大跨度、高悬空、大截面混凝土井字梁模板支撑体系设计.pdf

2 0 1 1 年 第 3 0卷 第 3 期 D WR HE 水利 水 电工程 设计 大跨度 、高悬空 、大截面混凝土 井字梁模板支撑体系设计 鲜世雄周艳 平 熊 亮 摘要 龙江水电站枢纽工程引水 系统拦污栅筒体 内设计有 2层联系梁，高程分别位于 8 4 4 5 08 4 7 0 0 m和 8 5 9 0 o 8 6 1 50 m，联系梁呈 “ 井”字状。8 4 7 0 m高程联系梁由3条主梁和 2 条次梁组成，主梁横截面尺寸为 1 50 c m2 5 0 e m( 宽 高) ，梁跨度为 25 m，次梁横截面为 1 0 0 c m 2 5 0 c m ( 宽 高) ，梁跨度为 2 4 5 m；8 6 1 5 r n 高程联系 梁主、次梁截面相同，均为 1 0 0 e m2 5 0 e m( 宽 高) ，主梁跨度为 25 m，次梁跨度为 2 4 5 m 。主要介绍了8 4 7 0 0 m 高程联系梁采用斜拉索吊 模法支撑结构的设计难点、方案选择、结构设计及验算，从而解决了该部位混凝土支撑结 构的重大难题，为类似工程可提供参考依据。 关键词 井字梁 支撑设计施工方案 斜拉索支撑 龙江水电站 中图分类号T V 5 2 文献标识码B 文章编号1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 0 7 0 5 龙江水电站枢纽工程位于云南省德宏傣族景颇 族 自治州潞西市境 内的龙江干流上 。枢纽由混凝土 双曲拱坝、左岸引水系统及地面式厂房组成 。总库 容 l 2 1 71 0 s r n 3 ，为大(工) 型一 等工程。坝 顶高 程 8 7 5 0 0 m，最大坝高 1 1 5 m。 引水系统布置在左岸山体 内，由进水 口、引水 隧洞及压力管道组成 。进水 口为塔式结构 ，主要 由 进水 口边墙 、拦污栅墩、进水 口塔体内联系梁及进 水 口闸门启闭机房等构成。 引水系统拦污栅筒体内设计有 2 层井字联系梁 与顶部检修平台，联系梁高程分别位于 8 4 4 5 0 8 4 7 0 0 m和 8 5 9 0 0 8 6 1 5 0 m，联系梁呈 “ 井 ”字 状。8 4 7 0 m高程联 系梁 由 3条主梁和 2条次梁组 成 ，主梁横截面尺寸为 1 5 0 e m2 5 0 c m( 宽 高 ) ， 梁跨度为 2 5 m；次梁横截面为 1 0 0 e m x 2 5 0 c r l l ( 宽 高) ，梁跨度为 2 4 5 m，间距为 8 m；8 6 1 5 m高程 联系梁 主、次梁截 面相 同，均为 1 0 0 c m2 5 0 c m ( 宽 高) ，主梁跨度为 2 5 m ，次梁跨度为 2 4 5 m； 顶部检修平台在 8 7 5 0 0 m高程 4 个角上各布置了 1 根梁 ，形成 4 个三角形 ，梁的断面尺寸为1 0 0 e m 2 4 5 c m( 宽 高 ) ，板厚 2 5 e m，靠近拦污栅侧 2根 梁跨度为 l 2 3 0 m，另外 2 根梁跨度为 1 3 5 0 m。 进水 口纵 剖面 图、8 4 7 0 0 m高程 联系梁 平面 图、8 7 5 0 0 m平面图见图 1 3 。 1 支撑设计难点 ( 1 )施工高度大：8 4 7 0 0 m井字梁底部高程为 8 4 4 5 0 m，下部悬空 ，且 8 2 3 0 0 m高程 以下为漏斗 型流道 ，净高达 5 4 5 m( 图1 ) 。 