倒錐殼水塔裝配式環(huán)形可調(diào)節(jié)托架設(shè)計(jì)及應(yīng)用

吳越升WU Yue-sheng；玉鎮(zhèn)熇YU Zhen-he；阮仕鋒RUAN Shi-feng

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，南寧 530012）

0 引言

倒錐殼水塔施工由于其高空作業(yè)特性，一直以來都存在較大的安全隱患，常規(guī)支架現(xiàn)澆工藝已經(jīng)無法滿足當(dāng)下的安全要求，研究出更安全的倒錐殼水塔箱體施工方法迫在眉睫。本文通過分析支模體系，配合“高空作業(yè)平地化”理念，設(shè)計(jì)與之適配的裝置，改善臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)受力情況，提高整體安全穩(wěn)定性，并且將闡述設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際工程情況。

1 工程概況

賀州至巴馬高速公路（來賓至都安段）項(xiàng)目№1 標(biāo)一分部承建一座收費(fèi)站水塔，該水塔建筑高度為33.755m，支筒外徑為2.4m，壁厚180mm，沿筒身豎直方向設(shè)有采光圓形窗口10 個(gè)，支筒、環(huán)板分別采用C35 和C30 混凝土，塔頂水箱下殼壁厚120mm、上殼壁厚80mm，采用S8 抗?jié)B等級(jí)的C30 混凝土。

2 裝配式環(huán)形可調(diào)節(jié)托架設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

通過對(duì)目前已有的常規(guī)支架做法進(jìn)行改進(jìn)，支架不再直接支撐水塔箱體，而是作為“施工平臺(tái)”使用，平臺(tái)滿鋪木板并設(shè)置護(hù)欄，實(shí)現(xiàn)“高空作業(yè)平地化”，將環(huán)梁以上的水塔支撐部分采用環(huán)形托架形式，托架直接放置于支架平臺(tái)上，與平臺(tái)無固定連接，僅有豎向荷載傳遞無水平荷載傳遞至支架，對(duì)比原來立桿直接支撐水箱底面受到水平力作用，大幅提高立桿安全穩(wěn)定性，如圖1 所示。當(dāng)用于地面預(yù)制提升法時(shí)，亦可在硬化平整后的地面上使用托架來完成水箱的地面預(yù)制工序。

圖1 支架平臺(tái)+裝配式環(huán)形可調(diào)節(jié)托架設(shè)計(jì)示意圖

考慮到托架的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、適用性及循環(huán)使用，托架采用桁架片+橫向連接的裝配式設(shè)計(jì)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)拆分為8個(gè)組成部分，分別為下弦桿、腹桿、上弦桿、護(hù)欄、下弦橫連、腹桿橫連、護(hù)欄橫連、環(huán)形鋼管。如圖2 所示。其中下弦桿、腹桿、上弦桿、護(hù)欄、下弦橫連、環(huán)形鋼管需要在鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)行加工制造，腹桿橫連、護(hù)欄橫連采用扣件式鋼管，鋼管可在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裁剪。

圖2 裝配式環(huán)形可調(diào)節(jié)托架細(xì)部詳圖

2.2 上、下弦桿設(shè)計(jì)

下弦桿作為托架底部受力基礎(chǔ)，主要作用為固定腹桿底部節(jié)點(diǎn)位置以及將節(jié)點(diǎn)處集中荷載轉(zhuǎn)換為線荷載向下傳遞，下弦桿長度取決于所用水塔箱體半徑，水塔箱體半徑一般介于3m～6.5m 之間，根據(jù)目前常用水塔型號(hào)，下弦桿設(shè)計(jì)為150m330°水箱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度，可適用于常見的50m3～150m3水箱，對(duì)于較為少見的200m3水箱則需要采用夾板焊接方式對(duì)下弦桿進(jìn)行接長。

上弦桿主要作用為承受水箱鋼筋混凝土荷載，要求上弦桿具有一定的剛度。上弦桿長度與水箱下錐殼長度相適應(yīng)，初始尺寸按照150m330°水箱確定為5.2m，可適用于50m3～150m3水箱，200m3水箱則需要采用夾板焊接方式對(duì)上弦桿進(jìn)行接長。

2.3 腹桿設(shè)計(jì)

