鋼筋桁架漸變式流道組合模板施工技術(shù)

李勇

【摘要】本文結(jié)合南寧市邕寧水利樞紐工程廠房流道尾水段鋼筋桁架漸變式模板的施工實(shí)踐，闡述了異形漸變式鋼筋桁架組合模板的設(shè)計(jì)制作及施工工藝，總結(jié)出了一套鋼筋桁架組合式模板在異形漸變段結(jié)構(gòu)施工中行之有效、經(jīng)濟(jì)合理的施工方法，為后續(xù)類似異形結(jié)構(gòu)模板設(shè)計(jì)與施工提供借鑒與參考。

【關(guān)鍵詞】廠房流道；尾水段；異形漸變模板

一、概述

1 工程概述

南寧市邕寧水利樞紐工程位于南寧邕江河段下游青秀區(qū)仙葫開發(fā)區(qū)牛灣半島處，上距老口航運(yùn)樞紐74Km，下距西津水電站124Km。水庫正常蓄水位67m，總庫容7.1億m3，電站總裝機(jī)容量57.6MW（6×9.6MW），為燈泡貫流式機(jī)組。樞紐工程等別為Ⅱ等。

2 流道尾水段簡介

廠房流道層總長75.05m，中心高程51.5m。流道層底板以上部分平行于壩軸線方向設(shè)置二道縱縫，將流道分為進(jìn)口段、流道中段（主機(jī)段）、尾水段。

廠房流道層尾水段長32.057m，其中流道尾水直錐段長9.989m，異形漸變段長22.068m。異形漸變段由φ10.26m正圓漸變至13.5m（寬）×12.825m（高）矩形斷面。

廠房流道層示意圖如下圖。

3 技術(shù)特點(diǎn)

（1）技術(shù)難度大。流道尾水異形漸變段由正圓變化為矩形，形成由4個曲面與平面切割組成復(fù)雜流線型幾何體。曲面段采用鋼筋桁架鋼面板模板結(jié)構(gòu)，直模板段采用竹膠板結(jié)構(gòu)。曲面模板制作較復(fù)雜，鋼桁架需采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行逐根彎曲加工，鋼面板按照其展開半徑、圓心角等參數(shù)在平面上放樣加工，后與鋼桁架依次按序彎曲焊接，精度要求高。

（2）質(zhì)量要求高。模板與支撐體系的施工要求具有足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，流道異形漸變段模板采用鋼筋桁架曲面模板與木模板組合拼接而成，保證混凝土結(jié)構(gòu)面的幾何尺寸符合設(shè)計(jì)規(guī)定，同時要保證混凝土外觀質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

二、流道尾水段模板設(shè)計(jì)制作

流道尾水異形漸變段由圓形漸變?yōu)榫匦危?jīng)過計(jì)算機(jī)輔助制圖分析，可將模板切割分塊形成由4個三角形平面與4個相同尺寸的斜圓錐面，斜圓錐的圓心軌跡為空間曲線，導(dǎo)致圓錐面的圓心及半徑不斷變化。

流道尾水漸變段長22.068m，曲面模板若加工成一個整體，吊裝難度及施工精度均難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此延水流方向?qū)⒛０宸殖?塊進(jìn)行加工，長度分別為3塊5.5m、1塊長5.568m。同時由于異形漸變段底板與頂板對稱，因此每個流道尾水段加工2套曲面模板，底板擴(kuò)散段施工完成后再搭設(shè)滿堂腳手架翻轉(zhuǎn)曲面模板施工頂板擴(kuò)散段。

2.1 異形漸變模板設(shè)計(jì)

為了保證流道混凝土施工質(zhì)量，異形漸變模板采用鋼筋桁架與5mm厚鋼面板組拼而成。

1 面板設(shè)計(jì)與加工

（1）簡化面板設(shè)計(jì)荷載確定鋼筋桁架間距

因流道尾水異形漸變段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使是同一澆筑層不同橫斷面各部位的受力均不同，為了便于計(jì)算同時考慮模板周轉(zhuǎn)使用，按照頂板混凝土分層澆筑，每次1m厚的最不利狀況進(jìn)行計(jì)算，確定鋼筋桁架的間距為30cm。

（2）利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行面板放樣與加工

根據(jù)設(shè)計(jì)流道單線圖，通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)將斜錐面展開，確定各塊模板的加工參數(shù)（圓心、圓心角、半徑），按照計(jì)算參數(shù)進(jìn)行鋼面板的切割加工。

2 鋼筋桁架設(shè)計(jì)與加工

（1）單片鋼筋桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筋桁架直接承受面板傳遞的荷載壓力，既要滿足強(qiáng)度和剛度的要求，又要求材料有良好的彎曲性能并能與面板材料進(jìn)行良好的連接，因此，本工程借鑒隧洞工程中常用的格柵鋼架的形式，擬定采用φ28鋼筋作為桁架材料。