V8 9 4 0 0 一 _ w ， 890 0一0 军 I787800 撑 w 7 5 0 0 。 I ： - o 銮 I 口 I ： ， 搓 7 景 n = f 拱 l l 251 1 J1 I l 0 ! I 坝 昌 -_ 。J 。譬 苤 琴 量 丑 景 l I 2 m I1 3 N I l 景 一 。 。l 。 虽 量 ； y _ - 拦污 衄嚆 板高 程。 0 暑 J m 一 丘 口 ； 0 2 ! 10 0 l ： 1 1 一 雇 n 9 0 0 0 闸 门 井 雇 板 高 程、 、 一l 皿 幽 _j u u H 图 l 进水 口纵剖面 ( 单位 ：一 ) ( 2 )跨度大：8 4 7 0 0 m和 8 6 1 5 O m高程两层 井子梁纵横正交 ，顺水流方向主梁净跨度 2 7 0 0 m， 与主梁正交次梁净跨度 2 4 5 O m( 图2 ) 。 ( 3 )结构 自重大：以 8 4 7 0 0 m高程联系梁为 例，其结构总质量约为 9 9 9 1 8 5 t 。 ( 4 )结构下部悬空： 8 7 5 0 o m高程联系梁及板 下部悬空，无支撑点( 图3 ) 。 水利 水 电工程设 计D WR H E 2 0 1 1 年 第3 0卷 第 3 期 2 2 0 0 7 5 0 8 O O 7 5 0 2 ( 】 ( ) l 喜_ l l Il 1 3钔 300 200 l l J 馨 l 虱 虽 J 馨 1 彀 虱 S 广 r 1 f 1 l f L - L j L I l 】 野 C j I 5 i 酮 70 0自 图 2 进水 口 剖面 图 ( 单位 ：s l n ) 图 3 进水口8 7 5 m高程检修平台平面布置图 ( 单位：( I n ) 2 1 8 4 7 0 0 m 该层梁是整个进水 口3 层联系梁施工的关键，上 部 2 层联系梁可在此基础上作为支撑点，但施工如此大 跨度、高架空的现浇钢筋混凝土大梁，国内水电施工也 没有施工先例可参照。选用何种支撑方案，既能确保安 全、质量，又能确保工期，是施工中的一大难题。按常 台支撑方案，耗用钢管 数量大、搭设工期长，无法满足成本和工期的要求。同 时因下部为进水 口的曲线流道结构，钢管无支撑着力 点，结构本身的自稳难以保证。在工地现有的条件下， 要完成8 4 7 0 0 m高程联系梁的施工任务，并能按期完 成，只有另辟途径，由此联想工程 匕 常用的斜拉索桥的 结构原理，并咨询中水东北勘测设计有限公司专家与现 场设代人员，采用斜拉索吊模法进行8 4 7 0 0 m高程联系 梁的施工。 2 2 吲 5 0m 以 8 4 7 0 O m高程井字联系梁为基础支撑点，采用 承重脚手架的支撑方案，同时在得到业主、 设计及监理 的认同下，采取以下措施 ：( 1 ) 为保证 8 4 7 0 0 m高程联 系梁作为上部联系梁施工支 点结构 自 身的稳定，将原 设计 C 2 O混凝 土改为 C 3 0标号 ，该 联系梁施 工时， 8 4 7 0 0 m高程联系梁达到 7 d强度后进行上部支撑体系 的搭设及施工，根据试验数据，C 3 0 混凝土 7 d的强度 可达到约 2 2 M P a ；( 2 ) 8 4 7 0 0 m高程联系梁下部斜拉索 吊模支撑体系不进行拆除，与该梁形成联合受力体结 构；( 3 ) 为降低施工难度，减轻施工荷载，8 6 1 5 0 m高 ， 一 期浇筑高度为 1 5 m， 二期浇筑高度为 1 0 m 。 