湖北水总水利水电建设股份有限公司 湖北省 430034
摘要：水闸工程施工是一个受雨水季节影响较大的工程施工，但对工期跨年度的水闸工程，特别是在水下工程完成的水闸施工项目，因赶工期需要其上部结构继续施工，为了既要保证闸孔过流又能确保上部结构安全施工，往往在闸孔底板等上部结构采用钢支撑架空施工。
关键词：汛期施工；钢支撑；方案研究
1.钢支撑施工设计方案
1.1钢支撑总体安排
通山县九宫河拦河闸除险加固工程由于种种原因造成开工时间延迟3个月，错个最佳施工时段（枯水期）。现汛期来临，为了在计划工期内完成该工程，交通桥及闸室顶板支撑计划采取40b槽钢架空Ι32b工字钢，在高程58m处搭设满堂脚手架支撑，以便行洪安全，汛期能正常施工，加快施工进度、确保在计划工期内完成通山县九宫河拦河闸除险加固工程。
计划采购4跨交通桥及闸室板支撑所需材料（槽钢、Ι20a、Ι32b工字钢等），余6跨利用以上4跨材 料周转使用。
施工程序：立柱Ι40b(3m)工字钢安装→两侧纵向Ι20a(18m)工字钢安装→横向Ι32b工字钢安装（8m）→满堂脚手架搭设→模板安装→钢筋混凝土浇筑→模板、脚手架、工字钢拆除。
1.2交通桥及闸室板支撑方案计算
支撑平台及以上部位按满堂架施工，恒荷载1510KN，施工活荷载按10KN/m2，平台总面积（扣除工作闸门及检修闸门缺口2m）为16*8=128 m2，根据《荷规》3.2.3条按恒荷载控制作用基本组合设计值为：
平台总荷载设计值Pd：1.35*1510+10*128=3318.5KN，
单位面积荷载设计值qd：3318.5/128=25.93KN/m2。
承载能力按极限状态设计，挠度按正常使用极限状态设计，结构重要性系数（因为施工方案为临时工程）规范要求取0.95，实际计算按1.0取值，规范为《钢结构设计规范》GB50017-2003。
1.2.1、槽钢立柱选型计算
单根柱高3000mm，钢材Q235，槽钢立柱中间部位隔1m与闸墩体采用拉筋压横檩连接固定，按照两端铰连接其计算长度L按3000mm/2=1500mm计算，两侧各布置9根共18根则每根槽钢的所受的轴向压力为：N=3318.5/18=184.36KN，假设采用单根40b槽钢，其b类截面面积A=83cm2，计算单根40b槽钢柱轴心受压承载能力。
1.2.1.1抗压强度计算
忽略槽钢偏心力矩及自身重量，仅受满堂脚手架的重压及地面支持反力，其受到的剪切力可忽略不计。
根据材质钢材Q235：许用弯曲应力[σ]=158Mpa,许用剪切应力[τ]=98Mpa，许用挤压应力[σj]=235Mpa，E=200Gpa,其则单根40b槽钢柱轴心受压承载能力为：
σmax=F/A≤[σj]=184.36/83=222.12Mpa≤235Mpa
满足要求。
1.2.1.2抗弯曲强度计算
钢材Q235：许用弯曲应力[σ]=158Mpa,查表知40b槽钢横截面对Y轴抗弯矩截面系数最小，E=200Gpa,I=640cm4,槽钢高L=3m，由于中间加了两道拉筋固定，为了保险起见μ=0.7，则有压杆临界力为：
Fcr=π2EI/(μl)2=3.142*200*106*640/2102=286.2KN＞184.36KN
所以满足要求。
所以选用9根40b槽钢做立柱可以满足上部结构荷载承重要求。
1.2.2、纵向Ι20a工字钢受力计算
根据材质钢材Q235：许用弯曲应力[σ]=158Mpa,许用剪切应力[τ]=98Mpa，许用挤压应力[σj]=235Mpa，E=200Gpa,平台总荷载设计值Pd=3478.5KN，单位面积荷载设计值qd=24.2KN/m2。
1.2.2.1抗剪强度验算
Ι20a工字钢总长18m焊接在9根40b槽钢立柱分为8跨（实际受力长度除去工作闸门口及检修闸门口2m槽宽为16m）平均跨长为2m，上面横向平铺Ι32b工字钢16根，则平均间距为16/16=1m，布置时Ι32b工字钢总有一根落在Ι20a工字钢2m的中间部位，其受力简化为两端简支梁，其最不利的受力是一条0.4*1.0（宽*高）主梁的重量完全由上部的一根Ι32b工字钢承担，其荷载为10.8KN/m，剩余0.6m宽度荷载折算为：0.6*25.93=15.6KN/m，模板及钢管架荷载通过估算为：1.2KN/m，施工荷载简化为估算为：4KN/m，合计为q=31.6KN/m，则Ι20a工字钢每支撑点的剪力V为：
V=qL/2=31.6*8/4=63.2Mpa
τ=VS/Itw=63.2*136.1*10-6/158/10-8/0.0114
τ=47.75Mpa＜[τ]=98Mpa
公式中：
