張 丹 萍，曾 強(qiáng)，姜 港

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

扣件式鋼管腳手架是水利水電工程施工中常見的基礎(chǔ)材料之一，主要應(yīng)用于施工作業(yè)平臺(tái)搭設(shè)以及混凝土澆筑支撐作業(yè)。伴隨著水利水電工程施工技術(shù)的改革和發(fā)展，盤扣式鋼管支架作為一種新型腳手架技術(shù)被引入白鶴灘水電站左岸地下廠房中使用。盤扣式鋼管支架是我國目前推廣應(yīng)用最為廣泛、效果最好的新型腳手架技術(shù)，能夠適應(yīng)多種間距形式的施工排架、承重支撐架需求，具有搭拆簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、承載力高、安全可靠，全部桿件均系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、易管理、適應(yīng)性強(qiáng)、形象美觀等特點(diǎn)。筆者介紹了用于白鶴灘水電站左岸主變洞混凝土澆筑施工盤扣式鋼管支架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用情況，分析了復(fù)雜板梁結(jié)構(gòu)下盤扣式鋼管支架支撐中存在的若干問題，總結(jié)了盤扣式鋼管支架支撐復(fù)雜板梁結(jié)構(gòu)的注意事項(xiàng)。

白鶴灘水電站左岸主變洞平行于主副廠房洞布置，位于主副廠房洞下游側(cè)。主變洞從南到北依次布置南側(cè)副廠房，1#～8#主變段，北側(cè)副廠房。主變洞主變壓器段分3層，上層為GIS層，底部高程為605.75 m，主要布置GIS開關(guān)設(shè)備；下層為主變層，與主副廠房洞發(fā)電機(jī)層同高(高程為590.35 m)，上游側(cè)布置變壓器運(yùn)輸?shù)溃瑑魧? m，與進(jìn)廠交通洞連通；下游側(cè)布置主變壓器室，每臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)布置3臺(tái)單相變壓器，每臺(tái)變壓器之間采用防爆墻隔開。中間層為電纜廊道層，布置在主變層變壓器運(yùn)輸?shù)勒戏?，層?.8 m，貫穿整個(gè)主變洞。左岸主變洞作為白鶴灘水電站地下廠房的重要組成部位，文明施工要求高，工期緊。為確保施工工期，加快施工進(jìn)度，提高文明施工形象，采用盤扣式鋼管支架作為主變洞澆筑期間的模板支撐體系。同時(shí)，主變洞采用復(fù)雜板梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主梁與次梁縱橫向交錯(cuò)布置，梁大小、跨度、高度等各不相同，具有支撐體系設(shè)計(jì)復(fù)雜、承載力要求高等特點(diǎn)。

2 支撐架的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)主變洞復(fù)雜板梁模板支撐體系時(shí)，應(yīng)根據(jù)主變洞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并充分考慮工程進(jìn)度、質(zhì)量和安全要求，同時(shí)，在安全允許的范圍內(nèi)最大程度地降低投資成本[1]。

(1)要求主變洞板梁模板支撐架架體結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，能可靠地承受混凝土澆筑時(shí)的重量及其它施工荷載。

(2)支撐架結(jié)構(gòu)力求做到構(gòu)造簡(jiǎn)單，裝拆方便，便于施工且與該工程結(jié)構(gòu)各部形狀尺寸、標(biāo)高等相互位置匹配，符合設(shè)計(jì)要求。

(3)支撐架應(yīng)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件及施工使用時(shí)限要求，在其使用期間應(yīng)具有足夠的耐久性與安全性。

(4)選用盤扣式鋼管支架材料時(shí)，應(yīng)滿足《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》(JGJ 231-2010)的要求。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

針對(duì)主變洞現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并考慮常見盤扣式鋼管支架的規(guī)格尺寸，其滿堂支撐架設(shè)計(jì)參數(shù)為：

(1)考慮滿堂支撐架承重要求，立桿采用Φ60×3.2 mm鋼管(Q345A)，長(zhǎng)度L=0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，根據(jù)支撐架的搭設(shè)高度選取不同長(zhǎng)度的外套管組合搭配，該工程滿堂支撐架的最大搭設(shè)高度為15.1 m(高程590.35～605.75 m，混凝土板厚30 cm)。

