多支高墩大型滑模关键技术计算方法的应用研究

王纯高，徐万富，杨　雄

(中国葛洲坝集团第六工程有限公司，云南昆明650206)



多支高墩大型滑模关键技术计算方法的应用研究

王纯高，徐万富，杨雄

(中国葛洲坝集团第六工程有限公司，云南昆明650206)

摘要：藏木水电站进水口拦污栅墩采用大型液压滑模完成施工，模体一次同滑施工4个拦污栅墩，为西藏高原水电站工程建设中的首例。介绍了滑膜提升技术中重要参数的选择，推导计算了有效压头影响系数，该系数对滑模模板高度、受力设计以及混凝土浇筑层厚的选择具有参考作用，混凝土侧压力取规范标准值5.0～6.0 kN/m时对应的有效压头影响系数为0.4～0.5；采用欧拉公式计算滑膜支撑杆受力时，相当长度系数取0.5～0.59。用科学的计算方法计算滑模提升施工中的设计参数，为拦污栅墩的顺利施工提供了有力的技术支撑和保障。

关键词：多支高墩；大型滑模；关键技术；计算方法；藏木水电站

藏木水电站是西藏自治区最大的水电开发项目，也是雅鲁藏布江干流上规划建设的第一座水电站。电站地处高寒高海拔地区，厂房坝段坝体前沿3 285～3 314 m高程为拦污栅墩结构，中间设有16个拦污栅墩。闸墩为长条形，墩头为半圆形，拦污栅墩通过100 cm×100 cm的支撑梁与坝体相连。拦污栅墩长5.2 m、宽2.5 m，闸墩间距5.3 m，单墩断面9.7 m2，拦污栅墩设计为钢筋混凝土结构。拦污栅墩采用整体滑模进行连续施工，16个拦污栅墩按每4个墩为1个工位单元，分4次滑升浇筑，多个拦污栅墩并列同步滑升，模体结构尺寸大。

基于滑模侧压力的作用范围[1- 2]是在H=t0v之内的分析，而有效压头高度h=α(t0v)，其中，t0为新浇筑混凝土的初凝时间；v为混凝土浇筑速度；H为混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度。藏木水电站工程拦污栅墩滑模技术通过推导计算有效压头影响系数α，把侧压力面荷载和线荷载有机地联系起来。有效压头影响系数的利用对滑模模板高度、受力设计以及混凝土浇筑层厚的选择具有参考作用。支撑杆受力欧拉公式一般是按理想直杆轴心受压假设状态推导出来的，其自由长度修正系数μ值取决于边界条件，与实际滑模支撑杆受力状态毕竟存在差异[3- 5]，若要比较准确地表达支撑杆的允许承载能力，必须对原欧拉公式中的相当长度系数进行修正。本文以藏木水电站为例，介绍了滑膜提升技术中重要参数的选择。

1滑模结构设计

藏木水电站工程拦污栅墩滑模设计采用液压整体钢结构滑升模板，选用单个提升力为6 t的滑升千斤顶，动力装置为ZYXT- 36型自动调平液压控制，整个滑模装置由模板、围圈、操作平台、液压提升系统、辅助系统等组成。

1.1模板、围圈、提升架

拦污栅墩滑模模板采用定型钢模，面板采用厚5 mm钢板，加劲肋为-50×5钢板，同整体框骨架相连焊接固定。模板转角部位的阴阳角采用圆角处理，以便于滑升减少滑升阻力。模板高1.2 m，按上口小、下口大5 mm控制锥度，即模板上口小于设计尺寸2.5 mm，下口大于设计尺寸2.5 mm。整个滑模鸟瞰面积为212 m2，属大型滑模。提升架制成“F”形钢构件。千斤顶安装在提升架顶部，通过爬升杆支撑在混凝土间，将整个滑升荷重通过提升架、千斤顶传递给爬升杆，爬升杆采用φ48×3.5钢管。全套模体质量37.4 t，使用32台液压千斤顶同步滑升。 进水口拦污栅墩滑模平面见图1。

图1　进水口拦污栅墩滑模平面示意(单位：mm)

1.2操作平台、辅助平台

操作平台是承受工作、物料、人员等活荷载的施工平台，也是支撑模体的主要构件。操作平台采用整体框架钢结构。由于混凝土施工和模板滑升过程中，荷载较大，为保证其刚度和强度，操作平台选用∠63×63×6、∠80×80×6角钢加工制作成复式框架梁，平台上铺厚3 mm网纹钢板。