V-计算截面沿腹板平面作用的剪力63.2Mpa
I-毛截面惯性矩查型钢表158cm4
S-计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩136.1cm3
tw-腹板厚度11.4mm
[τ]钢材Q235许用剪切应力=98Mpa
所以满足要求。
1.2.2.2抗弯强度计算
在实际施工时纵向Ι20a工字钢全部焊接在9根40b槽钢立柱顶面，总长度18m，平均2m一个连接点，上面横向平铺Ι32b工字钢16根，其间距根据上部梁板位置摆放，按照其弯矩计算为：
将上部板梁结构的均布荷载换算成集中荷载传递在两边间距2m纵向Ι20a工字钢上，则 P=0.5*31.6KN/m*8m=126.4KN，按照L=2m简支梁跨中最大弯矩验算，按照1.5倍的安全系数验算则有：
Mmax=1.5*P*L/4=1.5*126.4*2/4=94.8Mpa＜[σ]=158Mpa
所以满足要求。
所以选用2根纵向Ι20a工字钢可以满足上部结构荷载承重要求。
1.2.3、横向Ι32b工字钢受力计算
Ι20a工字钢上面横向平铺Ι32b工字钢16根，除去工作闸门口及检修闸门口2m，则平均间距为16/16=1m，横向平铺Ι32b工字钢每根承担上部荷载的受力简化为两端简支梁，其最不利的受力是一条0.4*1.0（宽*高）主梁的重量完全由上部的一根Ι32b工字钢承担。
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1.2.3.1抗剪强度验算
主梁荷载为0.4*1.0*2.7KN/m=10.8KN/m，剩余0.6m宽度板荷载折算0.6*25.93=15.6KN/m，模板及钢管架荷载通过估算为：1.2KN/m，施工荷载简化为估算为：4KN/m，合计为q=31.6KN/m，安全系数取1.5，则跨度L=8m的Ι32b工字钢每支撑点的剪力V为：
V=qL/2*1.5=31.6*8/4*1.5=94.8Mpa
τ=VS/Itw=94.8*426.1*10-6/502/10-8/0.015
τ=53.64Mpa＜[τ]=98Mpa
公式中：
V-计算截面沿腹板平面作用的剪力94.8Mpa
I-毛截面惯性矩查型钢表502cm4
S-计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩426.1cm3
tw-腹板厚度15mm
[τ]钢材Q235许用剪切应力=98Mpa
所以满足要求。
1.2.3.2抗弯强度计算
在实际施工时纵向Ι20a工字钢全部焊接在9根40b槽钢立柱顶面，总长度18m，平均2m一个连接点，上面横向平铺Ι32b工字钢16根，其间距根据上部梁板位置摆放，按照其弯矩计算为：
将上部板梁结构的均布荷载按照跨度L=8m简支梁跨中最大弯矩验算，按照1.5倍的安全系数验算则有：
Mmax=1.5*q*L2/8=1.5*31.6*82/8=379.2Mpa＞[σ]=158Mpa
所以Ι32b工字钢跨中抗弯强度不能满足要求。
需要在中间加一根支撑，原来8米跨度就变成L=4m了，简支梁跨中最大弯矩验算，按照1.5倍的安全系数验算则有：
Mmax=1.5*q*L2/8=1.5*31.6*42/8=94.8Mpa＜[σ]=158Mpa
所以在中间加一道竖向支撑，梁中间抗弯强度可以满足要求。
1.2.3.3挠度复核
在中间加一道竖向支撑，Ι32b工字钢梁容许最大挠度
fmax=5qxL4/(384EI)=4.3mm
梁容许挠度为：L/400=4000/400=10mm
fmax=4.3mm＜L/400
满足要求：
公式中：
fmax---最大允许挠度值；
qx---等效均布线荷载；31.6KN/m
E---钢材弹性模量；2100000N/mm2
I----截面惯性矩；查11620000mm4
L—计算跨度,4000mm
根据设计文件，P=10%汛期洪水流量435m3/s。
公式：
Q---流量(m3/s)；
ω---过水断面面积(m2)；
C---谢才系数(m1/2/s）；
R----水力半径(m)；
i----底坡降。
通过计算得出：当架空支撑尽高2.1m时洪水流量460m3/s，当架空支撑净高3m时洪水流量815m3/s。按施工方案架空支撑净高3m,能满足度汛要求。
1.3模板设计与搭拆
1.3.1、40b槽钢立柱安装
每跨纵向靠闸墩边各搭设9根，根长3m，每根工字钢采用对穿拉杆Φ16与钢管用3形扣件固定在闸墩侧，两侧40b槽钢顶部采用18米Ι20a工字钢将纵向相连并与9根各自焊接，连成整体。