(2)立桿步距h=1.5 m。

(3)立桿間排距與常見盤扣架水平桿長(zhǎng)度匹配，主要為0.9 m、1.2 m、1.5 m?？筛鶕?jù)主變洞梁位置選用不同長(zhǎng)度的水平桿進(jìn)行組合搭配，確保立桿位于梁兩側(cè)；為給立桿頂部可調(diào)托座預(yù)留10～40 cm的調(diào)節(jié)空間，立桿頂部應(yīng)低于板底0.35～0.6 m，梁底0.45～0.7 m(可調(diào)托座伸出頂層水平桿長(zhǎng)度≤0.4 m，模板圍楞采用10#槽鋼與5 cm×10 cm方木，圍楞高度為0.2 m，調(diào)節(jié)螺母高度為0.05 m，板10#槽鋼圍楞直接置于可調(diào)托座上，梁10#槽鋼圍楞放置在可調(diào)托座上的雙10#槽鋼上，雙10#槽鋼高度為0.1 m)，水平桿采用Φ48×2.5 mm鋼管(Q235B)。

(4)最外側(cè)立桿距主變洞隔墻30～40 cm，為模板施工預(yù)留了足夠的空間。最下層水平桿距地面50 cm。

(5)連墻件采用直角扣件將Φ48架管的一端與水平桿扣接，連接點(diǎn)距盤扣節(jié)點(diǎn)≤20 cm，另一端與邊墻系統(tǒng)錨桿(插筋)焊接或緊抵已澆筑混凝土面，連墻件按照兩步三跨布置。

(6)爬梯布置在靠近運(yùn)輸通道側(cè)，爬梯采用廠家配套生產(chǎn)的鋼踏板，與地面角度為30°～45°，步距不超過30 cm，一直延伸至作業(yè)層。

(7)剪刀撐：盤扣式鋼管支架豎向斜桿滿布設(shè)置，沿高度方向每隔5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步距設(shè)置Φ48鋼管大面剪刀撐。

(8)盤扣式鋼管支架位于左岸主變洞。因其為洞內(nèi)施工，故不考慮風(fēng)壓力。

(9)盤扣架可調(diào)底托位于已澆筑且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土面上，故不考慮排架基礎(chǔ)承載力。

2.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)可調(diào)底座高度設(shè)計(jì)。盤扣式鋼管支架立桿采用外套管接長(zhǎng)，外套桿為長(zhǎng)度固定標(biāo)件。為保證立桿頂部低于框架梁底0.35～0.65 m、其余梁底0.45～0.75 m，以便于搭拆模板圍楞且有足夠的調(diào)節(jié)空間，故可調(diào)底座高度的設(shè)計(jì)對(duì)上部模板支撐系統(tǒng)的搭設(shè)尤為關(guān)鍵。

主變洞高程605.75 m，層樓板框架梁高1.2 m，其余梁高1 m和0.8 m，按照框架梁位置進(jìn)行滿堂支撐架設(shè)計(jì)?？紤]到立桿頂部低于框架梁底0.5 m(距離其余梁底高0.7 m和0.9 m)，故立桿頂部距離地面的高度為13.7 m，立桿外套管可調(diào)節(jié)模數(shù)為0.5 m，此時(shí)模板支架可調(diào)底座調(diào)節(jié)絲桿外露長(zhǎng)度約為0.2 m，最底層水平桿離地高度為0.45 m，滿足《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》(JGJ 231-2010)中作為掃地桿的最底層水平桿離地高度不應(yīng)大于0.55 m和可調(diào)托座絲桿外露長(zhǎng)度嚴(yán)禁超過0.4 m的要求。

(2)起始桿設(shè)計(jì)。根據(jù)《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》(JGJ 231-2010)的規(guī)定：立桿應(yīng)通過立桿連接套管連接，在同一水平高度內(nèi)相鄰立桿連接套管接頭的位置宜錯(cuò)開[2，3]。模板支架高度大于8 m時(shí)，錯(cuò)開高度不宜小于0.5 m。左岸主變洞板梁柱混凝土澆筑采用2 m和2.5 m起始桿、梅花型交錯(cuò)布置。