（2）鋼筋桁架加工

鋼筋桁架由上弦桿、腹桿及下弦桿經(jīng)過焊接而成。其中，上弦桿與下弦桿平行設(shè)置，間距30cm，上、下弦桿間設(shè)置腹桿，形成穩(wěn)定的超靜定結(jié)構(gòu)。由于斜錐面的特殊性，每片鋼筋桁架的幾何尺寸均不同，因此，必須借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)計(jì)算每片桁架組成部分的尺寸，再進(jìn)行鋼筋彎曲編號，然后按照編碼逐片焊接而成。

鋼筋桁架示意圖如下圖。

2.2 異形漸變段模板的拼接

在已經(jīng)加工完成的面板上按照鋼筋桁架設(shè)計(jì)間距30cm逐片定位，由桁架的一邊向另一邊進(jìn)行焊接，確保焊接的施工質(zhì)量，保證面板不變形。模板拼接完畢后，要進(jìn)行試拼，檢查模板的幾何尺寸及線形是否滿足設(shè)計(jì)要求。

三、模板支撐及施工工藝

3.1 尾水段中心線以下部分的施工

尾水段中心線以下部分的砼施工采用φ16鋼筋內(nèi)拉與φ48鋼管內(nèi)撐相結(jié)合的方式。邊墻澆筑厚度按3m分層，中心線以下曲面部分以下部分砼澆筑不易振搗密實(shí)，澆筑過程中一定要按照分層加密振搗的方式進(jìn)行，減少氣泡、蜂窩的出現(xiàn)。

3.2 尾水段中心線以上部分的施工

3.2.1 模板承重支架設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

廠房流道尾水段結(jié)構(gòu)由正圓漸變?yōu)檎叫危w態(tài)不規(guī)則，承重頂板支撐較復(fù)雜，為了更好的適應(yīng)結(jié)構(gòu)變化，簡化受力，施工方便，確定采用Φ48mm普通鋼管腳手架作為承重架，曲面漸變部分采用加工成型的異形漸變段模板，平直部分采用竹膠板。

尾水段承重腳手架擬定尺寸為縱距0.6m、橫距0.75m、最大步距1.2m，立桿頂端伸出0.1m，立桿頂端安裝I10工字鋼主梁，主梁上方設(shè)置10cm×10cm木方分配梁，間距30cm，左右方向的橫桿頂緊混凝土壁面或側(cè)面模板桁架。支架水平向每2步設(shè)置剪刀撐，垂直方向每3跨設(shè)置剪刀撐。

模板支撐體系示意圖如下圖所示。

3.2.2 荷載計(jì)算

模板承受的主要豎向荷載包括模板及支架自重（q1=0.35 kN /m2），新澆混凝土自重（q2=26 kN / m3），施工人員及設(shè)備荷載（q4=2.5 kN /m2），振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載（q5=4.0 kN /m2），水平荷載主要包括振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載（q6=2.0 kN /m2），新澆混凝土對模板的側(cè)壓力和傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平荷載（q7=4.0 kN /m2）。

3.2.2.1 模板支撐方木受力驗(yàn)算

方木間距0.6m，按三跨連續(xù)梁驗(yàn)算。木材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fm=16.9 N/mm2，彈性模量E=9500 N/mm2。方木按照三跨連續(xù)梁計(jì)算，截面慣性矩I和截面抵抗矩W分別為：

W=10×10×10/6 = 166.67 cm3；

I=10×10×10×10/12 =833.33cm4；

1 荷載計(jì)算

（1）靜荷載為鋼筋混凝土和模板的自重：

q1=26×0.75×0.6×1+0.35×0.6×0.75×1=11.858kN/m；

（2）活荷載為施工人員及設(shè)備荷載（kN/m）：

q2=2.5×0.75×0.6= 1.125 kN/m；

2 強(qiáng)度計(jì)算

最大彎矩考慮為靜荷載與活荷載的計(jì)算值最不利分配的彎矩和，計(jì)算公式如下：

其中：q=1.2×11.858+1.4×1.25= 15.98kN/m

最大彎矩M=0.1ql2=0.1×（1.2×11.858+1.4×1.25）×0.32=0.14kN·m；

方木最大應(yīng)力計(jì)算值：σ=M/W=140000/166666.67 =0.84N/mm2；

面板的最大應(yīng)力計(jì)算值為σ=84N/mm2 <【f】=16.9 N/mm2，滿足要求。

3 撓度驗(yàn)算：

最大撓度考慮為靜荷載與活荷載的計(jì)算值最不利分配的撓度和，計(jì)算公式如下：

ν=0.677ql4/（100EI）= 0.677×15.98×3004 /（100×9500×833333.33）= 0.11 mm；

方木的最大撓度計(jì)算值 0.11 mm<【ν】=300/400=0.75mm，滿足要求！

3.2.2 立桿穩(wěn)定性受力驗(yàn)算

1 荷載計(jì)算

支架承受的主要靜荷載包括腳手架自重（N1=2.208 kN），模板自重（N2=0.35×0.6×0.75 = 0.157 kN），鋼筋混凝土頂板自重（N3=26×0.6×0.75 = 11.7 kN）。靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值NG=N1+N2+N3=14.065 kN。支架承受的主要動荷載包括施工人員及振搗產(chǎn)生的荷載NQ= （2.5+2）×0.6×0.75=2.205 kN。