1.3.2、Ι32b工字钢安装：
在横向采用汽车起重机吊装16根（间距按照设计图纸主梁位置而定）与两边侧纵向Ι20a工字钢焊接，形成3.5m高悬空的一座整体平台，闸孔3m以下面可以汛期过流。
1.3.3、闸室顶板砼现浇平台设计：
在工字钢平台上采用满堂脚手架支模，模板采用18mm厚大夹板。脚手架布置横向立杆10排，间距为900mm；纵向立杆22排，间距为850mm，纵横向水平杆4排步距1200mm。竖直向按设计标高调整顶托标高，顶托上放双排φ48mm壁厚为3.5mm的钢管。再在上面架设间距@=200～400mm的50×100mm木枋，跨度600mm。梁侧模板采用18mm厚木模板，紧贴模板为50mm×100mm竖向木枋，竖向间距300mm一道，外侧紧贴φ48mm壁厚为3.5mm的双钢管，对拉螺杆紧固。
1.3.4、主要构造要求
纵向剪刀撑在脚手架外侧连续设置。水平加固杆用φ48钢管应在满堂脚手架的周边通长连续设置，并应采用扣件与钢管立杆扣牢。剪刀撑应在满堂脚手架外侧周边和内部每隔4排纵横设置，斜杆与地面倾角宜为45°～60°，交叉处采用扣件锁牢,并应采用扣件与钢管立杆锁牢，施工期间不得随意拆除。 满堂脚手架的搭设采用逐弄逐排和逐层搭设的方法，并应随搭随设剪刀撑等安全防护构件。脚手架必须设置纵、横向扫地杆，纵向扫地杆应采用直角扣件固定在距底座上皮不大于200mm处立杆上。横向扫地杆亦应采用直角扣件固定在紧靠纵向扫地杆下方的立杆上。扣件与钢管连接时要采取跟踪、检查等必要措施，用钢筋或其他材料楔牢。保证连接紧密。纵横水平杆、钢管交叉支撑钢管搭接接长时，要求搭接长度不少于1000mm，用三个扣件扣紧。可调支座调节螺杆伸出长度不宜超过200mm，严禁超过300mm。槽钢立柱、工字钢立柱搭设必须与闸墩连接牢固，纵向工字钢与槽钢立柱（工字钢立柱）、纵向工字钢与横向工字钢焊接牢固。
1.3.5、模板安装
1.3.5.1梁底、梁侧模采用18mm胶合板，梁底平板模铺设在横枋木上，横枋搁置在顶托木上。
1.3.5.2模板的安装
先在柱上弹出轴线、箱梁位置线和水平控制标高线，按设计标高调脚手架可调顶托的标高，将其调至预定的高度，然后在可调顶托的托板上安放木方。固定木方后在其上安装箱梁底龙骨。龙骨安装完成后，用胶合板安装梁底模板，并拉线找平。模板应按设计要求起拱；当设计无具体要求时，起拱高度宜为跨度的1L/1000～3L/1000。梁底模安装后，再安装侧模、压脚板及斜撑。为了防止梁身不平直、梁底不平及下挠、梁侧模炸模、局部模板嵌入梁间，拆除困难的现象，可采取如下措施：
1.3.5.2.1支模应遵守侧模包底模的原则，梁模与柱模连接处，下料尺寸一般应略为缩短。
1.3.5.2.2砼浇筑前，模板应充分用水浇透。砼浇筑时，不得采用使支撑系统产生偏心荷载的砼浇筑顺序，泵送砼时，应随浇随捣随平整，砼不得堆积在泵送管路出口处。
1.3.6、支撑、模板的拆除
1.3.6.1拆除顺序：梁侧立档→梁侧模板→梁上顶托→梁底托梁→梁底木方→梁底模板→纵横水平拉杆→剪刀撑→立杆→工字钢→槽钢。
1.3.6.2支撑系统的水平纵横杆、剪力撑等不得随意拆除。拆除支撑及模板前，应将混凝土试件送实验室检测，当试块达到规定的强度达到下表要求后，并呈报监理公司经监理工程师同意办理书面手续并确认不再需要时，方可拆除。本工程设计图纸规定，梁体砼强度达到设计强度95%以上拆架。侧模拆除时的混凝土应能保证其表面及棱角不受损伤。严禁站在悬臂结构上面敲拆底模，严禁在同一垂直面上操作。严格控制模板及其支架拆除的顺序。
2.安全保障措施
悬空或临边高处作业时，操作人员必须系好安全带。脚手架应按规定在操作面层上满铺脚手板；在模板支架上操作时，应在操作层铺设临时的脚手板，操作完成后拆除。脚手架立面挂密目安全网，架空底层采用满挂安全网的方法密封。防止人员坠落。预留设备安装孔等临边、洞口边必须设防护栏杆和踢脚板。在模板支架上吊运材料时，材料堆放点应有铺设操作平台和人行通道。禁止直接将材料堆放在支架的两根横杆上。在模板支架上吊运材料时，材料的捆扎必须严格检查，以防材料挂住钢管造成人员伤亡事故。严禁上下交叉作业，以免发生意外伤害。高处作业人员必须系安全带并随身携带的工具应妥善保管放在工具袋内，以免落下伤人。模板拆除时，操作人员应按顺序依次拆除；模板应逐块撬落，不得整片剥落。
论文作者:陈克福
论文发表刊物:《防护工程》2017年第10期
论文发表时间:2017/9/8
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