预制混凝土模板在老挝南欧江5级水电站牛腿结构中的设计与应用

2017-11-01谭万开，李锐，芶仕文，郑强

四川水力发电 2017年5期

关键词：牛腿立柱弯矩

谭万开，李锐，芶仕文，郑强

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川都江堰 611830)

预制混凝土模板在老挝南欧江5级水电站牛腿结构中的设计与应用

谭万开，李锐，芶仕文，郑强

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川都江堰 611830)

在水利水电工程中，由于牛腿混凝土结构的特殊体型，施工难度及安全威胁较大。经比选后最终决定采用预制混凝土模板可以使施工更加安全、简便，加快施工进度，节约施工成本。针对老挝南欧江5级水电站坝身进水口段施工情况，介绍了牛腿预制钢筋混凝土模板的设计与应用。

预制；混凝土模板；牛腿结构；设计；应用；南欧江5级水电站

1 工程概述

南欧江5级水电站位于老挝人民民主共和国丰沙里省境内，为南欧江规划的7个梯级水电站中的第5级。该工程以发电为主，主要由混凝土重力坝、坝身进水口及坝后式厂房、坝身溢洪道及消力池、冲沙底孔及泄槽等组成。坝顶高程445 m，最大坝高74 m，总装机容量240 MW。

5#～7#进水口坝段高程398～405 m为牛腿混凝土体型结构，宽66 m，坡比为1∶1。经各方案综合比较后最终决定采用预制钢筋混凝土模板。

2 预制钢筋混凝土模板的设计

2.1 模板方案

牛腿混凝土施工，其迎水斜面悬挑模板采用预制钢筋混凝土模板,侧端面采用组合钢模板。进水口上游牛腿高度为7 m，根据对预制混凝土模板运输吊装安全、方便、确保混凝土施工质量的考虑，牛腿预制模板采用分三层设计的施工方案。结合进水口坝段廊道的施工，牛腿混凝土确定分四次施工。

2.2 模板结构

根据牛腿结构、预制场地及运输条件等多方面要求，采用三层预制钢筋混凝土模板、牛腿混凝土分四次浇筑成型进行设计。为便于模板精确安装，相邻两层预制混凝土模板采用“L”型槽口连接，在预制模板仓内面槽口周边设置角钢。牛腿模板设计成上、中、下三种型式,每块模板面板标准块宽度均为298 cm，每层模板共22块，模板厚度为15 cm。下层模板斜长337.5 cm，上端为“L”型槽口；中层模板斜长337.5 cm，上下端均为“L”型槽口；上层模板斜长330 cm，下端为“L”型槽口。上、中、下三层每块预制模板均设置12只吊环(水平向4排，竖直向3列)，吊环间排距为90 cm×100 cm。

牛腿预制模板采用内拉承重结构系统，立柱为[18a槽钢，下部与已浇筑混凝土预埋的φ25插筋焊接，拉条为φ16圆钢，与立柱焊接并在立柱后设置后拉条。立柱间距与吊环列距相同，均为100 cm，采用φ25@100 cm钢筋与其焊接连成整体。模板固定型式见图1。

图1 预制模板支撑结构图

预制模板按照钢筋混凝土等跨外悬臂板考虑，经计算：模板采用C20混凝土，设置双层钢筋，保护层厚15 mm，纵向受力筋选用φ12@200 mm，分布钢筋与受力筋布置相同。吊环钢筋选用一级φ18，与预制模板中下层钢筋焊接牢固。

2.3 模板的设计与计算

根据模板结构单元体系，拟定沿坝轴线方向为X向，模板宽3 m，设3列吊点；沿牛腿斜面方向为Y向，斜长3.3 m，设4排吊点；沿竖直方向为Z向，浇筑分层按整张模板高度2.33 m考虑。