2 3 8 7 5 0 0 m高程检修平台板、梁施工支撑方案选择 以8 6 1 5 0 m高程井字梁四角顺水流方向铺设断面 为 1 0 m X 1 0 m钢桁架，钢桁架利用前期滑模模体框 架，其结构验算满足支撑承载要求，以钢桁架为支承梁 搭设承重脚手架进行上部 8 7 5 0 0 m高程联系梁及板施 工 。 本文重点详述 8 4 6 0 0 m高程井字梁斜拉索吊模支 撑方案设计 ，8 6 1 5 0m高程井字梁与 8 7 5 0 0m顶部检修 平台支撑采用传统的承重脚手架支撑方案， 限于篇幅本 文不再详述。 3 8 4 7 0 0 m高程联系梁斜拉索吊模支撑方案的 设计 3 1 斜拉索支撑方案的设计综述 前期在井筒墙体滑模施工过程中安装预埋件焊接 双钢板穿钢棒作为上吊环，在连系梁底部铺设钢梁， 钢梁上焊接焊接双钢板穿钢棒作为下 吊环，上、下吊 环采用 3 4 m m钢丝绳斜拉形成主、次梁整个模板支 撑系统，钢丝绳张紧采用 自制花篮螺栓进行紧固。 3 2 斜拉索支撑方案的细部结构设计 3 2 1 墙体预埋件设计 预埋件采 用 3 0 0 m i n X 3 0 0 i n n l x 1 0 n l l n钢板 ， 锚筋采用 6根 2 5 m n l 螺纹钢 ，与钢板穿孔塞焊 ， 钢筋与钢板连接处焊缝高度不小于 8 c m。 3 2 2 侧墙上吊环设计 上部吊环焊接 在墙体预埋钢板 上 ，焊接 吊环 时，根据钢梁支座位置进行放点。吊环采用 2 块 1 5 c m X 2 5 c m X 2 c m( 宽 X高 X厚 ) 钢板 ，其中间部 位钻设 5 l i n I n孔 ，将 5 0 m n l 钢棒穿人 吊孔 中形 成吊点， 2 块钢板横向间距为 8 c m ，竖向吊环间距 鲜世雄等 大 跨度 、高悬空 、大截 面混凝 土井 字 梁模板 支 撑体 系设 计 为 2 0 m，连接钢棒长 1 5 e m，吊环焊缝高度不应 小于 1 5 m m。 3 2 3 井子梁支撑钢梁及下 吊环设计 3 2 3 1 主梁支撑钢梁及下吊环设计 主梁斜拉索 吊模的设计共在梁底部铺设 3层工 字钢( 如图4 、 5 所示 ) 。 自上而下第 1 层采用 I 1 8工 字钢，垂直于主梁方向布置，长度 1 7 m，横向间 距为 7 5 0n l n ，上部铺设建筑标准钢模板形成底模。 第 2层采用 2根 I 2 5 a 工字钢 ，作为主支撑 系统 ，横 向间距 1 3 8 4 m，两端与支 座焊 接，支座采 用 2 5 a 工字钢，长度 2 5 e m ( 支座与墙体预埋板焊接) ，第 3层采用 H W2 5 0 x 2 5 0工字钢 ，长度 2 2 m，纵 向间 距 2 0 m，垂直于第 2 层工字钢方向布置 ，下部 吊 环位置设 在该 道工字钢上 ，上、下 吊环形式相 同， 左右 吊环间距 1 8 4 m。 第 1 层工字钢与第 2层工字钢采用断焊连接 ， 仅起固定作用；由于吊点设在第 3 层工字钢上，故 第 2层工字钢与第 3 层工字钢四周均采用满焊 ，焊 缝高度不低于 8 l n l n 。同时在第 3层工字钢设 吊环 部位腹板部位加设两块 1 0 l n l n 厚加劲钢板，以保证 承受拉力时在该部位发生局部变形破坏。 主梁斜拉索支撑方案设计见 图 4 、5 。 图 4 主梁斜 拉索吊模 结构 图 ( 单位 ：c m ) 图 5 主梁斜拉 索支撑剖 面图 ( 单位 ：e m) 3 2 3 2 次梁支撑钢梁及下吊环设计 同主梁方案，先在两端焊接 I 2 5 a 钢支座。