[摘要]大型涵管頂板施工中，經(jīng)常靠一般經(jīng)驗(yàn)加工和設(shè)計(jì)模板，結(jié)果往往因模板結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致出現(xiàn)質(zhì)量問題，甚至出現(xiàn)安全事故。在南水北調(diào)中線瀑河倒虹吸施工中，通過對具體情況下的大型現(xiàn)澆鋼筋混凝土涵管頂板簡易鋼模臺車進(jìn)行詳細(xì)和正確的的受力分析計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)澆混凝土模板施工中預(yù)防了安全事故的發(fā)生，并確保了混凝土質(zhì)量，同時相對降低了施工成本。
　　[關(guān)鍵詞]大型涵管頂板；鋼模臺車；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；荷載組合；強(qiáng)度；撓度；
　　1前言
　　大體積混凝土模板施工中，施工時經(jīng)常靠一般經(jīng)驗(yàn)加工和設(shè)計(jì)模板，結(jié)果往往因模板結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致出現(xiàn)質(zhì)量問題，甚至出現(xiàn)安全事故，或者導(dǎo)致模板施工成本不合理，以下以南水北調(diào)瀑河渠道倒虹吸為例，介紹大型現(xiàn)澆鋼筋混凝土涵洞倒虹吸頂板簡易鋼模臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，以供同類工程參考。
　　2工程概況
　　南水北調(diào)中線瀑河倒虹吸管身為兩孔一聯(lián)的鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，單孔過水?dāng)嗝娉叽?.0×5.5m(寬×高)，澆筑分層如下圖：
　　
　　管身混凝土施工分層示意圖
　　3鋼模臺車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　鋼模臺車由上到下依次為面板、【16槽鋼（間距75cm】、腳手架系統(tǒng)、型鋼結(jié)構(gòu)底座。其中底座分為4節(jié)，每節(jié)4.5m，每個底座設(shè)6個橫向次梁，間距75cm，長4m，每個底座兩個縱向主梁，間距2.25m，長4.5m，每個底座縱梁下設(shè)2個行走輪，間距3m。腳手架系統(tǒng)立桿縱橫間距均為75cm，橫桿步距1m。詳細(xì)構(gòu)造見涵洞頂板鋼模臺車構(gòu)造圖。
　　
　　涵洞頂板鋼模臺車構(gòu)造圖
　　4選材
　　采用3號鋼（Q235），材料抗拉強(qiáng)度σ=3750~4600kgf/cm2，安全系數(shù)取k=2.0（根據(jù)《水利水電工程模板施工規(guī)范》（DL/T5110¬2000）模板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)可取rd=1.4~2，此處取2），材料允許抵抗應(yīng)力取[σ]=σ/rd=σ/2=1875kgf/cm2，彈性模量E=2.1×106。
　　5結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算分析
　　5.1荷載計(jì)算
　　5.1.1模板受力傳遞順序：→模板→上部橫梁→腳手架立桿→臺車底座橫梁→臺車底座縱梁。
　　5.1.2荷載組合：
　　根據(jù)《水電水利工程模板施工規(guī)范》（DL/T5110—2000），對不同部位、不同使用情況分別進(jìn)行響應(yīng)荷載組合。
　　5.1.3荷載計(jì)算：
　　○1新澆砼對模板的重應(yīng)力q1（KN/m2）：
　　新澆混凝土自重對模板的重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值q1=1.2×24=28.8KN/m2。
　　根據(jù)規(guī)范新澆砼對模板的壓力荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ1=1.2
　　標(biāo)準(zhǔn)值：q1/=1.2×24=28.8KN/m2
　　設(shè)計(jì)值：q1=γQ1×q1/=34.56KN/m2
　　○2模板自重應(yīng)力：
　　頂板模板布置及構(gòu)造如圖：
　　
　　頂板配模圖
　　根據(jù)9015型模板設(shè)計(jì)，每塊9015型模板重量74.29kg（0.728KN），模板自身重力標(biāo)準(zhǔn)值=0.73÷0.9÷1.5=0.54KN/m2。荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ2=1.2。
　　模板自身重力設(shè)計(jì)值：q2=γQ2×q2/==1.2×0.54=0.65(KN/m2)
　　○3、鋼筋及預(yù)埋件自重應(yīng)力
　　每節(jié)管身頂板鋼筋設(shè)計(jì)總重30121kg，鋼筋自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值：q3/=295.19KN÷(5m×19.97m)=2.96KN/m2。荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ3=1.2。
