上游調(diào)壓室阻抗板襯砌承重桁架設(shè)計

1、<p>　　上游調(diào)壓室阻抗板襯砌承重桁架設(shè)計</p><p>　　摘 要：錦屏二級水電站上游調(diào)壓室1#豎井自2011年開始進入混凝土襯砌施工，錦屏調(diào)壓室為差動式調(diào)壓室，其阻抗板混凝土澆筑面積較大，厚度為3.0m，為保證阻抗板混凝土澆筑安全順利進行，特別對調(diào)壓室阻抗板混凝土澆筑承重桁架進行了設(shè)計、驗算，以滿足現(xiàn)場實際施工及安全穩(wěn)定需要。 </p><p>　　關(guān)鍵詞： 阻抗板 混凝

2、土澆筑 承重桁架 設(shè)計 </p><p>　　1、工程概況及設(shè)計原始條件 </p><p>　　錦屏二級水電站4條引水隧洞末端各設(shè)有一座上游調(diào)壓室。調(diào)壓室為差動式結(jié)構(gòu)，閘門井兼作升管，為“一洞一室兩機”布置型式。 </p><p>　　調(diào)壓室豎井混凝土施工范圍為豎井阻抗板至啟閉機平臺，高程為1572.20m～EL.1696.5m，總高度約為124.3m。調(diào)壓室底部流

3、道上部布置有阻抗板，阻抗板底高程為EL1572.2，澆筑厚度為3.0m，阻抗板澆筑面積836.4m2。 </p><p>　　由于豎井阻抗板襯砌面積較大，厚度較厚，在阻抗板襯砌施工中，底部支撐結(jié)構(gòu)承重荷載大，為保證施工安全，特對調(diào)壓室阻抗板混凝土澆筑承重桁架進行了設(shè)計、驗算，以滿足現(xiàn)場施工的需要。 </p><p><b>　　2、設(shè)計概況 </b></p>

4、;<p><b>　　2.1 設(shè)計參數(shù) </b></p><p>　　根據(jù)《水利水電工程模板施工規(guī)范》DL/T 5110-2000， 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》（上冊、第三版），《簡明施工手冊》，《材料力學(xué)》等，各荷載參數(shù)經(jīng)計算如下： </p><p>　?。?）鋼筋混凝土自重荷載：25.1kN/m3（普通混凝土自重為24.0kN/m3，板中每立方米混凝土中鋼筋

5、自重標準值為1.1kN，則總荷載為25.1kN）； </p><p>　?。?）模板及鋼結(jié)構(gòu)自重荷載：7.0kN/m2（模板以最重計為300kg/m2，鋼結(jié)構(gòu)為縱向型鋼+綴條+支撐框架等，經(jīng)計算重量為400kg/m2，總荷載為300+400=700kg/m2，即為7.0kN/m2）； </p><p>　?。?）混凝土下料時傾倒荷載標準值：2.0kN/m2（因本工程采用串筒下料，傾倒混凝土

6、時產(chǎn)生的荷載值為2.0kN/m2）； </p><p>　?。?）混凝土施工均布荷載標準值：2.0kN/m2（均布荷載標準值為1.0 kN/m2，這里取施工荷載值為2.0kN/m2） </p><p>　　（5）混凝土振搗施工荷載：2.0kN/m2； </p><p>　　（6）動、靜荷載分項系數(shù)分別為1.4、1.2。 </p><p>　　

7、2.2 桁架基本結(jié)構(gòu) </p><p>　　施工支撐桁架結(jié)構(gòu)采用I22a、∠100*80*6mm、∠75*6mm、[10槽鋼及I12.6工字鋼等型鋼通過焊接連接形成的支撐結(jié)構(gòu)。支撐桁架每榀間距為0.75m，每邊流道布置55榀鋼結(jié)構(gòu)支撐，共110榀；同時，根據(jù)阻抗板結(jié)構(gòu)設(shè)計，在中間分流墩墩首及兩側(cè)邊墻漸變段位置，單榀支撐桁架不好對該部位進行布置，則分別布置單根支撐進行承重，且各榀桁架及單根支撐之間均通過型鋼連接成整

