廖滿軍，楚 貝

(1.中國水利水電第八工程局有限公司，長沙 410004，2.湖南省水利水電科學(xué)研究院，長沙 410007)

1 犬木塘水庫樞紐工程概況

犬木塘水庫工程為Ⅱ等大(2)型水利水電工程，包括水庫樞紐工程、灌區(qū)工程以及應(yīng)急備用水源工程，是一個(gè)以灌溉為主，結(jié)合城鄉(xiāng)供水，兼顧灌區(qū)水生態(tài)環(huán)境改善以及航運(yùn)、發(fā)電等綜合利用效益的水利工程(見圖1)。

圖1 犬木塘水庫工程示意

樞紐工程建筑物從左至右分別為左岸連接壩段、船閘、15孔泄水閘、電站廠房、魚道、右岸連接壩段，壩頂總長為642.00 m，左、右岸連接壩段與資水上游兩岸的堤防相接形成完整的防洪封閉圈。電站廠房布置于河床右側(cè)，為河床式發(fā)電廠房，裝有4臺(tái)8.5 MW燈泡貫流式機(jī)組，電站總裝機(jī)容量為34 MW；河床布置15孔泄水閘，孔口尺寸為17 m×10.5 m(寬×高)，壩頂高程為225.20 m，最大壩高為26.20 m，溢流堰采用寬頂堰型，堰頂高程為204.50 m，泄水閘設(shè)弧形鋼質(zhì)工作閘門和平面檢修閘門；船閘布置于河床左側(cè)，單線Ⅳ級(jí)船閘，設(shè)計(jì)噸位500 t，閘室有效尺寸為148 m×12 m×3.5 m(長×寬×門檻水深)；連接壩段分左、右壩段，左岸連接段采用土壩，左岸連接段壩頂高程為225.20 m，壩長為118.50 m，最大壩高約19.2 m，壩頂寬度15 m，上游壩坡為1∶2.5，下游壩坡為1∶2.5；右岸連接段壩采用混凝土重力壩，壩頂高程為225.20 m，壩長為76.4 m，最大壩高為14.2 m，壩頂寬度3～6 m，上游壩坡為1∶0.75，下游面垂直。魚道布置在右岸，位于廠房右側(cè)。

電站主廠房(見圖2)左右樁號(hào)為B0+001.00 m～B0-63.50 m，上下游樁號(hào)為L0+018.60～L0-042.15 m。左、右設(shè)一道分縫，上、下游段設(shè)3道臨時(shí)縫，8個(gè)工作面同時(shí)施工，交替上升。Ⅰ區(qū)為進(jìn)水口胸墻(L0+018.60～L0-001.09)，Ⅱ區(qū)流道方變圓段和金屬里襯段(L0-001.09～L0-013.75)，Ⅲ區(qū)為金屬里襯和流道圓變方段(L0-013.75～L0-030.00)，Ⅳ區(qū)為流道圓變方段(L0-030.00～L0-042.15)。

廠房底部高程為184.70 m，頂部高程為252.20 m，進(jìn)水口溢流面高程為194.245 m，尾水出水口溢流面高程為196.128 m。進(jìn)水口寬9.4～13 m，胸墻高15～20 m，進(jìn)水口流道高6.6～12.6 m，長12.2 m。尾水流道長21.4 m，高7.1～7.9 m，寬7.1～10.4 m。

主廠房流道共分為4段：第1段從攔污柵至檢修閘門，共計(jì)6.6 m，全段呈喇叭口形；第2段為進(jìn)水流道方變圓段，共計(jì)12.9 m；第3段為金屬里襯段，共計(jì)11.735 m；第4段為尾水流道圓變方段，共計(jì)18.34 m，其中需搭設(shè)承重排架的部位為第1、2、4段。

進(jìn)水口胸墻、流道模板采用定制鋼模板+滿堂承重排架(扣件式)?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C25F100W6二、三級(jí)配混凝土。

2 流道施工模板支撐設(shè)計(jì)

2.1 基于BIM的流道模板設(shè)計(jì)

以尾水流道模板為例對(duì)模板設(shè)計(jì)流程進(jìn)行梳理(見圖3)，首先建立流道三維曲面BIM模型，基于三維曲面BIM模型設(shè)定流道縱向和環(huán)向分塊間距尺寸，本項(xiàng)目縱向間距為1 500 mm，環(huán)向間距根據(jù)不同斷面確定，間距在2 000 mm；將三維曲面BIM分割出來的單個(gè)曲面作為模板設(shè)計(jì)的面板；模板背肋及三角背架(頂部圓弧段)設(shè)計(jì)。