　　設(shè)計(jì)值：q3=γQ3×q3/=1.2×2.96=3.55(KN/m2)
　　○4施工人員和機(jī)具設(shè)備自重應(yīng)力
　　根據(jù)規(guī)范施工人員和機(jī)具設(shè)備自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值取2.5KN/m2，荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ4=1.4。
　　設(shè)計(jì)值：q4=γQ4×q3/=1.4×2.5=3.57(KN/m2)
　　○5振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載
　　根據(jù)規(guī)范標(biāo)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載準(zhǔn)值取2.0KN/m2，荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ4=1.4。
　　設(shè)計(jì)值：q5=γQ5×q3/=1.4×2.0=2.8(KN/m2)
　　1~5荷載合計(jì)：45.06KN/m2
　　5.2結(jié)構(gòu)驗(yàn)算
　　5.2.1頂部橫梁
　　（1）計(jì)算簡圖
　　單根橫梁長4m，間距為75cm，承受模板縱向肋條傳遞的荷載，橫梁支撐在立桿上，立桿間距為75cm，則頂部橫梁按五跨簡支連續(xù)梁計(jì)算。按均布荷載簡化計(jì)算，計(jì)算簡圖如下：
　　
　　（2）強(qiáng)度計(jì)算
　　最大彎矩出現(xiàn)在B支座處，此處最大彎矩系數(shù)kf=-0.119,
　　最大彎矩：M=kfqL2=-0.119×34.5×752=-23093（kgf•cm)（L為單跨間距）
　　需要頂部橫梁的抵抗彎矩：W=M/[σ]=23093÷1875=12.3(cm3)
　　選用[16號槽鋼作頂部橫梁（臥用、槽面向下），截面抵抗矩W=16.3(cm3)，慣性矩I=73.3(cm4)。
　　橫梁最大應(yīng)力：σ=M/W=23.93÷16.3=1417<[σ]=1875(kgf/cm2)
　　選用[16號槽鋼（臥用）作頂部橫梁滿足強(qiáng)度要求。
　　（3）最大撓度驗(yàn)算
　　當(dāng)僅僅第一跨受荷載時該跨跨中位置出現(xiàn)最大撓度，查得此處彎矩系數(shù)kf=0.912，
　　最大撓度：f==0.912×34.5×754÷(100×2.1×106×73.3)=0.06cm<[f]=L/1000=0.17cm
　　選用[16號槽鋼（臥用）作豎橫梁滿足允許變形要求。
　　5.2.2立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
　　（1）結(jié)構(gòu)及材料
　　頂部橫梁與臺車底部橫梁之間依靠鋼管腳手支架（滿堂架）支撐，橫梁直接支撐在腳手架立桿上。腳手架構(gòu)造：立桿橫距75cm、縱距75cm，橫桿步距（層高）100cm。腳手鋼管結(jié)構(gòu)性能：外徑48mm，內(nèi)徑43mm，壁厚3mm，截面積A=357mm2，回轉(zhuǎn)半徑i=15.9mm，
　　（2）荷載分析
　　荷載○6（單孔頂部橫梁總重）標(biāo)準(zhǔn)值：5m×28根×17.2kg/m=2408kg，設(shè)計(jì)值：2408×1.2=2890kg=28.32KN
　　荷載○7（單孔鋼管腳手支架總重）標(biāo)準(zhǔn)值：（立桿4.5m/根168根+大橫桿20m/根×24根+小橫桿4m/根×112根+剪刀撐6m/根×32根）×3.92kg/m+直角扣件168個×1.32kg/個+轉(zhuǎn)角扣件21×16個×1.47kg/個+對接扣件48個×1.84kg/個+調(diào)節(jié)支座168個×4kg/個=7354+222+494+88+672=8830kg，設(shè)計(jì)值：8830×1.2=10596kg=103.8KN
　　立桿穩(wěn)定驗(yàn)算荷載組合：○1+○2+○3+○4+○5+○6+○7
　　鋼管腳手架承受豎向荷載總重：45.06KN/m2×5m×20m+28.32+103.8=4610KN
　　單根立桿實(shí)際承受壓力為：N=4610KN÷168根=27.44KN/根
　　（3）立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
　　立桿容許荷載計(jì)算：
　　長細(xì)比λ=L/i=1000÷15.9=62.9，根據(jù)λ=62.9查表得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.792。
　　鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f取184N/mm2。
　　[N]=φAf=0.792×357mm2×184N/mm2=52025N=52.02KN/根
　　N=27.44KN/根<[N]=52.02KN/根
　　立桿滿足穩(wěn)定要求，但安全度過高，不經(jīng)濟(jì)。
　　（4）方案優(yōu)化
　　立桿間距不變，將橫桿步距由1m抬高到1.8m（減去兩層橫桿）。