8、體，以保證整體穩(wěn)定性。調(diào)壓室阻抗板承重支撐桁架結(jié)構(gòu)基本形式如下如圖1所示。 </p><p>　　圖1 阻抗板混凝土澆筑承重桁架結(jié)構(gòu)圖（單側(cè)） </p><p>　　每榀支撐立柱間間距為0.75m，桁架各結(jié)構(gòu)之間通過焊接連接，同時，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要，在桁架下部布置有支撐。上鋪[10槽鋼后鋪剛模板澆筑；流道R=1.5m的圓弧段，均采用已制作的異形模板支模，并每隔0.75m在異形模板上下兩端布

9、置I12.6的工字鋼固定模板后用在桁架斜綴條上布置斜撐支撐，同時，異形模板每米采用4根Φ12的圓鋼配合架管、蝴蝶扣內(nèi)拉，并在模板中部布置一道I12.6的工字鋼縱梁支撐模板。支撐桁架均采用Q235的型鋼按圖下料后通過焊接連接，分流墩墩首及流道入口漸變段采用單根立柱支撐后，通過[10槽鋼連接成整體，以保證其整體穩(wěn)定性。 </p><p>　　3、承重桁架設(shè)計、驗算 </p><p><b

10、>　　3.1 荷載計算 </b></p><p>　　因調(diào)壓室阻抗板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，澆筑面積近900m2，且采用CF30W8鋼纖維混凝土澆筑對質(zhì)量要求較高，施工中，阻抗板混凝土采用4臺泵+2臺布料機臺階法一次性澆筑完成。因此，對桁架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算時，以3.0m澆筑厚度進行驗算。 </p><p>　　3.1.1 靜荷載標準值 </p><p><

11、b>　　包括以下內(nèi)容： </b></p><p>　　單榀支撐桁架為一計算單元，根據(jù)流道設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸，澆筑時每榀（0.75m/榀）承受的靜荷載為： </p><p>　?。?）桁架及模板的自重（kN） </p><p>　　NG1 =0.75m*3.0m*7.0kN/m2 =15.75kN； </p><p>　?。?）鋼筋

12、混凝土自重（kN） </p><p>　　NG2 = 25.1kN/m3*0.75m*3.0m*3.0m =169.43kN； </p><p>　　經(jīng)計算得到，靜荷載標準值 NG = NG1+NG2 =185.18kN； </p><p>　　3.1.2 活荷載為施工荷載標準值與振倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載 </p><p>　　經(jīng)計算得到，活荷

13、載標準值： </p><p>　　NQ = （2.0kN/m2+2.0kN/m2+2.0 kN/m2 ）*0.75*3.0m2= 13.5kN； </p><p>　　3.1.3 不考慮風(fēng)荷載時，單榀桁架軸向壓力設(shè)計值計算公式 </p><p>　　N = 1.2NG + 1.4NQ = 241.22kN；取245kN進行計算。 </p><p&

14、gt;　　則頂部通過[10槽鋼各支點傳遞至承重桁架上承載力為245kN/5=49.0kN=4.9t。 </p><p>　　3.2 桁架各桿件內(nèi)力計算 </p><p>　　根據(jù)現(xiàn)場實際情況及桁架頂梁縱向[10槽鋼的布置，其桁架頂部受經(jīng)模板、槽鋼傳遞下來的5個集中荷載Q1作用，腰邊受異形模板支撐架管傳遞到桿件上的集中荷載Q2的作用，其基本受力簡圖如圖2所示。 </p><

15、;p>　　腰邊（FH或NL桿）主要受力為阻抗板施工中的豎向荷載與邊墻側(cè)壓力的合力，以H或L點為研究點，對FH或NL桿進行受力分析，設(shè)合力為N，各分力N1、N2、N3，為保證施工安全，有效避免流道弧形模板跑模，在弧形模板上每平米內(nèi)反向內(nèi)拉4根Φ12的圓鋼，每榀上有2根拉桿，查材料力學(xué)得Φ12的許用拉應(yīng)力為[σ]=160MPa=160N/mm2；則2根圓鋼的反向拉力為N3： 　　N3=2*160N/mm2*3.14*（6mm）2=3

