蘇布雷水電站主廠房橋機梁現澆工藝設計與研究

宋 建 威, 王 建 正， 劉 艷 麗

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

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蘇布雷水電站主廠房橋機梁現澆工藝設計與研究

宋 建 威, 王 建 正， 劉 艷 麗

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

蘇布雷水電站主廠房橋機T梁施工選擇在高空薄壁墻體上布置支撐體系以實現高空現澆。對該施工工藝的關鍵點進行了詳細設計，從PVC高分子模板使用、到支撐體系布置逐一進行受力計算與分析。鑒于支撐體系對高空墻體產生的較大偏心荷載，引入了有限元分析理念，采用Midas Gen軟件，對高空薄壁墻體進行了安全性受力分析研究。

蘇布雷水電站；橋機梁；高空；托架；現澆；PVC高分子模板；MIDAS

1 工程概述

科特迪瓦蘇布雷水電站主廠房為壩后式廠房，設置有三臺單機容量為90 MW水輪機組，前后設有副廠房，滿足輔機設備安裝、控制、辦公等功能需求。主廠房結構類型為排架結構，地面以下部分深度為39 m，地面以上部分高度為20 m，主廠房屋面為網架結構，跨度為21.5 m，坐落在主廠房上下游混凝土邊墻上。

主廠房上下游墻長度為109.3 m，間距為21.5 m，上下游墻最大高度為36.6 m，其中地面(高程115.5 m)以下部分為17.1 m，地面以上部分為19.5 m，從高程108.7 m至125.75 m按設計間距布置排架柱，其余部分均為實心混凝土墻，墻體厚度有三種：從98.4 m至108.7 m高程混凝土墻體厚度為1 m，從108.7 m至133 m高程墻體厚度為0.5 m，從133 m至135 m高程墻體厚度為0.4 m。在125.75 m高程上(即排架牛腿上)布置了2 m高的混凝土T型梁，在T型梁上安裝鋼軌，作為400 t橋機的行走軌道，上下游墻剖面尺寸見圖1。

2 施工方案初選

橋機T梁共有28榀，其中單榀最大重量為36 t，在主廠房施工區域安裝有型號為MQ900B的門機一臺，但門機最大起吊能力為30 t。若選擇汽車吊，則受廠房周邊場地狹小的因素影響，尤其是下游尾水平臺無車輛行走通道，因此，主廠房橋機T梁的施工必須選擇現澆方式完成。對于現澆方式的支撐體系，若采用滿堂紅腳手架支撐體系，存在高寬比過大、安全風險大等因素，且下部為蝸殼等金屬結構，存在施工相互干擾的問題，因此，我們提出了一種在高空薄壁混凝土墻上設置支撐體系的現澆方式，在保障施工安全、墻體結構穩定的情況下，免除了與蝸殼金屬結構安裝的相互干擾。

圖1 主廠房上下游墻剖面總圖

3 高空現澆方案的設計

在T梁高空現澆方案設計中，支撐體系和模板設計為最重要的兩項內容，其中支撐體系又分高空托架設計和小型滿堂紅設計，T梁現澆方案組成結構見圖2。

3.1 高空托架設計

高空托架是支撐體系的核心，是關系到整個現澆施工工藝安全性的關鍵，因此，每項細節設計都至關重要。高空托架采用方鋼加工，呈三角形，短邊為1.6 m，長邊為2 m，剛度和強度高，受力合理。高空托架與墻體的連接通過預埋爬錐實現。預埋爬錐件承受所有上部荷載且受力點集中，同時，鑒于墻體厚度僅為0.5 m，因此，需要特制L型爬錐預埋件以延長爬錐桿件埋入混凝土墻中的深度。

L型爬錐預埋件采用高強螺紋鋼制作，長邊40 cm，短邊25 cm，短邊朝向下側埋設。爬錐和三角托架埋設的間距需要與頂部小型滿堂紅腳手架的縱距保持一致，以便于腳手架的搭設與固定，因此，爬錐和三角托架的設計間距初選為0.5 m，二者的布置高程為123.55 m(即T梁底部2 m處)，預留出小型滿堂架和操作平臺的搭設空間。

3.2 小型滿堂架的設計

小型滿堂架在整個支撐體系中起著承上啟下的作用，既承受T梁施工過程中的恒載、活載和施工荷載，又將上部所有荷載按照立桿間距均勻向下傳遞，因此，小型滿堂架的設計要遵循“對稱、合理、安全”的原則。小型滿堂架的設計參數初選如下：桿件材質采用φ48×3.5型號鋼管，立桿橫距為0.5 m，立桿縱距為0.5 m，立桿步距為0.8 m，同時，立桿上下分別使用頂托和底托，以優化荷載分散。