模板在实际受力过程中X、Y向的受力是不均匀的，若对每个区域单独进行受力计算颇为繁琐，在理论计算时按两个方向最大内力值考虑。

2.3.1 X向模板内力的计算

吊环外悬挑0.5 m，吊环排距为1 m，每排三个吊点，简化成“两端悬臂的双跨板”，取单元0.5+1/2=1(m)宽板计算，板厚0.15 m，板长3 m，模板竖直高度按最大值2.33 m计算。

模板自重P：P=bhγgcosα=1×0.15×2.5×

9.8×cos45°=2.6(kN/m)

浇筑层块体混凝土重量q：q=bhγg=1×

2.33×2.5×9.8=57.09(kN/m)

两荷载叠加为：P+q=2.597+57.085

=59.69(kN/m)

式中b为计算单元宽度；h为模板竖直高度；γ为混凝土容重；g为重力加速度；α为模板与水平向夹角；P为模板自重，kN/m;q为浇筑层块体混凝土重量，kN/m。其内力情况见图2。

图2 X向内力图

图2可以看成是在一均布荷载作用下的二跨等跨梁和两端悬臂的二跨等跨梁的叠加，依据《水工钢筋混凝土结构学》，查均布荷载作用下等跨连续板梁计算系数表，计算如下：

弯矩：M=αg1l02+α1q1l02=7.46(kN/m)

剪力：V=βq1l+βg1l=-37.31(kN)

式中g1、q1为单位长度上的永久荷载；q1为单位长度上的可变荷载；l0为板的计算跨度；l为板的净跨度；α、α1和β分别为弯矩系数和剪力系数。

根据端弯矩作用下等跨连续板梁计算系数表：

=2.8(kN·m)

=-9.33(kN)

式中M为弯矩；V为剪力；MA为端弯矩；α′、β′分别为弯矩、剪力系数，由《水工钢筋混凝土结构学》附录七查得。

叠加后的最大弯矩及最大剪力：

Mmax=7.46+2.8=10.26(kN·m)

Vmax=-37.31-9.33=-46.64(kN)

2.3.2 Y向模板内力计算

吊环外悬挑0.3 m，吊环排距为0.9 m，每排四个吊点，简化成“两端悬臂的三等跨板”，取单元0.3+0.9/2=0.75(m)宽板计算，板厚0.15 m，板长3.3 m。

模板自重：P=bhγgcosα=0.75×0.15×2.5

×9.8×cos45°

=1.95(kN/m)

混凝土重量：q=bhγg=0.75×2.33×

2.5×9.8=42.81(kN/m)

由于浇筑层混凝土在Y方向上受力不均匀，按照最不利的情况，将两荷载叠加为：

P+q=1.95+42.81=44.76(kN/m)

内力情况见图3。

图3可以看成是在一均布荷载作用下的三跨等跨梁和两端悬臂部分受均布荷载的三跨等跨梁的叠加。依据《水工钢筋混凝土结构学》，查均布荷载作用下等跨连续板梁计算系数表，计算如下：

弯矩：M=αg1l02+α1q1l02=3.63(kN/m)

剪力：V=βq1l+βg1l1=-24.17(kN)

根据端弯矩作用下等跨连续板梁计算系数表：

0.32=1.25(kN·m)

剪力：V=β′MA/l0=-1.266 7×2.01/0.9

=-2.83(kN)

由《水工钢筋混凝土结构学》附录七查得；α′为0.169 9、β′为-1.266 7。

叠加后的最大弯矩及最大剪力：

Mmax=3.63+1.25=4.88(kN·m)

Vmax=-24.17-2.83=-27(kN)

2.3.3 配筋计算

通过对X、Y方向受力的比较，按最不利荷载情况，即X方向受力情况进行配筋计算。

结构安全级别一级的结构构件，结构重要性系数γ0=1.1；设计状况持久系数φ=1,则最大弯矩设计值：

M=γ0φMmax=1.1×1×10.26

=11.29(kN·m)

式中γ0为结构重要性系数；φ为设计状况持久系数；Mmax为叠加矩的最大弯矩。

采用C20混凝土，轴心抗压强度设计值fc=10 N/mm2；一级钢筋抗拉强度设计值fy=210 N/mm2；钢筋混凝土结构系数γd=1.2；混凝土保护层厚度C=15 mm，a取60 mm，截面有效高度h0=90 mm；矩形截面宽度b=3 000 mm。

