h=4m計算，二者均可滿足設計要求。為了保證施工安全，筆者建議側壓力受力高度取h=3．5m進行計算，即在實際施工中，需要嚴格控制混凝土澆筑上升的速度大于 0．45m/h。

5 結語

白鶴灘左岸導流洞進口漸變段混凝土工期緊張，在實際施工過程中，按照本文計算的建議值進行控制，未出現安全事故及異常現象，工程已于2014年2月施工完成。但是，經過總結分析，在建議方案的基礎上，拉桿可加大受力分配值，排架可減少受力分配值，從而可調整排架基本設計參數，可使方案更加經濟合理。

［1］ 建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范，JGJ130—2011［S］．