3.3 橋機T梁模板的設計

橋機T梁外側為永久外露面。為保證混凝土外觀質量，選擇PVC高分子材料作為T梁外模。PVC高分子模板為新一代環保建筑材料，具有外表光滑平整、高阻燃、吸水不變形、重復次數多及可回收使用等特點，與傳統模板材料相比，具有較高的優越性。通過表1對比得知：PVC高分子模板各項性能指數均優，但模板剛度不足，為了彌補這一缺點，我們對模板支撐體系進行了設計，選擇40 mm×60 mm、2.5 mm厚的輕型方鋼管加工制作模板龍骨排架，龍骨排架水平間距為0.3 m，用鉚釘將高分子PVC模板固定在龍骨排架上，形成單塊長度為1.8 m的整體式模板，以便于轉運與安拆。PVC高分子模板加固采用高強度螺桿對拉的方式。高強度對拉螺桿具有強度高、可周轉、模板開孔數量少等優點，在混凝土薄壁結構的模板加固中優先選擇。在PVC高分子模板加固工藝中，M14高強螺桿間距初選為0.7 m×1 m，在橋機T梁內側布設PVC套管，以便于在橋機T梁澆筑完成后拆除高強螺桿。

表1 PVC高分子模板與其他材質模板綜合指標對比表

4 力學驗算

4.1 PVC高分子模板的驗算

4.1.1 混凝土對模板側壓力的計算

新澆筑混凝土作用于模板上的最大側壓力計算是驗算模板系統的基礎，根據《混凝土結構工程施工及驗收規范》，最大側壓力值取兩個公式計算結果的最小值，計算公式及結果如下：

式中 pc為新澆筑混凝土對模板的最大側壓力，單位kN/m2；γc為混凝土重力密度，取26kN/m3；t0為新澆筑混凝土的初凝時間，取6h；β1為外加劑影響修正系數，取1.2；β2為混凝土塌落度影響修正系數，取1.15；V為混凝土的澆筑速度，取0.5 m/h；

4.1.2 高強度螺桿的驗算

M14高強對拉螺桿性能級別為8.8級，抗拉強度為800 MPa，所能承受的拉應力計算公式及結果如下：

式中σl為單根M14高強度螺桿所承受的拉應力,單位為kN/m2；pc為新澆筑混凝土對模板的最大側壓力，取33.5 kN/m2；s為M14高強度螺桿的截面面積，取153.86×10-3m2；a為M14高強度螺桿布置的橫距，取1 m；b為M14高強度螺桿布置的橫距，取0.7 m；[σl]為M14高強度螺桿的抗拉強度，取800 MPa。

圖2 T梁現澆方案設計圖

從以上計算結果判斷：高強度對拉螺桿的布置間距合理，滿足安全性要求。

4.1.3 PVC高分子模板的驗算

PVC高分子模板的強度計算公式及結果為：

式中σm為PVC高分子模板截面強度，單位為N/mm；M為PVC高分子模板計算的最大彎矩，單位為N·mm；W為PVC高分子模板的抵抗矩，計算取值為66 667 mm3；q1為作用在PVC高分子模板的線性荷載(考慮振動荷載作用)，計算取值為45.8 N·m；l為龍骨排架的水平間距，取0.3 m；[σm]為PVC高分子模板的抗拉強度，取15 MPa。

PVC高分子模板的剛度計算公式及結果為：

式中wm為PVC高分子模板的計算撓度，單位為mm；q2為作用在PVC高分子模板的線性荷載(不考慮振動荷載作用)，計算取值為33.5N·m；l為龍骨排架的水平間距，取值為0.3 m；E為PVC高分子模板的彈性模量，取值為4 180 MPa；I為PVC高分子模板的截面慣性矩，計算取值為

666 667mm4；[wm]為PVC高分子模板的允許撓度(l/400)，計算取值為0.75 mm。

根據以上計算結果、在龍骨排架間距選擇為0.3 m的情況下，PVC模板的強度和剛度計算均滿足要求。

4.2 支撐系統的驗算

4.2.1 三角托架的受力計算

三角托架共承受三部分荷載，即恒載Q1、均布活載Q2和施工荷載Q3。其中，恒載Q1包括T梁混凝土自重、模板自重及滿堂架自重等，施工荷載Q3包括混凝土下料荷載和振搗荷載。在單個三角托架受力模型分析中，我們假設所有荷載按最不合理組合后，在四個立桿位置以集中力P的形式傳遞到三角托架上，三角托架受力模型如圖3所示，集中力P計算結果為：

式中 P為通過立桿傳遞至托架上的集中力，單位kN；Q1為三角托架以上的所有恒載，取51.1kN/m；Q2為三角托架以上所有的均布活載，取3.9kN/m；Q3為三角托架以上所有的施工荷載，取9.1kN/m；L0為三角托架縱向間距，取0.5m。

