對成功應用工程力學知識優化施工技術方案的總結

景小青

（中國水利水電第四工程局有限公司，青海西寧　810007）

對成功應用工程力學知識優化施工技術方案的總結

景小青

（中國水利水電第四工程局有限公司，青海西寧810007）

工程力學涉及眾多的力學學科分支與廣泛的工程技術領域，是一門理論性較強、與工程技術聯系極為密切的基礎學科。工程力學的定理、定律和結論是解決工程實際問題的重要基礎，同時為進一步優化施工技術方案提供了科學的理論依據。本文就成功應用工程力學相關知識優化水電站工程施工技術方案的過程予以分析總結，旨在進一步提高建筑施工行業優化技術方案的水平，并在有效提高經濟效益的同時，保證工程施工技術方案的科學性、可靠性、合理性與可操作性，為今后類似工程提供參考、借鑒。

應用工程力學優化技術方案總結

1　工程概況

拉西瓦水電站泄洪底孔除承擔提前發電期汛期施工導流，同時承擔降低庫水位及庫水位降至2339m左右向下游供水的任務；臨時底孔主要為提前發電期承擔汛期施工導流，后期進行封堵。底孔、臨時底孔布置相同，均由進口段、有壓段、弧形工作門墩段（包括鼻坎段）組成。進口底坎高程2320.0m，進口設平板事故檢修門，孔口尺寸4.0m×9.0m；工作弧門底坎高程2320.0m，孔口尺寸4.0m×6.0m。

2　施工方案說明

2.1原施工方案說明

底孔、臨時底孔除孔口部位有鋼襯外，孔身均無鋼襯。其流道長，深度大，且頂板呈漸變形態。原頂板投標方案采用規格為φ273× 12mm的鋼管柱支撐（間排距1m×3m），支柱間布設∠752×7的剪刀撐；管柱頂部鋪設Ι28找平梁和Ι25的水平梁形成鋼平臺，其上安裝散裝鋼模板。原支撐方案見圖1。

圖1　原流道頂板支撐結構簡圖（單位:cm）

圖2　流道吊模支撐結構正視圖（單位:mm）

圖3　流道側剖輪廓簡圖（單位:cm）

圖4　混凝土吊罐卸料動力計算轉化圖（單位:mm）

圖5　吊模支撐桁架內力簡圖（單位:mm）

圖6　桁架弦桿與腹桿焊接簡圖（單位:mm）

2.2優化施工方案說明

底孔、臨時底孔流道總長73m，流道兩邊墻凈跨距4m，兩邊墻及頂板混凝土均設計有受力鋼筋，頂板混凝土中沿跨距方向受力鋼筋為三層，底部兩層為Φ32，頂部為Φ28，其豎向間距分別為20cm、30cm，平行間距均為20cm。

為加快孔口壩段的施工進度，利用工程力學相關知識對底孔、臨時底孔流道頂板的原施工方案進行了較為科學、細致的優化，將流道底部改為鋼筋桁架支撐及吊模。利用流道頂板混凝土中的設計受力鋼筋與新增鋼筋形成吊模的桁架支撐系統。其支撐結構見圖2。

3　優化方案的科學性驗證

3.1荷載及結構校核計算

3.1.1荷載計算

以雙榀桁架覆蓋范圍為基本計算單元：下弦桿跨度4.35m、順流道長0.6m、混凝土最大澆筑高度2m（流道頂板臺階分層高度控制在1m～2m間，見圖3）。

（1）現澆混凝土重量：混凝土以常規2500kg/m3、乘以1.25的結構安全保證系數進行驗算，以均布荷載計為：

q1=0.6m×2m×2500kg/m3×10N/kg×1.25=37.5kN/ m

（2）支撐桁架自重：考慮到設計架立筋與水平桁架上、下弦桿的連接強度，此處以水平設計鋼筋計入桁架自重進行校核，其重量包括桁架上、下弦桿、腹桿、連接筋及設計鋼筋，其單元校核總重為649 kg，以均布荷載計為：