辅助平台是进行预埋件处理、混凝土表面整修及养护的工作平台，用φ20 mm圆钢弯钩悬挂在桁架梁上，在脚手架管上铺厚3 mm网纹钢板或厚5 mm马道板形成，采用分段钢木结构悬吊布置，辅助平台距混凝土墩壁150 mm。拦污栅墩滑模剖面结构见图2。

图2　拦污栅墩滑模剖面结构示意(单位：cm)

1.3液压系统、辅助系统

选用的千斤顶单个承载能力为6 t，按5 t计算允许承载能力，千斤顶爬升行程30 mm，全部千斤顶共分6组，每组用六通接头管将千斤顶和ZYXT- 36型调平液压控制台连接，形成整体液压系统。主、支管分别选用φ16 mm、φ8 mm的高压油管。辅助系统主要包括混凝土内预埋件埋设、控制测量和养护等装置。在辅助平台上面对混凝土表面设置一圈φ25 mmPVC塑料管进行喷水养护，PVC塑料管预先均布钻孔。

2滑模关键技术的应用与计算方法的研究

2.1滑升模板装置

滑模装置模体主要由模板、围圈和提升架组成，全套滑模模板采用固定尺寸的定型钢模，同整体框骨架相连焊接固定。围圈主要用来加固变化部位模板，同模板加劲肋焊接固定并和桁架梁上下边梁焊接，使模板成为一个整体。滑升滑模模板装置结构见图3。

图3　滑升滑模模板装置结构示意

2.2模板的制作锥度

为便于提升脱模，模板按一定锥度设计，模板的上下口制成具有斜度为0.10%～0.20%高度的标准，相对混凝土成品尺寸，呈上口小、下口大的锥形。为确保混凝土出模外观，内模锥度适当大于外模锥度。内模板上口直径为d+0.10%H，下口直径为d-0.20%H，外模板上口直径为D-0.1%H，下口直径为D+0.15%H，其中，d为内模板设计直径；D为外模板设计直径；H为滑升模板的高度。

2.3滑模高度的确定

根据模板滑升速度计算公式，按照模板内最先浇筑的第1层混凝土达到出模强度，计算滑升模板的高度为1.2m。

2.4有效压头影响系数

混凝土对模板最大侧压力是滑模设计的基本面荷载。混凝土侧压力计算分布图形见图4。

图4　混凝土侧压力计算分布图形

最大侧压力P为

P=γh

(1)

式中，h为计算高度，即有效压头高度；γ为混凝土重力密度。

化简可得侧压力合力作用点的x位置为

(2)

2.5混凝土出模强度

规范规定混凝土的出模强度控制在0.2～0.4 MPa，为满足滑升条件，根据混凝土强度上升曲线见图5，混凝土的出模强度能够达到0.2 MPa的时间平均在4 h左右[7]。

图5　混凝土强度上升与浇筑持续时间、温度的关系

2.6支承杆相当长度系数

依据规范支承杆的允许承载力可用下式计算：

(3)

式中，[P]为支承杆的允许承载力；α为工作条件系数，取0.7～1.0；E为支承杆弹性模量；J为支承杆截面惯性距；K为安全系数，取值应不小于2.0；L为支承杆脱空长度。

在实际工程中大多采用[8- 9]

(4)

式中，P为支承杆的允许承载力；E支撑杆弹性模量；I为支撑杆的截面惯性矩；K为安全系数，取K=2；μ为长度系数；μl为计算长度。

2.7千斤顶数量选取

选取能承载可上升和下降是滚珠式升降千斤顶，使滑模滑升不同步的问题从根本上有了改观。藏木水电站工程滑模系统采用的是松卡式液压千斤顶。液压系统所需爬升千斤顶数量和支撑杆数量经计算确定选取32组。全套模体自重37.4 t，使用32台液压千斤顶同步滑升，此是藏木水电站滑模施工的亮点之一。单墩千斤顶平面布置见图6。

图6　单个拦污栅墩设置8个千斤顶布置示意

2.8滑升动力功率计算

液压滑模提升系统由动力系、荷重系及控制调整系3大部分组成，其作用原理以液压泵站为动力源、群集千斤顶为执行机构，通过控制阀门改变液压油的流向，从而推动千斤顶完成滑模滑升。事实上，千斤顶的顶升速度V一般为10～35 mm/min，最大顶升速度应不超过 60 mm/min。当得知滑模滑升时总荷载F(包括滑模结构自重、施工荷载和摩阻力之和)后，可按下式计算电动机所需功率

(5)