不考慮風(fēng)荷載時，立桿的軸向壓力設(shè)計(jì)值N=1.2 NG+1.4 NQ=16.875 kN。

2 立桿穩(wěn)定形驗(yàn)算

立桿計(jì)算長度l0 =k1u（h+2a ） = 1.217×1.546×（1.2+0.1×2） = 2.634 m

式中 k1---- 計(jì)算長度附加系數(shù)，取值為1.217；

u ---- 計(jì)算長度系數(shù)，參照《扣件式規(guī)范》附錄C表C-3中查的；u = 1.546；

a ---- 立桿上端伸出頂層橫桿中心線至模板支撐點(diǎn)的長度；a = 0.1 m；

長細(xì)比λ =2634/15.8=166.71 ；

由長細(xì)比λ的結(jié)果查表得到軸心受壓立桿的穩(wěn)定系數(shù)φ= 0.253 ；

鋼管立桿的最大應(yīng)力計(jì)算值：

σ=N/φA=16875/（0.253×489）=136.4N/mm2；

鋼管立桿的最大應(yīng)力計(jì)算值 σ=136.4N/mm2 <【f】= 205 N/mm2，滿足要求。

3 支架地基承載力驗(yàn)算

承重支架基礎(chǔ)直接坐落在C20結(jié)構(gòu)混凝土面上，地基承載力設(shè)計(jì)值fg=fgk×kc=200kpa（地基承載力調(diào)整系數(shù)kc=1）

立桿基礎(chǔ)對面平均壓力p=N/A=16.875kN/0.25m2=67.5 kpa3.2.3 模板安裝

（1）吊裝前按照模板分塊進(jìn)行測量放樣，畫出模板安裝邊線。

（2）嚴(yán)格按照承重支架布置圖搭設(shè)支架，搭設(shè)完成后進(jìn)行支架驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后進(jìn)入下一道工序施工。

（3）模板拼裝前，先在拼裝平臺的四周立吊線架，在平臺的中心懸吊鉛球作為尾水管主軸線，然后用全站儀按照腳手架搭設(shè)的節(jié)點(diǎn)橫向和縱向定出每一排腳手架的頂面，嚴(yán)格控制腳手架的頂高程是保證模板安裝精度要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（4）模板安裝時，直接將模板吊放在支撐架上，其中模板下邊與上一層模板頂面進(jìn)行有效固定，另一邊通過木楔進(jìn)行調(diào)整，確保模板位置準(zhǔn)確。

（5）模板安裝完成后，對模板線形進(jìn)行檢查，確保模板拼接嚴(yán)密，漸變段模板線形平順，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 尾水段中心線以上部分砼澆筑

（1）流道尾水段混凝土澆筑前需對模板及支撐系統(tǒng)進(jìn)行檢查，要求模板支撐系統(tǒng)牢固可靠。

（2）流道混凝土澆筑要嚴(yán)格按照施工分層設(shè)計(jì)進(jìn)行分層澆筑。

（3）尾水段頂板混凝土澆筑時，要求混凝土從兩側(cè)均勻向中線澆筑，嚴(yán)格控制澆筑層厚度，頂板厚層澆筑厚度為1m。

（4）澆筑時，要特別注意曲面模板邊混凝土的振搗質(zhì)量，要采取分層加密振搗措施以減少氣泡、蜂窩麻面等出現(xiàn)。

（5）其它混凝土澆筑工藝及注意事項(xiàng)與常規(guī)混凝土澆筑工藝相同。

四、結(jié)語

南寧市邕寧水利樞紐工程流道尾水段混凝土已澆筑完成，混凝土表面光滑、線形平順，各部分幾何尺寸滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，充分說明了鋼筋桁架漸變式組合模板及支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，模板的整體性、安全性及穩(wěn)定性均滿足施工要求。同時，在本工程的檢修廊道、滲漏廊道以及胸腔等異形結(jié)構(gòu)或者曲面結(jié)構(gòu)施工中，我單位也采用了鋼桁架模板進(jìn)行施工，均取得了較好的效果。

通過鋼筋桁架漸變式組合模板及支撐系統(tǒng)在本工程中流道尾水段、檢修廊道、滲漏廊道以及胸腔等部位的施工實(shí)踐，也進(jìn)一步證明，該方案是合理可行的，為各類工程中類似異形漸變段結(jié)構(gòu)或曲面結(jié)構(gòu)施工中模板設(shè)計(jì)與施工提供借鑒與參考，值得推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]水利水電工程施工手冊（第3卷 混凝土工程），中國電力出版社，2002年。

[2]DL/T 5110-2000，水利水電工程模板施工規(guī)范。

[3]JGJ130-2011，建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范。