16、6kN。 </p><p>　　其中水平面上豎直向下的荷載為N1： </p><p>　　N1=1.2*（25.1kN/m3*0.75m*1.5m*3.0m+7kN/m2**0.75m）+1.4*（6kN/m2**0.75m）=131.33kN； </p><p><b>　　側(cè)壓力為N2：。 </b></p><p>

17、　　則此3力的合力為：。 </p><p>　　那么，根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)計算的原理、各荷載的大小及相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，計算可得阻抗板承重桁架中各桿件的受力情況如圖2所示。 </p><p>　　圖2 桁架結(jié)構(gòu)各桿件受力圖 </p><p>　　由上圖知，此桁架為對稱結(jié)構(gòu)，取桿CJ左側(cè)為研究對象進行計算，其計算結(jié)果如下： </p><p>　　桿FH=10

18、4.3kN（壓）；桿BI=桿DK=0kN（零桿，約束桁架擾曲變形） </p><p>　　桿AH=49.0kN（壓）；桿BH=桿BJ=49.0kN/2cos27°=27.5kN（壓）；桿CJ=49.0kN（壓）。 </p><p>　　以H點為研究對象，則有：（→）； </p><p><b>　　（↓）。 </b></p>

19、;<p>　　以G點為研究對象，以整個桁架為一整體，則有： </p><p>　　FG=（49.0*5kN+104.3*sin43*2-144.64kN*2）/2=49.0kN。 </p><p>　　以J點為研究對象，則有：； </p><p><b>　　。 </b></p><p>　　3.3 桁架各

20、桿件應(yīng)力、強度計算 </p><p>　　由上述各桿件受力情況，計算各桿件及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力如下： </p><p>　　3.3.1 綴條的受壓穩(wěn)定性計算 </p><p>　　因中間各綴條均受壓，其最大壓力為104.3kN（桿件FH、桿件NL），桿件最大長度為1.68m（桿件BH、桿件BJ、桿件DJ、桿件DL），其均為∠75*6mm的等邊角鋼，相關(guān)參數(shù)如下為ix=2.3

21、1cm，A=8.8cm2（根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊（上冊）（第三版），其截面分類為a類）。 </p><p>　　則桿件FH受壓穩(wěn)定性分析如下： </p><p>　?。?）立柱（桿件FH）的穩(wěn)定性計算 </p><p>　　其中：N --立桿的軸心壓力設(shè)計值（kN） </p><p>　　--壓桿的穩(wěn)定系數(shù)，由長細比 Lo/i查表得到計算長度Lo

22、 （m）； i計算立柱的截面慣性半徑（cm）； </p><p>　　A -- 鋼結(jié)構(gòu)凈截面面積（cm2）； </p><p>　　σ-- 鋼結(jié)構(gòu)立柱的抗壓強度計算值 （N/mm2）； </p><p>　　[f]--Q235鋼結(jié)構(gòu)的抗壓強度設(shè)計值 ：[f] =215.0N/mm2。 </p><p>　　根據(jù)材料力學(xué)中壓桿穩(wěn)定的計算長度系數(shù)

23、，阻抗板承重支撐立柱視為2端鉸支，其計算長度系數(shù)μ=1.0，則由材料表可知，桿FH長度為1.02m，則計算長度為1.02m。 </p><p>　　由長細比 Lo/ix=102cm/2.31cm=44.2，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》得到軸心受壓立柱的穩(wěn)定系數(shù)φ= 0.932；為保證施工安全，取安全系數(shù)n=1.5。 </p><p>　　支撐立柱受壓強度計算值為： </p><

24、p>　　=（1.5*1043N）/（0.932*8.8mm2）=190.8N/mm2≤[f]=215.0N/mm2； </p><p>　　同理，計算桿件BH的穩(wěn)定系數(shù)為： </p><p>　　=（1.5*275N）/（0.825*8.8mm2）=56.82N/mm2≤[f]=215.0N/mm2； </p><p>　　計算桿件AH的穩(wěn)定系數(shù)為： <