(3)立桿設(shè)計(jì)。起始桿上部連續(xù)采用2.5 m立桿外套管進(jìn)行接長(zhǎng)，當(dāng)搭設(shè)至最后一根立桿時(shí)，框架梁部位采用長(zhǎng)度為1 m和1.5 m的立桿外套管，此時(shí)加上可調(diào)底座絲桿外露長(zhǎng)度0.2 m，則總搭設(shè)高度為13.7 m，立桿頂部距離框架梁底0.5 m；1 m高梁位置采用1 m和1.5 m立桿外套管，此時(shí)，加上可調(diào)底座絲桿外露長(zhǎng)度0.2 m，則總搭設(shè)高度為13.7 m，立桿頂部距梁底0.7 m；0.8 m高梁位置采用1 m和1.5 m立桿外套管，加上可調(diào)底座絲桿外露長(zhǎng)度0.2 m，總搭設(shè)高度為13.7 m，此時(shí)距梁底0.9 m(>0.7 m)，若增加一根0.5 m立桿外套管，則距離梁底0.4 m(0<0.45 m)。為滿足立桿頂部低于梁底0.45～0.7 m的要求，采用定制長(zhǎng)度為0.2 m的外套管對(duì)最后一根立桿進(jìn)行加長(zhǎng)，此時(shí)立桿頂部距梁底0.7 m；板部位采用2 m和2.5 m立桿外套管，加上可調(diào)底座絲桿外露長(zhǎng)度0.2 m，其總搭設(shè)高度為14.7 m，立桿頂部距離板底0.4 m。

(4)可調(diào)托座設(shè)計(jì)。主變洞混凝土澆筑模板采用1.5 cm厚普通膠合板，膠合板下鋪設(shè)5 cm×10 cm方木作為次楞，梁位置方木與梁同方向，方木下部間隔75 cm鋪設(shè)單根10#槽鋼與其垂直作為主楞，最后置于可調(diào)托座上部背靠背鋪設(shè)的雙10#槽鋼上作為支撐，板位置10#槽鋼圍楞直接置于可調(diào)托座上，故梁模板及其圍楞共計(jì)31.5 cm，板模板及圍楞共計(jì)21.5 cm，除去可調(diào)托座托盤厚度為0.5 cm，可知框架梁部位可調(diào)托座外露絲桿長(zhǎng)度為18 cm；1 m和0.8 m高梁部位可調(diào)托座外露絲桿長(zhǎng)度為38 cm，板位置可調(diào)托座外露絲桿長(zhǎng)度為18 cm，滿足《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術(shù)規(guī)程》(JGJ 231-2010)中模板支架可調(diào)托座絲桿外露長(zhǎng)度嚴(yán)禁超過0.4 m的要求。

(5)反向托座設(shè)計(jì)。盤扣式鋼管支架的現(xiàn)有工藝一般采取立桿和可調(diào)托座支撐板結(jié)構(gòu)，而對(duì)于荷載較大的梁支撐則采用雙槽鋼擱置在連接盤上作為支撐模板面板及圍楞的托梁。該方法對(duì)于擱置在連接盤上的雙槽鋼和連接盤穩(wěn)定性有很高的要求且容易失穩(wěn)而造成坍塌破壞。對(duì)于主變洞混凝土澆筑，技術(shù)人員創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種“反向托座”進(jìn)行梁結(jié)構(gòu)兩側(cè)板結(jié)構(gòu)的支撐，從而避免了梁支撐采用雙槽鋼擱置在連接盤上作為支撐托梁的方法，不但施工便捷，同時(shí)所使用的雙槽鋼只需背對(duì)背放置在可調(diào)托座上而不需進(jìn)行特別的加固處理，從而避免了連接盤承受荷載，其安全性明顯提升。梁結(jié)構(gòu)部位支撐情況見圖1。

圖1 梁結(jié)構(gòu)支撐詳圖

主變洞高程605.75 m處層板厚0.3 m，框架梁高度為1.2 m，其余梁高1 m和0.8 m，梁結(jié)構(gòu)與板結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)高度差分別為0.9 m、0.7 m和0.5 m。首先在位于梁兩側(cè)的立桿頂部可調(diào)托座上沿梁方向鋪設(shè)背靠背雙10#槽鋼作為梁圍楞的支撐基礎(chǔ)，梁結(jié)構(gòu)兩側(cè)的板結(jié)構(gòu)采用反向托座進(jìn)行支撐，反向托座采用雙10#槽鋼作為基礎(chǔ)，與立桿在同一鉛直線上。根據(jù)反向托座支撐高度設(shè)計(jì)了H550 mm和H300 mm兩種反向托座，0.7 m和0.9 m高支撐位置采用H550 mm反向托座，0.5 m高支撐位置采用H300 m反向托座。反向托座由Φ60立桿(帶連接盤)和2個(gè)可調(diào)托座組成，具體情況見圖2。將一端可調(diào)托座反向扣在雙10#槽鋼基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)反向放置可調(diào)托座外露絲桿的長(zhǎng)度，使反向托座的連接盤與直接支撐板結(jié)構(gòu)的立桿外套管最頂部連接盤位于同一高度，采用水平桿連接形成統(tǒng)一的整體，以提升架體的整體穩(wěn)定性；最后調(diào)節(jié)頂部可調(diào)托座的外露絲桿外露長(zhǎng)度滿足模板及圍楞的支撐要求。