再 铺设 I 2 5 a 工 字钢，长度 2 5 m。下部 吊点设在 I 2 5 a 支座上，上部吊点设在墙体预埋钢板上，采用 3 4 rr lm钢丝绳斜拉形成次梁整个模板支撑系统。沿已 铺设工字钢垂直方向设置 1 1 8工字钢，横向间距 6 0 0 1 l l n ，上部铺设 建筑标 准钢模板 形成底模 ，侧 模铺设在 I 1 8 工字钢上。吊环形式同墙体吊环。 次梁斜拉索支撑方案设计见图 6 、7 。 图6 次梁斜拉索吊模结构图 ( 单位：一) 图7 次梁斜拉索支撑剖面图 ( 单位：e m ) 3 2 4 花篮螺栓设计 花篮螺栓主要起钢丝绳张紧的作用 ，在整个斜 拉索支撑方案中起着至关重要的作用 ，而单 吊点承 受 2 0 0 k N的花篮调节螺栓市场上无现货 ，需从厂 家定做，但加工周期长，影响下闸蓄水节点目标， 同时价格 昂贵。由于属于一次性投人 ，综合考虑施 工成本 、施工工期等因素 ，决定采用 自制花篮螺栓 进行钢索的张紧，可调节余度为 6 0 c m ，自制花篮 螺栓设计见图 8 。 图8 自制花篮螺栓组装图 ( 单位 ：m m ) 3 2 5 施工预拱度 根据规范及经验数据 ，梁底预拱度按 4 预留。 3 2 6 焊缝设计 所有结构焊缝均按熔透二级焊缝进行设计 。 l 0 水利水 电工 程设 计D WR H E2 0 1 1 年 第 3 0卷 第3期 3 3 斜拉索支撑方案的设计验算 3 3 1 荷载计算 以 厶 梁为例计算 混凝土的容重取为 2 5 l 【 N ，则混凝土梁荷载 为 q 1 =1 5 m2 5 m2 5 k N m =9 3 7 5 k N m。 钢筋荷载约为 7 k N m。 模板及 围楞荷载 q ， 约为 5 k N m。 恒荷载 q 恒=9 3 7 5 +7 +5=1 0 5 7 5( k N m) 。 振捣混凝土时产生 的荷载 g 】 ：4 k P a ，人员 g =2 k P a ， g 活=6 k P a 。 荷载 q：1 2 q 恒+1 4 q 活=1 3 3 3( k N m) 。 3 3 2 主梁支撑验算 依次进行 1 1 8工字钢小楞、I2 5 工字钢验算、 H W2 5 0 x2 5 0 工字钢 、吊环及焊缝 、钢棒 、钢支座 端部焊缝等验算 ，计算结果满足各材质及施工安全 要求。 3 3 3 主梁钢丝绳的选择及验算 采用双根 03 4 I n lT l 或 0 3 0 i n l n钢丝绳进 行斜 拉 ，单根 03 4 ra i n钢丝绳的破断拉力为 6 0 3 k _N，考 虑钢丝绳已使用过 ，乘 以折减系数 0 6 ，则双根钢 丝绳 的设计承载力为 26 0 3 k N0 6=7 2 3 6 k N， 因钢丝绳与上下 吊环的夹角均大于 4 5 。 。为简化计 算 ，按最小夹角 4 5 。 计算 ，则传递到钢丝绳 的拉力 N=1 3 5 4 1 c o s 4 5 。 =1 9 1 5 k N7 2 3 6 k N，满足设计 承载力要求。 从上述计算结果可看出，采用 03 4 n l l n和 03 0 m l n钢丝绳均能满足要求 ，但为确保施工安全 ，在 主梁斜拉时采用 03 4 m m钢丝绳 。 3 3 4 次梁支撑 、钢丝绳选择及验算 同主梁支撑验算 ，验算结果满足各材质及施工 安全要求，次梁斜拉时采用 0 3 4 m l ll 钢丝绳。 