（3）吊模材料自重由螺帽、螺桿、鋼墊板、膠合板、散裝鋼模及鋼圍檁組成，其單元校核總重為368 kg，以均布荷載計為：

（4）施工人員及設備單元校核重量以3人×7 5 k g/人+200kg=425kg計，以均布荷載計為：

（5）混凝土振搗動荷載以均布荷載計為：

q5=5kN/m2×0.6m=3kN/m

（6）混凝土吊罐卸料動荷載計算。

①混凝土吊罐卸料動荷載分析。澆筑施工時，限定混凝土吊罐卸料最大高度不超過3m，分析混凝土吊罐卸料的實際過程，忽略混凝土間、混凝土與吊罐卸料口間的粘滯力，假設卸料只受重力作用；與此同時，混凝土料的實際運動近似流體運動，相對固體自由下落的沖擊力要小的多，加之混凝土下落后，與受料面接觸后會產生錐形堆積，增大受力面積，隨著混凝土料下落量的增多，受料面單位面積承受的動荷載逐漸減小。

考慮到保證吊模的結構安全可靠性，現將卸料流體均勻下落運動轉化為以卸料口為正投影面面積、高1.5m的圓柱形混凝土柱自由落體運動，下落高度為3m，結構轉化見圖4。

②動荷載計算。求混凝土柱對吊模模板的沖擊力F，因擬定為固體自由落體運動，則由：ν=0、=2gh 、h=3=（12）gt2、g=9.80得νt=7.67m/s &t=0.78s 。