圖2 H550 mm和H300 mm反向托座詳圖

由于受反向托座調(diào)節(jié)高度限制，可能會(huì)出現(xiàn)反向托座連接盤與直接支撐板結(jié)構(gòu)的立桿外套管最頂部連接盤不能調(diào)整至同一高度的現(xiàn)象，此時(shí)可采用Φ48架管和扣件將反向托座水平桿和立桿水平桿連接形成整體。

3 盤扣式鋼管支架的計(jì)算要點(diǎn)

3.1 主要計(jì)算荷載的選擇

基本荷載的主要取值[4]為：

(1)模板及楞自重，取1 kN/m2。

(2)新澆混凝土自重，取24 kN/m3。

(3)鋼筋自重量，樓板取1.1 kN/m3、梁取1.5 kN/m3。

(4)施工均布荷載，取1 kN/m2。

(5)振搗混凝土產(chǎn)生的荷載，取2 kN/m2。

(6)鑒于新澆混凝土側(cè)壓力與混凝土振搗、澆筑速度、凝固速度等因素有關(guān)，梁柱結(jié)構(gòu)采用對(duì)拉方式加固，故計(jì)算排架穩(wěn)定性時(shí)可不考慮混凝土側(cè)壓力。

(7)特殊荷載：風(fēng)荷載按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB20009-2012取值，洞內(nèi)可不考慮風(fēng)荷載的影響。

(8)計(jì)算模板的荷載設(shè)計(jì)值時(shí)應(yīng)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以相應(yīng)荷載分項(xiàng)系數(shù)?？勺冏饔玫姆猪?xiàng)系數(shù)取1.5，永久作用的分項(xiàng)系數(shù)取1.3[5]。

模板荷載設(shè)計(jì)值組合為：1.3(1)+1.3(2)+1.3(3)+1.5(4)+1.5(5)+立桿自重設(shè)計(jì)值。

3.2 支撐架立桿需要驗(yàn)算的部位

按照規(guī)范規(guī)定要求搭設(shè)的盤扣式模板支架需要計(jì)算以下幾項(xiàng)內(nèi)容內(nèi)容：

(1)立桿的穩(wěn)定性。

(2)盤扣節(jié)點(diǎn)連接盤的抗剪承載力。

(3)整體抗傾覆穩(wěn)定性。該工程模板支架的高寬比<3，且四周按兩步三跨設(shè)置有連墻件，故可以認(rèn)為模板支架整體抗傾覆穩(wěn)定，不需要單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算。

(4)地基承載力。該工程模板支架支撐在已澆筑且達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的底板混凝土上，故可以認(rèn)為模板支架地基承載力滿足要求，不需要進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。

3.3 盤扣式鋼管支撐架立桿穩(wěn)定性計(jì)算

盤扣式鋼管支撐架位于主變洞內(nèi)，不考慮風(fēng)荷載，立桿穩(wěn)定性的計(jì)算公式為：

N/(φ×A)≤f

λ=lo/i

lo=ηh(用于非頂部立桿段)

lo=h’+2ka(用于頂部立桿段)

式中 φ為軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)立桿長(zhǎng)細(xì)比λo查表確定；i為Φ60立桿回轉(zhuǎn)半徑，可取2.01 cm；η為支架立桿計(jì)算長(zhǎng)度修正系數(shù)，水平桿步距為0.5 m或1 m時(shí)，可取1.6；水平桿步距為1.5 m時(shí)，可取1.2；k為懸臂端計(jì)算長(zhǎng)度折減系數(shù)，可取0.7；h為立桿支架中間層水平桿最大豎向步距，取1.5；h’為支架立桿頂層水平桿步距，宜比最大步距減少一個(gè)盤扣的距離，本次計(jì)算時(shí)取0.5 m；N為立桿軸向力設(shè)計(jì)值；A為立桿橫截面面積；f為鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

按照以上步驟計(jì)算所得lo取較大值，可以驗(yàn)算所計(jì)算部位立桿的穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 盤扣節(jié)點(diǎn)連接盤抗剪承載力計(jì)算