3 3 5自制花篮螺栓验算 依次进行套筒螺帽强度 、螺杆强度、吊环钢板 及焊缝、03 2 l a i n螺纹钢连接及焊缝等进行验 算 ， 计算结果满足要求。 3 3 6 墙体预埋件验算 根据 G B 5 0 0 1 -2 0 0 2 水工结构设计规范 第 1 0 9 预埋件及吊环相关公式计算，验算结果满足 要求。 4 几点体会 4 1 经济技术效益方面 本方案充分利用 了工地现有 的废 旧材料 ，预埋 钢板 里 的 0 2 5 h i m螺纹 钢锚筋 、自制花 篮螺栓 的 03 2 I l,m a 螺纹钢连接杆件及钢板均为在其它部位施工 中剩余的料头，0 3 4 n ln l 斜拉索采用缆机更换下来的 牵引绳，起到了修旧利废作用 ，节省 了费用。另单 吊点承受2 0 0 k N的花篮调节螺栓单个到工地的价格 约在3 2 0 0 元，本方案需花篮螺栓共计 1 0 0 个，是一 次性投入，而采用 自制 的花篮螺栓 ，单个成本价格 约为 5 0 0元，仅此一项可节约费用 2 7万元。 4 2 双钢板穿钢棒形成的 吊环 与圆钢加工形成的 吊环比较 本方案单点承受的荷载为 2 0 0 k N，采用双钢板 打孔穿钢棒作为 吊环 ，与圆钢加工形成的吊环相 比 较，该方案为双剪切受力 ，单块钢板仅承受 1 0 0 k N 的剪切力，而圆钢吊环始终为单剪切受力状态，同 时由于圆钢 吊环结构尺寸小 ，在加工过程中可能引 起屈服变形 ，不易被人察觉 ，容易引起安全事故 。 4 3 钢丝绳作为斜拉索支撑的优点 钢丝绳为柔性材料 ，采用花篮螺栓紧固后可使 各个斜拉索受力基本达到均匀状态 ，混凝土浇筑前 仅承受钢筋 、支撑 与模 板的重量 ，承 受的荷载有 限，随着混凝土的浇筑 ，承受的荷载逐渐加大 ，根 据测量观察各个绳索 的变化 ，进一步调整 花篮螺 栓，使各绳索受力基本一致，可防止由于单点破坏 引起的群破坏效应 。 4 4 钢梁制作及安装 钢梁为支撑平 台的主要构件 ，其制作要求几何 尺寸准确 ，焊缝为熔透二级焊接 ，各钢梁间排距准 确 ，因此选择在缆机供料线平台上进行加工 ，质量 检查可得到保证 ，经检查确认无质量缺陷后采用缆 机整体 吊装至施工面 ，吊装时采用 自制平衡梁两点 起 吊，就位与端部支座焊牢后方可松吊钩。 4 5 结构受力方面 本方案充分利用结构构件作为受力支撑点 受 力可靠 并简化附加构件 ，结构计算简单清晰，施 工安全有保证 。 5 结语 龙江水电站枢纽工程进水 口 8 4 7 0 0 i n l n高程井 字联系梁于 2 0 1 0 年 3 月全部施工完毕，在进行混 凝土浇筑期间进行了测量跟踪监测，监狈 0 结果为最 大沉降量 5 。 5 mm，完全满足施工预拱度要求 ，所 有梁未发生侧向位移，梁的结构尺寸完全满足设计 要求，施工结束直至运行期未发现有施工裂缝。 ( 下转第 1 4页) 水利 水 电工程 设计D WR H E 2 0 1 1 年 第 3 O卷 第 3 期 的成孔效果 。 4 3 井简变直径带来的不利影响 N a m N g u m 5 水电站调压井井筒总深度 1 6 8 8 m， 其中上井筒段深 1 1 0 5 m，开挖直径 6 5 m ；下井筒 5 2 3 m，开挖直径变为 4 5 n l ，井筒结构见图 1 。 设计人员将井筒 直径 由 6 5 m变 为 4 5 m，其 目的是想减少开挖和混凝土衬砌量 ，节省投资 ，但 在实际施工过程中，带来 了如下问题。 