三角托架采用100mm×100mm×5mm的方鋼管加工制做而成，桿件在荷載作業下發生撓度變形，經結構力學計算，桿件1的最大撓度v=2.5mm，而桿件撓度允許值[v]=L/400=3.8(mm)，即托架桿件變形值滿足設計要求，三角托架位移分析見圖4。

4.2.2L型爬錐預埋件的受力計算

L型爬錐預埋件采用科特迪瓦當地型號為FeE-500的螺紋鋼制作，屈服強度為500MPa，符合法國規范NF-A-50-016要求。預埋件直徑為25mm，呈直角彎鉤狀埋入混凝土中，錨固總長度為650mm如圖5所示。L型爬錐預埋件所承受的拉力以及爬錐所承受的剪力來自于三角托架，因此，可以通過建立受力模型、經結構力學計算獲得三角托架支座處的所有受力(圖6)，其計算結果如下：

N1=14.91kN;N2=19.88kN;N3=14.91kN

式中 N1為三角托架對爬錐及預埋件產生的拉力；N2為三角托架對爬錐產生的拉力;N3為三角托架對混凝土墻體產生的局部壓力。

圖3 三角托架受力模型圖

圖4 三角托架位移分析圖

圖5 L型爬錐預埋件簡圖

L型爬錐預埋件的受力驗算可以通過計算預埋件與混凝土的粘結力并與所承受的水平拉力進行對比，計算結果如下：

Fa=πdlmτb=127.6 kN>N1

式中Fa為L型爬錐預埋件與混凝土的粘結力，

圖6 三角托架支座處受力模型圖

單位為kN；d為L型爬錐預埋件直徑，取25 mm；lm為L型爬錐預埋件長度，取650 mm；τb為L型預埋件與混凝土粘結強度，取2.5 N/mm2。

從計算結果得知：L型爬錐預埋件與混凝土粘結力大于所承受的水平拉力，判斷L型爬錐預埋件受力計算結果滿足要求。

4.2.3 爬錐受力計算

爬錐主要承受三角托架對其產生的剪應力和拉應力，對爬錐的抗剪、抗拉驗算如下：

式中 τp為爬錐計算剪應力，單位為N/mm2；σp為爬錐計算拉應力，單位為N/mm2；A1為爬錐截面面積，取1 071.4mm2；τ0為爬錐抗剪強度設計值，取450N/mm2；σ0為爬錐抗拉強度設計值，取900N/mm2。

從計算結果得知：爬錐所承受的實際剪應力和拉應力均小于設計值，受力計算結果滿足要求。

4.2.4 混凝土局部受壓計算

由于三角托架底部支座直接壓在混凝土墻上，且因二者接觸面積較小，故有必對混凝土局部受壓承載力進行驗算，計算公式及結果如下：

N0=1.35β1βcfcA2=290.3(kN)>N3

式中 N0為三角托架支座范圍內的混凝土局部受壓承載力，單位為kN；β1為混凝土局部受壓時的強度提高系數，取2；βc為混凝土強度影響系數，取0.94；fc為混凝土抗壓強度設計值，取14.3N/mm2；A2為三角托架支座與混凝土墻的接觸面積，取8 000mm2。

從計算結果得知：三角托架支座范圍內的混凝土局部受壓承載力大于托架傳遞來的壓力，因此，三角托架底部支座處的混凝土局部抗壓驗算滿足要求。

4.3 高空薄壁墻體安全性驗算

在高空薄壁墻體上搭建支撐體系平臺并完成T梁混凝土澆筑，其各類荷載組合對高空薄壁墻體本身結構安全性的影響務必進行建模驗算。鑒于高空薄壁墻體結構復雜且荷載方向具有空間多向性，我們考慮采用MidasGen軟件進行三維有限元建模，模擬各類荷載工況與組合，系統分析高空薄壁墻體各部位內力分布狀況及結構物變形位移。

4.3.1 三維有限元建模

Midas Gen軟件具有強大的三維建模功能，根據高空薄壁墻體的設計結構尺寸，定義結構物的特征節點和單元并定義各單元相對應的材料特性、墻體厚度和截面形式，經過單元分割、材料和截面分配后，最終形成三維有限元模型。在建模過程中，可以通過三維透視、消隱和渲染功能下實時查看建模狀況，可以對出現偏差的單元進行實時檢查與糾正，高空薄壁混凝土墻體三維有限元模型見圖7。

圖7 墻體三維有限元模型圖

4.3.2 荷載及支承分布

上游墻所承受的外部荷載主要是通過三角托架支座傳遞而來，在Midas Gen有限元模型荷載定義時，考慮了三種外部荷載、一種最不利荷載組合。三種外部荷載，即：恒載、活載和施工荷載；而最不利荷載組合=1.2恒載+1.4(活載+施工荷載)。各類外部荷載按照實際位置進行布置，形成整個高空薄壁墻體荷載分布模型。墻體有限元支承布置均按底部固結考慮，高空薄壁墻體荷載及支承分布情況見圖8。