梁板結(jié)構(gòu)采用反托方式支持從而避免了雙槽鋼擱置在連接盤上，故連接盤只承受自身重量及作業(yè)層施工荷載，其承載力計(jì)算公式：

FR≤Qb

式中FR為作用在盤扣節(jié)點(diǎn)處連接盤上的豎向力設(shè)計(jì)值，按照最大間排距1.5 m×1.5 m進(jìn)行計(jì)算；Qb為連接盤抗剪承載力設(shè)計(jì)值，可取40 kN。

按照以上步驟可以驗(yàn)算出所計(jì)算部位盤扣節(jié)點(diǎn)連接盤的抗剪承載力滿足要求。

4 取得的成效

盤扣式鋼管支架的現(xiàn)有工藝一般采取立桿和可調(diào)托座支撐板結(jié)構(gòu)，而對(duì)于荷載較大的梁支撐則采用雙槽鋼擱置在連接盤上作為支撐模板面板及圍楞的托梁。該方法對(duì)于擱置在連接盤上的雙槽鋼和連接盤的穩(wěn)定性有很高的要求，且容易失穩(wěn)而造成坍塌破壞。

白鶴灘水電站左岸主變洞工程率先創(chuàng)新使用反向托座進(jìn)行梁結(jié)構(gòu)兩側(cè)板結(jié)構(gòu)的支撐，避免了雙槽鋼擱置在連接盤上導(dǎo)致連接盤受力超過其抗剪承載力造成架體失穩(wěn)坍塌的可能性；同時(shí)，使用反向托座施工便捷，不需要進(jìn)行加固處理，施工進(jìn)度和安全性能夠得到有效保證。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

(1)盤扣式鋼管支架具有搭拆簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、承載力高、安全可靠、形象美觀等特點(diǎn)，工程進(jìn)度和施工安全能夠得到有效的保證。

(2)盤扣式鋼管支架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確計(jì)算出第一個(gè)連接盤距離搭設(shè)面的高度，以保證頂層作業(yè)平臺(tái)具有足夠的施工作業(yè)空間，同時(shí)保證可調(diào)頂托座絲桿外露長(zhǎng)度不超過規(guī)范要求。

(3)復(fù)雜板梁結(jié)構(gòu)下采用反向托座進(jìn)行梁結(jié)構(gòu)兩側(cè)板結(jié)構(gòu)的支撐，確保反向托座與立桿在同一鉛直線上，可以保證盤扣式鋼管支架的穩(wěn)定和工程施工進(jìn)度。

(4)反向托座的連接盤與直接支撐板結(jié)構(gòu)的立桿外套管最頂部連接盤需調(diào)整至同一高度，使用水平桿將其連接形成整體，從而提高架體的整體穩(wěn)定性。由于受反向托座調(diào)節(jié)高度限制，可能會(huì)出現(xiàn)反向托座連接盤與直接支撐板結(jié)構(gòu)的立桿外套管最頂部連接盤不能調(diào)整至同一高度的現(xiàn)象，此時(shí)，采用Φ48架管和扣件將反向托座水平桿和立桿水平桿連接形成整體。

(5)模板支撐架連墻件應(yīng)盡量采用剛性連接。對(duì)于不方便設(shè)置剛性連墻件的部位(如混凝土墻面)，可使用Φ48架管一端與支架水平桿扣接，另一端采用調(diào)節(jié)絲桿與邊墻混凝土抵死，通過調(diào)節(jié)絲桿與邊墻之間的摩擦力抵消排架側(cè)向、豎向的微小位移，保證支架的整體穩(wěn)定。

5.2 展 望

該工程使用的盤扣式鋼管支架各項(xiàng)參數(shù)均經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算，同時(shí)，施工過程中加強(qiáng)了安全巡查，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，特別是該工程率先創(chuàng)新使用的反向托座對(duì)于復(fù)雜板梁結(jié)構(gòu)混凝土支撐架具有很好的借鑒和推廣作用。但盤扣式鋼管支架作為一項(xiàng)新型腳手架技術(shù)引入到白鶴灘水電站左岸地下廠房中使用，在水利水電工程中實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)欠缺，不確定因素較多，在設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)架體結(jié)構(gòu)理論研究就顯得非常重要。施工過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控是確保施工安全的重要手段。隨著盤扣式鋼管支架和計(jì)算機(jī)軟件的進(jìn)一步發(fā)展，將促使盤扣式鋼管支架逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。