則由求得量及動量定理公式得：78.0t=、67.7νt=、

因沖擊力F沖擊面積為直徑0.895m的圓，而吊模單個吊點承載范圍為流道長向0.6m、流道跨度0.44m，因此，將求出的沖擊力轉化為沿流道跨長方向的均布荷載為：

綜上所列，單榀桁架下弦桿節點承受集中荷載P為：

則支座反力RA=RB=（P×9）2=86.4k N

3.1.2桁架內力計算

截取A點為首個計算節點，假設N1及N30為拉力，并規定拉力為“+”、壓力為“-”，由A點處的平衡方程：

由計算可知N1為壓力，N30為拉力。

再截取C點為計算節點，將已經求出的桿件內力按實際方向標明，將未知力依然假設為拉力，則由C點處的平衡方程：

由計算可知N2為拉力，N21為壓力。

以節點法依次類推計算得出各桿件的內力值，并標于桁架內力簡圖，見圖5。

3.1.3桁架強度及穩定性校核計算

（1）桁架腹桿計算。

①桁架腹桿中拉桿（如CD）內力最大為Nmax=89.62kN，采用φ 28、l=0.83m（腹桿有效計算長度），根據軸心受力桿件剛度計算公式校核如下：

校核其強度：

因腹桿中所有拉桿選用材料相同、計算長度均相等，校核最大拉力所在桿滿足強度要求，故可知腹桿其余拉桿均滿足強度要求。

②桁架腹桿中壓桿（如AC）內力最大為Nmax=88.93kN，采用φ 28、l=0.83m，則如下：

根據公式①求得λ=118.6<［λ］ =150（壓桿容許長細比）；

根據公式②求得σmax=114.5N/mm2<γ·fpy=184.5N/mm2。

因腹桿中所有壓桿選用材料相同、計算長度均相等，校核最大壓力所在桿滿足強度要求，故可知腹桿中其余壓桿均滿足強度要求。

根據已經求出腹桿中最大內力壓桿的長細比，應確定該腹桿（如AC）為大柔度壓桿還是小柔度壓桿，之后選用相應的壓桿穩定計算公式進行校核。

查表得Ⅰ級鋼筋（HPB235）強度設計值fpy=205N/mm2、彈性模量E=2.1×1 05N/m m2，則壓桿柔度（長細比）臨界值λp：

因此，確定該腹桿為大柔度壓桿，應選用“歐拉公式”對其進行穩定性校核，由得

因Ncr=90.64kN>Nmax=88.93kN，所以，桁架φ28腹桿壓桿最大內力桿滿足壓桿穩定要求，故其余φ28腹桿均滿足壓桿穩定要求。

（2）桁架弦桿計算。

①桁架上、下弦桿校核單元均采用Φ32、l=0.44m的Ⅱ級熱軋帶肋鋼筋。因上弦桿均為壓桿，所受最大軸向壓力為Nmax=129.46kN（如上弦KM桿），則如下：

根據公式①求得λ=55<［λ］ =150；

根據公式②求得

σmax=161.1N/mm2<γ·fpy=0.9×300N/mm2=270N/mm2。

因校核最大壓力所在弦桿滿足強度要求，可知上弦桿其余各桿即滿足強度要求。

查表得Ⅱ級鋼筋（HRB335、Q345）強度設計值fpy=300N/mm2、彈性模量E=2.0×105N/mm2，根據公式③求出壓桿柔度（長細比）臨界值λp=81.1> λ =55，則確定此壓桿為小柔度壓桿，應選用軸心受壓桿件穩定計算公式對其進行校核，如下：

由λ =55查表得Ⅱ級熱軋帶肋鋼筋（HRB335、Q345號鋼）a類截面中心受壓直桿的穩定系數為φ=0.855，得：

由所求可知，桁架上弦桿滿足穩定性要求。

②因下弦桿均為受拉桿，其中最大拉桿（如JL）內力最大為Nmax=126.82kN，采用Φ32、l=0.44m，則如下：

根據公式①求得λ=55<［λ］ =150；根據公式②求得σmax=157.8N/ mm2<γ·fpy=270N/mm2。

因此，桁架下弦桿滿足強度要求。

（3）吊點螺桿計算。因吊點螺桿為受拉桿，其中最大拉力為2P=38.4kN，采用φ20、l=0.464m，則根據公式①求得λ=92.8<［λ］=250；根據公式②求得σmax=122.3N/mm2<γ·fpy=184.5N/mm2，因此，吊點螺桿滿足強度要求。

3.1.4焊縫強度校核計算

桁架弦桿與腹桿的連接方式采用搭接雙面滿焊，搭接長度為20cm，為保證足夠的搭接焊縫長度和強度，特將腹桿在弦桿兩側交錯焊接，兩腹桿拐頭與弦桿搭接相交部分（長度為5cm）不施焊，避免焊接損傷弦桿母材，故單拐實際焊縫長度為30cm（15cm×2面），見圖6。

弦桿與腹桿鋼筋焊接以直角焊縫計算，得焊角尺寸hf=23mm，則焊角有效計算高度he=0.7hf=16mm；同時，為考慮焊縫的施工缺陷，有效計算長度lw以實際焊縫長度的80%（即240mm）作為計算長度，查表得Q235鋼的焊縫強度設計值為160N/mm2，則根據以下公式得：

已求得桁架各桿內力最大值N=129.46kN＜＜Nmax=614.4 kN，根據計算結果可知，桁架各桿件連接焊縫完全滿足強度要求。

吊模支撐系統主要由桁架受力弦桿及腹桿與垂直于桁架平面的剛性材料固接，形成整體空間框架結構，其實際強度及穩定性指標高于單榀平面桁架。因此，經驗算可知，主壩底孔、臨時底孔流道頂板混凝土采用吊模施工，其優化后的支撐結構承載力滿足強度及穩定性要求，優化方案可行。

3.2方案優化前后對比分析

方案優化對比分析詳見下表1。

4　結語

吊模工藝在工程施工中的應用日漸成熟，但在水電站大體積混凝土施工中的成功應用為數不多。拉西瓦水電站泄洪底孔、臨時底孔流道頂板大體積混凝土施工采用吊模工藝的優化施工技術方案，應用工程力學相關知識為理論基礎，經過科學、合理的驗算及選材，充分體現出建筑施工單位的實踐性。在遵循國家規范及設計成果的前提下，應用科學的理論知識，并結合施工一線的實踐經驗，不斷采用并推廣新技術、新工藝、新設備、新材料、新產品，將進一步提高施工單位的整體技術水平。同時，應用工程力學相關知識對施工技術方案進行科學而合理的優化，凸顯其在工程建設中不容忽視的重要作用。

［1］孫訓方，等著.材料力學.第四版.北京：高等教育出版社，2002.8.

［2］包頭鋼鐵設計研究總院、中國鋼結構協會房屋建筑鋼結構協會編著.鋼結構設計與計算.第2版.北京：機械工業出版社，2006.1.