　　長細(xì)比λ=L/i=1800÷15.9=113.2，根據(jù)λ=113.2查表得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.474。
　　鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f取184N/mm2。
　　[N]=φAf=0.474×357mm2×184N/mm231136N=31.14KN/根
　　N=27.44KN/根<[N]=31.14KN/根
　　優(yōu)化后立桿滿足穩(wěn)定要求。
　　5.2.3底座橫梁
　　（1）計(jì)算簡圖
　　荷載組合為○1+○2+○3+○4+○5+○6+○7
　　單個立桿傳遞的集中荷載：27.44KN或2800kg
　　單根橫梁長4m，間距為75cm，支模階段承受上部立桿傳遞的模板自重力、頂部橫梁自重力、腳手架自重力等豎向荷載pi，臺車底座橫梁支撐在底座縱梁上，縱梁間距為225cm，則底座橫梁支模階段按單跨簡支連續(xù)梁計(jì)算。按均布荷載簡化計(jì)算，計(jì)算簡圖如下：
　　
　　（2）強(qiáng)度計(jì)算
　　最大彎矩出現(xiàn)在跨中，最大彎矩：
　　M=plL/2=27.44×2.25÷2=30.871KN•m=315000（kgf•cm)
　　需要橫梁的抵抗彎矩：W=M/[σ]=315000÷1875=168(cm3)
　　選用16][16槽鋼作頂部橫梁，截面抵抗矩W=108×2=216(cm3)，慣性矩I=866×2=1732(cm4)。
　　橫梁最大應(yīng)力：σ=M/W=315000÷216=1458<[σ]=1875(kgf/cm2)
　　選用16][16槽鋼作頂部橫梁滿足強(qiáng)度要求。
　　（3）最大撓度驗(yàn)算
　　最大撓度出現(xiàn)在跨中位置，簡化為均布荷載計(jì)算，均布荷載q=27.44×6÷400=0.411kN/cm=42kgf/cm
　　最大撓度：f==42×2254[5-24×(87.5/225)2]÷(384×2.1×106×1732)=0.11cm<[f]=L/1000=0.23cm
　　選用16][16號槽鋼作橫梁滿足允許變形要求。
　　6.2.4底座縱梁
　　底座總量驗(yàn)算時，要分別考慮支模施工階段和澆筑施工階段受力情況。其中支模階段每個縱梁兩個支點(diǎn)（兩個輪），支點(diǎn)間距3m，無混凝土荷載；澆筑階段有四個支點(diǎn)，支點(diǎn)間距1m，有混凝土荷載。
　　6.2.4.1澆筑施工階段：
　　（1）計(jì)算簡圖
　　荷載組合為○1+○2+○3+○4+○5+○6+○7+○8
　　○8為底座橫梁重量=28.32×2=56.64Kn
　　單孔縱梁承受的總重=（34.56+0.65+3.55+3.57+2.8）×5×20+28.32+103.8+56.64=4702kN=479796kg
　　為簡化計(jì)算，按六等跨均布荷載簡支梁計(jì)算，縱梁上均布荷載q=479796÷（450×8）=133.28kg/cm
　　計(jì)算簡圖如下：
　　
　　（2）強(qiáng)度計(jì)算
　　最大彎矩出現(xiàn)在B支座處，最大彎矩系數(shù)kf=-0.119：
　　M=kfql2=-0.119×133.28×1502=356857（kgf•cm)
　　需要縱梁的抵抗彎矩：W=M/[σ]=356857÷1875=190.32(cm3)
　　選用[25號槽鋼作頂部橫梁，截面抵抗矩W=270(cm3)，慣性矩I=3370(cm4)。
　　橫梁最大應(yīng)力：σ=M/W=356857÷270=1321<[σ]=1875(kgf/cm2)
　　選用[25號槽鋼作頂部橫梁滿足強(qiáng)度要求。
　　（3）最大撓度驗(yàn)算
　　最大撓度出現(xiàn)在第一跨跨中位置，最大撓度系數(shù)kf=0.973簡化為均布荷載計(jì)算，
　　最大撓度：f==0.973×133.28×754÷(100×2.1×106×866)=0.09cm<[f]=L/1000=0.15cm
　　選用[25號槽鋼作橫梁滿足允許變形要求。
　　同樣進(jìn)行支模階段驗(yàn)算后，驗(yàn)算結(jié)果證明選用[25號槽鋼作橫梁也滿足允許變形要求。
　　6結(jié)語
　　通過選用合理的模板及支架設(shè)計(jì)流程，結(jié)合實(shí)際情況，合理選用荷載標(biāo)準(zhǔn)值及荷載分項(xiàng)系數(shù)，合理選取參與構(gòu)件設(shè)計(jì)的荷載，合理采用模板剛度指標(biāo)，合理簡化構(gòu)件受力計(jì)算簡圖，合理選取最不利荷載組合方式，合理應(yīng)用計(jì)算公式，通過正確和科學(xué)地分析計(jì)算,對模板系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保了鋼模臺車系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠，同時也確保了工程質(zhì)量，相對降低了施工成本，因此在南水北調(diào)中線瀑河倒虹吸混凝土模板施工中得到了推廣應(yīng)用。以上簡易頂板鋼模臺車的受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可供同類工程參考。
　　
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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