圖8 模型荷載及支承分布圖

4.3.3 墻體及排架柱內力分析

Midas Gen軟件可以查看在各類荷載或荷載組合作用下的單元內力信息，所有數值可以在三維有限元模型上以數字、等值線及顏色填充的方式展現，必要時可以沿三維模型任意方向和角度切割，繪制內力縱斷面，把整個三維有限元模型上受力最不利的位置反映出來。鑒于高空薄壁墻體承受偏心外部荷載，在三維有限元模型分析中，著重關注墻體所承受的最大彎矩值，并以此彎矩值計算出相應位置的理論配筋面積，理論配筋面積與實際配筋面積的對比結果將決定高空薄壁墻體的安全性。

從墻體內力圖(圖9)和排架柱內力圖(圖10)中得知：在最不利荷載作用下，最大彎矩值出現在墻體厚度變化處，最大彎矩值Mmax=125.58 kN·m/m。根據歐洲the concrete center 認證的spreadsheet計算程序獲得該部位理論配筋面積AS0=662 mm2，而實際墻 體 配 筋 面 積AS1=2 090 mm2，大于理論配筋面積，因此而判斷墻體內力驗算滿足要求。

圖9 墻體內力分布圖

圖10 排架柱內力分布圖

5 結 語

通過對蘇布雷水電站利用高空薄壁混凝土墻實現橋機T梁現澆工藝的設計與論證，同時結合現場對該方案實施后的反饋，可以總結出以下幾點：

(1)安全方面。

無論是通過理論計算和分析，還是實踐過程中的觀察與反饋，該工藝的安全性符合要求，支撐體系牢固可靠，對高空墻體結構物的影響非常小，不會對永久結構物發生破壞的現象及可能性。

(2)施工方面。

該高空托架操作平臺搭設簡便易行，同時不侵占廠房內部空間，不影響廠房內部蝸殼的安裝和焊接，既節約土建施工的工期和成本，又為金結機電安裝提前創造了良好的工作空間，對水電站主廠房整體工程進度的確保做出了巨大貢獻。

(3)材料方面。

該工藝采用了PVC高分子模板新材料，實踐證明：橋機T梁混凝土外觀質量達到優良級別，在確保外觀質量的前提下，實現了成本可控、綠色環保的宗旨，為新材料的實踐與推廣做出了新的嘗試與努力。

(責任編輯：李燕輝)

西藏開建世界上海拔最高的電網工程

總投資達162億元(人民幣，下同)的西藏電網藏中聯網工程于4月6日在西藏林芝開工。該工程是世界上海拔最高、海拔跨度最大的高原輸變電工程，建成后將實現青藏聯網工程與川藏聯網工程互聯，進一步滿足西藏中部的電力需求。藏中聯網工程由西藏藏中和昌都電網聯網工程、川藏鐵路拉薩至林芝段供電工程組成，起于西藏昌都市芒康縣，止于山南市桑日縣，跨越西藏三市地十縣區，計劃于2018年建成投運。藏中聯網工程地處青藏高原中東部，工程沿線平均作業海拔超過4 000米，最高塔位東達山海拔5 295米，芒康500千伏變電站海拔4 295米，建成后將分別成為世界海拔最高的500千伏輸電塔位和世界海拔最高的500千伏變電站。目前，占林芝市面積約70%的墨脫縣、波密縣和察隅縣尚未納入西藏主電網覆蓋范圍，藏中聯網工程可實現該3縣8萬余人納入主電網，從而擴大西藏主電網覆蓋區域并為西藏農村電網升級改造提供電源保障。2011年與2014年，西藏分別建成青藏聯網工程與川藏聯網工程，基本解決了西藏中部和東部缺電問題。而藏中聯網工程的建設將成為連接青藏和川藏電網的中樞，保障未來川藏鐵路、滇藏鐵路的供電需要。藏中聯網工程建設指揮部總指揮王抒祥指出，今年建設藏中聯網和拉林鐵路的配套工程，將使整個西藏形成和內地連起來的大電網，既滿足西藏經濟社會對電力的需求，也能滿足西藏豐富光伏資源、大量水電資源的開發，具有重要的戰略意義。

2017-04-23

TV7;TV52;TV51

B

1001-2184(2017)03-0104-06

宋建威(1986-)，男，河南周口人，項目總經理助理，工程師，學士，從事水利水電、公路與鐵路等國際工程項目技術與管理工作;

王建正(1991-)，男，河北南宮人，項目科長，助理工程師，從事水利水電工程機電安裝及金屬結構安裝技術與管理工作;

劉艷麗(1990-)，女，河南開封人，項目副科長，助理工程師，從事水利水電工程設計與管理工作.