25、/p><p>　　=（1.5*490N）/（0.863*8.8mm2）=96.8N/mm2≤[f]=215.0N/mm2； </p><p>　　因此，經(jīng)上述復(fù)核計算得桁架中間綴條的穩(wěn)定性系數(shù)σ< [f]，滿足要求。 </p><p>　　3.3.2 立柱的受壓穩(wěn)定性計算 </p><p>　　桁架立柱主要承受H、L點向下傳遞的軸線壓力，其

26、力的大小為N=144.64kN； </p><p>　　其立柱采用I22a工字鋼支撐，相關(guān)參數(shù)如下為ix=8.99cm，A=42cm2（根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊（上冊）（第三版），其截面分類為a類），長度為5.7m。 </p><p>　　則桿件FH受壓穩(wěn)定性分析如下： </p><p>　　（1）、立柱（桿件FH）的穩(wěn)定性計算 </p><p>

27、　　根據(jù)材料力學(xué)中壓桿穩(wěn)定的計算長度系數(shù)，阻抗板承重支撐立柱視為一端固定，一端鉸支，其計算長度系數(shù)μ=2.0，則由材料表可知，則計算長度為5.7*2m。 </p><p>　　由長細比 Lo/ix=570*2cm/8.99cm=63.4，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》得到軸心受壓立柱的穩(wěn)定系數(shù)φ= 0.451；為保證施工安全，取安全系數(shù)n=2.0。 </p><p>　　支撐立柱受壓強度計算值為：

28、</p><p>　　=（2.0*1446.4N）/（0.451*42mm2）=152.7N/mm2≤[f]=215.0N/mm2； </p><p>　　因此，經(jīng)上述復(fù)核計算得桁架立柱的穩(wěn)定性系數(shù)σ< [f]，滿足要求。 </p><p>　　3.4 主梁強度驗算 </p><p>　　根據(jù)桁架內(nèi)力計算分析，影響主梁彎曲變形的荷載為J

29、點的豎向荷載；荷載大小為98.0kN，主梁采用I25a工字鋼，其跨度為3.0m；材料相關(guān)參數(shù)為：Ix=5020cm4；Wx= 402cm3；Sx= 230.7cm3；材料的塑性發(fā)展系數(shù)為1.05，擾度控制值為L/500。 </p><p>　　其受力分析計算如下： </p><p>　?。?）支座反力：RA=RB =49.0kN； </p><p>　?。?）最大彎

30、矩：Mmax = P*L/4 =67.38KN?m； </p><p>　?。?）彎曲正應(yīng)力：σmax = Mmax / （γx * Wx）=159.62N/mm2； </p><p>　?。?）剪應(yīng)力：τA =τB =RASx/（Ix * tw）=28.15N/mm2； </p><p>　?。?）最大撓度：fmax = PL3 /48EI=4.11mm； <

31、;/p><p>　　（6）相對撓度：v = fmax /L =1/669.8； </p><p>　　彎曲正應(yīng)力：：σmax = 159.62N/mm2 < 抗彎設(shè)計值f =215 N/mm2； </p><p>　　支座最大剪應(yīng)力：σmax =28.15N/mm2 < 抗剪設(shè)計值 fv =125N/mm2； </p><p>　　跨

32、中撓度相對值 v=L/669.8< 撓度控制值[v]=L/ 500； </p><p>　　因此，桁架主梁的承載力經(jīng)計算滿足要求。 </p><p><b>　　4、結(jié)語 </b></p><p>　　在調(diào)壓室阻抗板混凝土施工中，通過上述對承重排架的設(shè)計驗算，其相關(guān)受力均能滿足要求，且經(jīng)核算后，能夠滿足一次性澆筑厚度3.0m的要求，且采用

33、鋼結(jié)構(gòu)桁架承重相比滿堂腳手架具有承載力大、安拆施工機械化程度高、施工方便、質(zhì)量控制容易、人為因素帶來的安全隱患降低等特點；同時，該鋼結(jié)構(gòu)支撐桁架可周轉(zhuǎn)使用，有效降低施工成本，提高了施工進度和安全。 </p><p><b>　　作者簡介： </b></p><p>　　周建文（1979.4-）男，湖南新化，項目部常務(wù)副經(jīng)理，工程師，從事施工項目管理工作</p&g