式中，N为电动机功率；F为滑模滑升时总荷载；V为千斤顶最大同步顶升速度；η1为千斤顶的的机械效率，一般为0.6～0.8；η2为液压传动效率0.8～0.85；η3为油泵的效率，一般为0.6～0.8；η4为电动机的效率，取0.8～0.85。

2.9附属物件联接形式

拦污栅墩常预先埋设埋件为后期栅槽轨道安装提供焊接连接支撑。为保证模体滑升时不受预埋件阻碍，可采用三种方法设置预埋件：弯曲预埋钢筋90°，后期再做调直处理；埋入混凝土内插筋预先安装套筒，备后期轨道连接筋连接；预埋铁板凳，后期与轨道焊接。

拦污栅闸墩预留梁窝，采用快易收口网施工方法替代传统木模板，在梁窝内预埋支撑梁钢筋，获得了一个合适的楔接表面，浇筑时混凝土浆通过快易收口网的孔隙渗出，浇筑完成后快易收口网不予拆除，也不用凿毛，快易收口网一直嵌在混凝土里；梁窝内表呈凹凸波纹状[10]。由于预留梁窝的作用，把拦污栅墩支撑梁与拦污栅墩相对脱开，支撑梁尔后便可采用常规的现浇方案进行施工。

3结论

藏木水电站工程采用模体尺寸长28.2 m、宽7.5 m，鸟瞰面积为212 m2，模体一次同滑施工4个拦污栅墩，电站进水口拦污栅墩采用液压滑模完成施工，创雪域高原水电站工程建设历史之最。滑模施工技术是一项系统工程理论方法的应用，把模板装置、提升系统的设计与混凝土的特性有机地结合起来，可以保证施工安全。

参考文献：

[1]GB 50666—2011混凝土结构工程施工规范[S].

[2]JGJ 162—2008建筑施工模板安全技术规范[S].

[3]林伊宁. 重建建筑施工模板支架安全的力学理论体系——否定压杆稳定欧拉公式及建立不变体单元六面连续的力学模型(连载一) [J]. 建筑安全， 2007 (11)： 52- 55．

[4]林伊宁. 重建建筑施工模板支架安全的力学理论体系——否定压杆稳定欧拉公式及建立不变体单元六面连续的力学模型(连载二)[J]. 建筑安全， 2007 (12)： 50- 54．

[5]林伊宁. 重建建筑施工模板支架安全的力学理论体系——否定压杆稳定欧拉公式及建立不变体单元六面连续的力学模型(连载三)[J]. 建筑安全， 2008(1)： 55- 60．

[6]杨跃， 那路， 王复溪. 滑升模板侧压力计算方法的探讨[J]. 哈尔滨建筑大学学报， 1994， 27(3)： 91- 95．

[7]孟雷雷. 滑模施工初滑时间、滑升速度及模板的确定[J]. 煤炭科技， 2011， 2(2)： 70- 71．

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[9]董冠文， 李宗义， 赵彦军， 等. 压杆稳定临界力欧拉公式统一推导[J]. 武汉工程大学学报， 2012， 34(12)： 71- 74．

[10]赵斌. 滑模施工技术在藏木水电站工程中的应用[J]. 水力发电， 2015， 41(11)： 75- 77．

(责任编辑王琪)

Research on the Calculation Methods of Key Technologies for Large Multi-supporting High Pier Slipform

WANG Chungao, XU Wanfu, YANG Xiong

(China Gezhouba Group Sixth Engineering Co., Ltd., Kunming 650206, Yunnan, China)

Abstract:The piers of intake trash rack in Zangmu Hydropower Station are constructed by large hydraulic slipform, and four piers are constructed in one slipform lifting process which is first applied in the construction of hydropower project in Tibet Plateau. The selection of important parameters for slipform is introduced. The effective pressure head impact factor is derived which provide basis for the selection of slipform height, stress and concrete pouring layer height. The effective pressure head impact factor will be 0.4- 0.5 when the lateral pressure of concrete is valued as 5.0- 6.0 kN/m according to Specification. The equivalent length factor will be valued as 0.5- 0.59 when the stress of supporting poles is calculated by using Euler formula. The design parameters calculated by using scientific methods for slipform provide a strong technical supporting for the construction of trash rack piers．

Key Words:multi-supporting high pier; large slip form; key technology; calculation method; Zangmu Hydropower Station

中图分类号：TU755.22(275)

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2016)01- 0062- 04

作者简介：王纯高(1959—)，男，湖北仙桃人，教授级高工，国家一级注册建造师，主要从事金结机电工程技术管理工作．

收稿日期：2015- 09- 05