0.07<ξb=0.614

每m板中钢筋截面积为900 mm2,故每m板选用10根一级钢筋，间距200 mm，双层布置。Y向分布钢筋与受力钢筋相同布置，选用φ12@200双层钢筋。

2.4 模板内拉支撑结构计算

2.4.1 拉杆强度校核

模板重G模=HBh=2.25×1×0.15

=0.911(t)

钢筋重量G钢筋=HB×0.4=2.25×1×0.4

=0.9(t)

振捣荷载按200 kg/m2计算：q1=HB×0.2=2.25×1×0.2=0.45(t)

施工时产生的水平、垂直荷载按600 kg/m2：q2=HB×0.6=2.25×1×0.6=1.35(t)

单元内的竖向荷载Q=6.83+0.911+0.9+0.45+1.35=10.44(t)

拉杆内力F=Q/sinα+q1/cosα=10.44/sin45°+0.45/cos45°=15.41(t)

式中H为牛腿混凝土最大浇筑层高；b为混凝土浇筑层外挑距离；B为计算单元宽度；α为模板与水平向夹角；h为模板厚度；F为拉杆内力；Q为单元内的竖向荷载。

用φ16拉条：单根拉杆承受的最大拉力δmax=210×3.14×16×16/4=4.22 (t)，4根拉杆承载拉力δ总=4.22×4=16.88(t)>F=15.41(t)

故最终选用φ16拉筋。

2.4.2 拉杆强度校核

拉杆在竖向对立柱的压力P=F×sin45°=15.41×sina45°=10.89(t)。

假设采用槽钢[12.6的抗压强度：立柱有效长度l=5 m，弹性模量E=2.06×105N/mm2，惯性矩I=391 cm4；长度系数μ=2。

Plj=π2EI/(μl)2=3.142×2.06×105×3.91×102/(2×5)2=79.4(kN)=7.94(t)

假设采用槽钢[14b的抗压强度：立柱有效长度为5 m，弹性模量E=2.06×105N/mm2，惯性矩I=609 cm4；长度系数μ=2。

Plj=π2EI/(μl)2=3.142×2.06×105×5.64×102/(2×5)2=123(kN)=12.3(t)

Plj>P,故选用槽钢[14b。

2.4.3 混凝土承载力校核

承载力按受冲切钢筋板计算：

F≤1.05ftηUmho

式中ft为混凝土轴心抗拉强度，查得C25混凝土ft=1.27 MPa,按7 d强度1.27×75%=0.953 MPa计算；η为局部荷载作用面积形状影响系数，取值1；Um为临界截面周长，Um=0.5×4=2；ho为截面有效高度，取0.127。

F=1.05ftηUmho=1.05×953×1×2×0.127

=25.42 (t)

F>P, 满足承载力要求。

3 牛腿混凝土施工

3.1 模板施工

预制模板严格按设计尺寸制作成型，运输及拼装过程中注意保护，避免模板周边棱角损坏。

模板安装就位前，先行完成立柱排架及后拉条的施工，立柱距混凝土设计结构线水平距离≥1 m。模板吊装采用布置于大坝上游的MQ600B门机，模板均按与水平面呈45°角进行吊装就位，首层模板置于下层预埋的模板定位筋上，仓内通过花篮螺栓或手动葫芦精调至设计结构线后用拉筋与立柱排架焊接固定。

3.2 混凝土施工

混凝土浇筑采用平层铺筑法，混凝土下料由内向牛腿斜面的顺序、混凝土按0.3～0.5 m层厚施工。为防止牛腿模板变形，应严格控制混凝土上升速度。混凝土振捣过程中严禁触碰拉杆、立柱及模板。浇筑中设专人监护模板，全过程检查模板在浇筑过程中的变形情况，发现问题及时采取处理措施，以保证模板及支撑的牢固、浇筑结构体型的准确。