腹桿作為上弦的豎向支撐和角度調(diào)節(jié)器，為托架的核心構(gòu)件，腹桿需要具備無級(jí)調(diào)節(jié)功能和足夠的調(diào)節(jié)范圍，腹桿設(shè)計(jì)為鋼管+螺桿形式，鋼管作為不可調(diào)節(jié)部分，在鋼管兩端焊接螺母，螺桿作為可調(diào)節(jié)部分，螺桿擰入鋼管兩端螺母內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)鋼管或者螺母可調(diào)節(jié)螺桿伸出長度。鋼管長度按照30°水箱設(shè)計(jì)，螺桿長度按照45°水箱設(shè)計(jì)。由于腹桿需具備可伸縮性，其余桿件與腹桿均采用銷接連接。每片桁架片從左至右依次設(shè)計(jì)有6 根腹桿，如圖3 所示。

圖3 單個(gè)桁架片腹桿編號(hào)分配圖

2.4 護(hù)欄設(shè)計(jì)

護(hù)欄采用L 字形設(shè)計(jì)，包括底部作為人行平臺(tái)的平臺(tái)桿以及豎直的立桿，平臺(tái)桿與立桿采用焊接固定，為保證平臺(tái)桿的水平以及立桿垂直度，平臺(tái)桿一端與上弦桿端頭連接，另一端與腹桿連接，兩端接頭均采用插銷連接，通過調(diào)整腹桿長度，即可調(diào)整平臺(tái)桿水平。平臺(tái)桿采用具有足夠剛度的槽鋼，考慮立桿后期需采用扣件式鋼管連成整體，立桿亦選用同型號(hào)扣件式鋼管。

2.5 下弦橫連設(shè)計(jì)

為保證托架“基礎(chǔ)”牢固，下弦桿需要采用型鋼連接成整體，保證下弦桿水平穩(wěn)固。橫連有橫桿以及斜桿兩種桿件類型，橫連與下弦桿組合而成水平桁架結(jié)構(gòu)，橫連與下弦桿采用螺栓固定，如圖4 所示。

圖4 下弦橫連平面設(shè)計(jì)圖

2.6 腹桿橫連設(shè)計(jì)

腹桿橫連采用扣件式鋼管，連接相鄰腹桿，控制由上、下弦及腹桿組成的三角桁架片處于豎直狀態(tài)。腹桿橫連有橫桿以及斜桿兩種桿件類型，橫桿采用十字扣件與腹桿連接，斜桿采用旋轉(zhuǎn)扣件與腹桿連接。

2.7 護(hù)欄橫連設(shè)計(jì)

護(hù)欄橫連采用扣件式鋼管，共設(shè)置兩層，護(hù)欄中部及頂部各一層，護(hù)欄橫連采用十字扣件與護(hù)欄相連。

2.8 環(huán)形鋼管設(shè)計(jì)

為保證水箱弧面平順，采用與弧面相適配的環(huán)形鋼管作為水箱模板體系的主梁，鋼管采用常規(guī)扣件式鋼管，利用彎曲機(jī)將其制作成圓形，考慮到運(yùn)輸以及安裝便捷性，將環(huán)形鋼管分割平均成4 段，接口處設(shè)計(jì)為內(nèi)套筒連接。環(huán)形鋼管與上弦桿采用鐵絲綁扎并加設(shè)點(diǎn)焊三角鋼板相連接。

2.9 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

考慮功能性以及安全性，對(duì)桿件所用型鋼類型進(jìn)行選取，并采用有限元軟件Midas Civil 對(duì)其整體建立數(shù)值模型，分析整體強(qiáng)度以及剛度是否滿足規(guī)范要求，結(jié)果如表1 所示。

表1 托架桿件設(shè)計(jì)表

2.9.1荷載設(shè)計(jì)（見表2）

表2 荷載設(shè)計(jì)表

2.9.2模板體系計(jì)算

模板最大跨徑為40cm，結(jié)果如表3 所示。

表3 模板參數(shù)表

按三等跨連續(xù)梁，取1m 單位寬度計(jì)算。

承載能力極限狀態(tài)：

正常使用極限狀態(tài)：

①強(qiáng)度驗(yàn)算。

滿足要求！

②抗剪驗(yàn)算。

滿足要求！

③撓度驗(yàn)算。

滿足要求！

2.9.3小梁驗(yàn)算

小梁按照三等跨連續(xù)梁計(jì)算，每跨跨徑0.65m，結(jié)果如表4 所示。

表4 小梁參數(shù)表

承載能力極限狀態(tài)：

正常使用極限狀態(tài)：

①強(qiáng)度驗(yàn)算。

滿足要求！

②抗剪驗(yàn)算。

滿足要求！

③撓度驗(yàn)算。

滿足要求！

2.9.4Midas 軟件計(jì)算

運(yùn)用MIDAS 根據(jù)建立的整體支架模型輸入相應(yīng)荷載工況并進(jìn)行分析驗(yàn)算。（見圖5）

圖5 裝配式環(huán)形可調(diào)節(jié)托架最大組合應(yīng)力云圖

模板傳遞至環(huán)形鋼管的荷載為：承載能力極限狀態(tài)q1=7.234×0.65=4.702kN/m；正常使用極限狀態(tài)q2=5.612×0.65=3.648kN/m。

