[摘要]大型涵管頂板施工中，經(jīng)常靠一般經(jīng)驗加工和設計模板，結果往往因模板結構不合理，導致出現(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行詳細和正確的的受力分析計算和結構設計，在現(xiàn)澆混凝土模板施工中預防了安全事故的發(fā)生，并確保了混凝土質(zhì)量，同時相對降低了施工成本。
　　[關鍵詞]大型涵管頂板；鋼模臺車；結構設計；荷載組合；強度；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)驗加工和設計模板，結果往往因模板結構不合理，導致出現(xiàn)質(zhì)量問題，甚至出現(xiàn)安全事故，或者導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構設計過程，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構，單孔過水斷面尺寸5.0×5.5m(寬×高)，澆筑分層如下圖：
　　
　　管身混凝土施工分層示意圖
　　3鋼模臺車結構設計
　　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)、型鋼結構底座。其中底座分為4節(jié)，每節(jié)4.5m，每個底座設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。詳細構造見涵洞頂板鋼模臺車構造圖。
　　
　　涵洞頂板鋼模臺車構造圖
　　4選材
　　采用3號鋼（Q235），材料抗拉強度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)結構安全系數(shù)可取rd=1.4~2，此處取2），材料允許抵抗應力取[σ]=σ/rd=σ/2=1875kgf/cm2，彈性模量E=2.1×106。
　　5結構強度和剛度驗算分析
　　5.1荷載計算
　　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行響應荷載組合。
　　5.1.3荷載計算：
　　○1新澆砼對模板的重應力q1（KN/m2）：
　　新澆混凝土自重對模板的重應力標準值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系數(shù)γQ1=1.2
　　標準值：q1/=1.2×24=28.8KN/m2
　　設計值：q1=γQ1×q1/=34.56KN/m2
　　○2模板自重應力：
　　頂板模板布置及構造如圖：
　　
　　頂板配模圖
　　根據(jù)9015型模板設計，每塊9015型模板重量74.29kg（0.728KN），模板自身重力標準值=0.73÷0.9÷1.5=0.54KN/m2。荷載分項系數(shù)γQ2=1.2。
　　模板自身重力設計值：q2=γQ2×q2/==1.2×0.54=0.65(KN/m2)
　　○3、鋼筋及預埋件自重應力
　　每節(jié)管身頂板鋼筋設計總重30121kg，鋼筋自重應力標準值：q3/=295.19KN÷(5m×19.97m)=2.96KN/m2。荷載分項系數(shù)γQ3=1.2。
　　設計值：q3=γQ3×q3/=1.2×2.96=3.55(KN/m2)
　　○4施工人員和機具設備自重應力
　　根據(jù)規(guī)范施工人員和機具設備自重應力標準值取2.5KN/m2，荷載分項系數(shù)γQ4=1.4。
　　設計值：q4=γQ4×q3/=1.4×2.5=3.57(KN/m2)
　　○5振搗混凝土時產(chǎn)生的荷載
　　根據(jù)規(guī)范標振搗混凝土時產(chǎn)生的荷載準值取2.0KN/m2，荷載分項系數(shù)γQ4=1.4。
　　設計值：q5=γQ5×q3/=1.4×2.0=2.8(KN/m2)
　　1~5荷載合計：45.06KN/m2
　　5.2結構驗算
　　5.2.1頂部橫梁
　　（1）計算簡圖
　　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)梁計算。按均布荷載簡化計算，計算簡圖如下：
　　
　　（2）強度計算
　　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）作頂部橫梁滿足強度要求。
　　（3）最大撓度驗算
　　當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)定性驗算
　　（1）結構及材料
　　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。腳手架構造：立桿橫距75cm、縱距75cm，橫桿步距（層高）100cm。腳手鋼管結構性能：外徑48mm，內(nèi)徑43mm，壁厚3mm，截面積A=357mm2，回轉半徑i=15.9mm，
　　（2）荷載分析
　　荷載○6（單孔頂部橫梁總重）標準值：5m×28根×17.2kg/m=2408kg，設計值：2408×1.2=2890kg=28.32KN
　　荷載○7（單孔鋼管腳手支架總重）標準值：（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，設計值：8830×1.2=10596kg=103.8KN
　　立桿穩(wěn)定驗算荷載組合：○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
　　單根立桿實際承受壓力為：N=4610KN÷168根=27.44KN/根
　　（3）立桿穩(wěn)定性驗算
　　立桿容許荷載計算：
　　長細比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。
　　鋼材強度設計值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。
　　（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。
　　鋼材強度設計值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)梁計算。按均布荷載簡化計算，計算簡圖如下：
　　
　　（2）強度計算
　　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度要求。
　　（3）最大撓度驗算
　　最大撓度出現(xiàn)在跨中位置，簡化為均布荷載計算，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（兩個輪），支點間距3m，無混凝土荷載；澆筑階段有四個支點，支點間距1m，有混凝土荷載。
　　6.2.4.1澆筑施工階段：
　　（1）計算簡圖
　　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
　　為簡化計算，按六等跨均布荷載簡支梁計算，縱梁上均布荷載q=479796÷（450×8）=133.28kg/cm
　　計算簡圖如下：
　　
　　（2）強度計算
　　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度要求。
　　（3）最大撓度驗算
　　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。
　　同樣進行支模階段驗算后，驗算結果證明選用[25號槽鋼作橫梁也滿足允許變形要求。
　　6結語
　　通過選用合理的模板及支架設計流程，結合實際情況，合理選用荷載標準值及荷載分項系數(shù)，合理選取參與構件設計的荷載，合理采用模板剛度指標，合理簡化構件受力計算簡圖，合理選取最不利荷載組合方式，合理應用計算公式，通過正確和科學地分析計算,對模板系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，確保了鋼模臺車系統(tǒng)經(jīng)濟實用、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用。以上簡易頂板鋼模臺車的受力分析和結構設計方法可供同類工程參考。
　　
　　
　　參考文獻：
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