圖3 基于BIM的流道模板設(shè)計(jì)流程示意

廠房流道模板數(shù)量達(dá)1 450塊，可以采用參數(shù)化建模及出圖方法。通過該方法設(shè)計(jì)的參數(shù)化建模平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)用戶輸入自動(dòng)更新模型參數(shù)、智能排布，能夠自動(dòng)生成二維工程圖紙，使得同類型鋼模板的設(shè)計(jì)難度降低，大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高了流道鋼模板的設(shè)計(jì)效率。

2.2 有限元受力分析

根據(jù)大體積混凝土分層分塊澆筑特點(diǎn)，因側(cè)模模板主要承受混凝土側(cè)壓力及混凝土傾倒時(shí)承受的水平力，而頂部模板直接承受混凝土自重及混凝土傾倒時(shí)的沖擊力，故選取廠房流道頂部處模板作為最不利情況進(jìn)行計(jì)算分析。倉面混凝土下料高度不大于1.5 m，下料時(shí)將盡量使混凝土鋪設(shè)均勻，并輔以人工平倉。采用有限元軟件對(duì)模板三角架等關(guān)鍵部位進(jìn)行計(jì)算分析。

模型類型采用線彈性各向同性，失敗準(zhǔn)則采用最大von Mises應(yīng)力準(zhǔn)則，模板及三角架為普通碳素鋼，材料屬性：彈性模量210 000 N/mm2、泊松比0.28、質(zhì)量密度7 800 kg/m3、抗拉強(qiáng)度399.8 MPa、屈服強(qiáng)度220.5 MPa。

荷載情況：大體積混凝土約束區(qū)分層厚度一般1.5 m，模板承受混凝土自重按1.5 m計(jì)算，混凝土自重標(biāo)準(zhǔn)值24 kN/m3，鋼筋自重標(biāo)準(zhǔn)值1.5 kN/m3，施工荷載取2.5 kN/m2，恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.3，活載分項(xiàng)系數(shù)取1.5，模板面荷載設(shè)計(jì)值為1.3×25.5×1.5+1.5×2.5=53.475 kN/m2。下面以鋼模板4 mm厚面板及背肋，背肋高度4 mm×60 mm，間距300×300 mm布置，三腳架50×4的方鋼為例進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

計(jì)算結(jié)構(gòu)表明：最大屈服應(yīng)力為106 MPa(見圖4)，小于Q235鋼屈服強(qiáng)度220.5 MPa；最大變形為0.273 mm(見圖5)，滿足規(guī)范不大于1.5 mm的要求，整體安全系數(shù)滿足要求。

圖4 有限元模型應(yīng)力云示意

圖5 有限元模型應(yīng)變云示意

根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及廠家提供異形模板設(shè)計(jì)圖紙，計(jì)劃采用5.5 mm厚鋼模+支撐桁架的形式。原設(shè)計(jì)模板面板厚度5.5 mm，經(jīng)過模型分析驗(yàn)證，采用4 mm厚面板即可滿足施工荷載要求；通過此優(yōu)化共減少面板鋼材使用重量26.6 t，節(jié)約成本約28.8萬元。

2.3 支撐體系方案及驗(yàn)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到分層和進(jìn)度需要，擬采用滿堂紅腳手架作支撐(見圖6)，高腳手架的計(jì)算參照《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 130—2011)。

圖6 尾水流道支撐結(jié)構(gòu)斷面示意(單位：高程m，長度mm)

支撐體系方案：進(jìn)水口第1段立桿的橫距b=0.6 m，立桿的縱距l(xiāng)=0.6 m，立桿的步距h=1.15 m，混凝土為斜板，澆筑最大厚度按D=1.34 m，采用的鋼管類型為Φ48×3.0，模板采用鋼模板或木模板。進(jìn)水口第2段立桿的橫距b=0.8 m，立桿的縱距l(xiāng)=0.8 m，立桿的步距h=1.2 m，混凝土澆筑最大厚度D=0.6 m，采用的鋼管類型為Φ48×3.0，模板采用定型鋼模板和木模板。尾水第4段立桿的橫距b=0.8 m，立桿的縱距l(xiāng)=0.8 m，立桿的步距h=1.2 m，混凝土澆筑最大厚度D=0.6 m，采用的鋼管類型為Φ48×3.0，模板采用定型鋼模板。尾水流道模板支架高度H=8 m；模板支架縱向長度L=18 m；模板支架橫向長度B=10.4 m；立桿頂部步距hd=750 mm；立桿伸出頂層水平桿中心線至支撐點(diǎn)的長度a=200 mm；頂部立桿計(jì)算長度系數(shù)μ1=2.149；非頂部立桿計(jì)算長度系數(shù)μ2=1.755；立桿鋼管截面類型(mm)Φ48×3.0，立桿鋼管計(jì)算截面類型(mm)Φ48×2.7，鋼材等級(jí)Q235，立桿截面面積A=384 mm2，立桿截面回轉(zhuǎn)半徑i=16 mm。