承載能力極限狀態(tài)下，整體結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力98.13MPa＜190MPa，驗(yàn)算合格。

其中各桿件應(yīng)力結(jié)果如表5 所示。

由以上可得出，受力較大為上弦桿以及環(huán)形鋼管，兩者均作為主梁承受上部荷載。

3 裝配式環(huán)形可調(diào)托架的應(yīng)用

支架平臺(tái)完成后，開始裝配式環(huán)形可調(diào)托架的安裝。

3.1 安裝下弦桿及下弦橫連

將所有下弦桿及下弦橫連按照設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)至平臺(tái)，人工將所有桿件調(diào)整擺正安裝螺栓并擰緊，整體連接完成后需要對(duì)中心水平位置進(jìn)行調(diào)整，確保結(jié)構(gòu)中心對(duì)齊水塔中心，利用卷尺測(cè)量托架與水塔環(huán)板之間的間隙，人工利用撬棍插入縫隙調(diào)整縫隙寬度，調(diào)整后使用木楔塞入縫隙，所有縫隙寬度應(yīng)相等，誤差不得大于±2mm。

3.2 安裝上弦桿及腹桿

先安裝所有上弦桿以及5 號(hào)腹桿，通過旋轉(zhuǎn)腹桿的鋼管調(diào)節(jié)5 號(hào)腹桿的螺桿伸出長度，使上弦桿呈設(shè)計(jì)角度，之后再陸續(xù)安裝1～4 號(hào)腹桿。

3.3 安裝腹桿橫連

利用水平尺調(diào)整桁架片的豎直度，隨后安裝3 號(hào)腹桿的橫連，采用十字扣件將鋼管與3 號(hào)腹桿相連，安裝過程中應(yīng)實(shí)測(cè)每一片桁架片的豎直度。所有3 號(hào)腹桿橫連完成后再安裝5 號(hào)腹桿橫連，5 號(hào)腹桿橫連包括2 道水平桿和1 道斜桿。

3.4 安裝環(huán)形鋼管

將所有桁架片相互連接固定完成后，托架主體結(jié)構(gòu)已基本成型，開始安裝水箱模板體系的主梁環(huán)形鋼管。先將環(huán)形鋼管放置于上弦桿上，測(cè)量環(huán)形鋼管水平度并進(jìn)行調(diào)整，調(diào)至水平后緊貼環(huán)形鋼管在上弦桿上點(diǎn)焊小鋼板用于固定環(huán)形鋼管防止滑移，如圖6 所示。

圖6 下弦橫連平面示意圖

3.5 安裝模板

模板采用1.5cm 厚竹膠板，竹膠板底下為間距40cm的40mm×60mm 方木，將鐵釘打穿竹膠板插入方木內(nèi)，將方木與竹膠板連成一體，模板接縫處需設(shè)置方木，避免模板懸挑以及控制模板間縫隙，模板縫隙內(nèi)填充玻璃膠，避免水箱弧面漏漿，影響外觀質(zhì)量。

3.6 安裝護(hù)欄及護(hù)欄橫連

護(hù)欄與上弦桿頂端進(jìn)行銷接，再與6 號(hào)腹桿銷接，調(diào)節(jié)6 號(hào)腹桿長度，使用平臺(tái)桿水平，最后裝上2 層護(hù)欄橫連。在平臺(tái)桿上鋪設(shè)竹片腳手板，在立桿上掛設(shè)安全網(wǎng)。

4 結(jié)語

隨著我國的發(fā)展，人民的工作條件逐步改善，人民的生命財(cái)產(chǎn)安全保護(hù)不可侵犯。水塔施工為高危工作，水塔箱體裝配式可調(diào)節(jié)托架的研究，可提高施工的安全性。創(chuàng)新水塔施工新工藝，保障作業(yè)安全性，實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)平地化，可為水塔施工安全標(biāo)準(zhǔn)化施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。