4 3 1 井筒扩挖工作面狭窄 本调压井井简直径不大 ，为小直径深井筒 ，下 井筒段开挖半径为 2 2 5 m，导井半径为 0 7 m，剩 余工作台为 1 5 5 m ，过于狭窄，施工人员处在深 井内部，站在如此狭窄的工作台上进行打钻等施工 作业，无法进行 ， 极大地增加了施工难度。 4 3 2 施工成本增加 对于小直径井筒 ，采用变直径设计 ，开挖等综 合成本反而会增加 ，影响施工进度 ，并且不利于施 工安全。 4 4 导井堵塞 导井堵塞在深井开挖 中是需要 高度关 注的问 题 ，一旦导井堵塞 ，就非常难处理。从防止导井堵 塞 的角度出发 ，导井直径尽可能大点比较好 ，但直 径大 ，费用就增加很多。 本工程在井 筒扩挖过程 中，考虑井 简直径不 大，因此直接采 用了直径 1 4 m 的导井 作为溜渣 井 。在采取 了控制钻爆孔间距 ，尽量减小岩渣粒径 的措施下 ，上井筒段开挖没有出现堵塞问题 ，但下 井简段出现 了导井堵塞 问题 。 4 4 1 下井筒段导井堵塞原因 由于下井 筒段开挖半 径为 2 2 5 m，导井半径 为 0 7 n q ，工作平台为 1 5 5 m，过 于狭窄 ，施工人 员进行钻孔等施工非常不便，因此，为了创造工作 平台，在下井筒段扩挖时，施工人员没有及时从下 水平隧洞内运走岩渣 ，而是将岩渣在导井内堆积起 来 ，一直堆积到扩挖工作面，作为施工人员站立 的 工作面。由于岩渣的架空作用，造成了导井堵塞。 4 4 2 解决办法 为了捅开堵塞在导井内的岩渣 ，首先清理运走 了下部隧洞内堆积的岩渣 ，让导井内的岩渣尽可能 地自由落体溜下来。然后，对于架空堆积在导井 内，无法 自由落体溜下来的岩渣 ，主要采用了小药 量、弱爆破 、震动处理的措施 ，成功解决 了导井堵 塞问题 。 5 结语 ( 1 )N a m N g u m 5水 电站调压井井筒施工采用 开挖设计方案 2 ( 反井钻机方案 ) ，确保 了井筒开挖 安全完成 ，为关键线路实际缩短工期 3 个月，达到 了预期 目的。 ( 2 )对 于直径不大 的深井 ，在进行扩 挖工作 时 ，采用直径 1 4 m的导井作为溜渣井 ，是完全可 以的 。 ( 3 )为了避免小直径 导井 堵塞 ，控制 爆破参 数 ，减小岩渣是非常有效的。 ( 4 )对于直径不大的竖井，为了减少开挖量而 变径 ，对于施工是不利的，应尽量避免。 作者简介 金宏安 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公 司 天津3 0 0 2 2 2 宋会红男 高级工程师 中国水电建设集团国际工程有 限公 司 北京1 0 0 0 4 4 丁秀霞 女 工程师 中水北方勘 测设计 研 究有 限责任公 司 天津3 0 0 2 2 2 ( 收稿 日期2 0 1 1 0 61 0 ) ( 上接第 1 O页) 采用斜拉索 吊模法支撑方案 ，方案可行 ，优点 突出，同时也为高悬空、大跨度、大截面梁的施工 创造了一个先例( 国内水电工程尚属首例) ，可供类 似工程实践参考。 作者简介 鲜世雄 男 工程师 中国水利水电第四工程局有限公司 二分局 河北涿州 0 r 7 2 7 5 0 周艳平男 助理工程师 中国水利水电第四工程局有限 公司二分局 河北涿州0 7 2 7 5 0 熊 亮 男 工程师 中国水利水电第四工程局有限厶 司 二分局 河北涿州0 7 2 7 5 0 ( 收稿 日期2 0 1 1 0 52 7 )