基本風(fēng)壓ω0(kN/m2)按0.2考慮；地基粗糙程度按D類(有密集建筑群且房屋較高市區(qū))；風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=0.51；風(fēng)荷載體型系數(shù)μs=1.3。

1)長細(xì)比驗(yàn)算

頂部立桿段：l01=kμ1(hd+2a)=1×2.149×(750+2×200)=2 471 mm。

非頂部立桿段：l0=kμ2h=1×1.755×1 200=2 106 mm。

λ=max[l01，l0]/i=2 471/16=154.459≤ [λ]=210。

2)立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算

l0=kμ2h=1.155×1.755×1 200=2 432.43 mm。

λ=l0/i=2 432.430/16=152.027。

查表得，φ1=0.301。

考慮風(fēng)荷載：Mw=1×0.9×1.4×ωk×la×h2/10=1.4×0.9×0.133×0.8×1.22/10=0.019 kN·m。

Nw=R/0.6+1×γG×q×H+Mw/lb=10.35/0.6+1×1.2×0.15×8+0.019/0.8=18.71 kN。

f=Nw/(φ1×A)+Mw/W=18.713×103/(0.301×384)+0.019×106/4 120=166.512 N/mm2≤[σ]=205 N/mm2，滿足要求。

根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》JGJ 130—2011 第6.9.7：支架高寬比不應(yīng)大于3。H/B=8/10.4=0.769≤3，滿足要求，根據(jù)上述規(guī)范不需要進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算。

2.4 其他注意事項(xiàng)

模板支撐結(jié)構(gòu)工藝流程如下，在已澆筑的混凝土地面和流道底板上彈線、立桿定位→擺放縱橫向掃地桿→立桿與掃地桿扣緊→大小橫桿并與各立桿扣緊→加設(shè)臨時(shí)斜撐桿、剪刀撐→所有立桿、橫桿及剪刀撐搭設(shè)完畢→驗(yàn)收通過→掛牌。

廠房進(jìn)水口及流道模板支撐排架基礎(chǔ)搭設(shè)于廠房進(jìn)水口和尾水溢流面混凝土上，混凝土標(biāo)號(hào)級(jí)配為C25二/三級(jí)配。待溢流面混凝土澆筑完畢且達(dá)到設(shè)計(jì)齡期后，對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測，強(qiáng)度檢測結(jié)果滿足承重排架要求強(qiáng)度后，方可進(jìn)行上部擋水墻鋼襯支撐排架的搭設(shè)工作。為了防止支撐排架損壞溢流面和流道混凝土，在混凝土上部、排架鋼管底部(與溢流面相接觸部位)鋪設(shè)鋼板或槽鋼，槽鋼與鋼板鋪設(shè)范圍為立桿底部，待排架使用完畢后對(duì)鋼板和槽鋼進(jìn)行回收。

廠房進(jìn)水口胸墻、流道模板支撐排架具體拆除時(shí)間為：應(yīng)在進(jìn)水口胸墻混凝土澆筑至EL220.0 m高程(澆筑至胸墻上部第二層)、進(jìn)水口流道混凝土澆筑至EL211.0 m高程(澆筑至鋼襯上部第二層)、尾水流道混凝土澆筑至EL211.0 m高程(澆筑至鋼襯上部第三層)，且混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后，方可進(jìn)行下部支撐架的拆除工作。

3 結(jié)語

基于BIM的流道模板設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用有限元分析軟件，計(jì)算了模板最大應(yīng)力及應(yīng)變，并對(duì)模板用鋼板厚度進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約材料費(fèi)用，對(duì)常規(guī)扣件式腳手架進(jìn)行長細(xì)比、立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算，實(shí)現(xiàn)了流道模板支撐結(jié)構(gòu)全流程高效、準(zhǔn)確。