钢管脚手架及桁架支撑体系在水电行业的应用

钢管脚手架及桁架支撑体系在水电行业的应用

罗宁

罗宁

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610081）

摘要：本文结合黄金坪水电站调压室闸室边墙桁架支撑体系，介绍了桁架支撑体系应用过程中存在的问题，望对其他类似工程有一定参考价值。?

关键词：桁架支撑体系；水电站；稳定性

一、工程概况

黄金坪水电站为大渡河干流规划调整推荐二十二级方案的第十一级电站，设有长廊式调压室，它深埋于岩体中。调压室结构尺寸为261.4*23*81m（长*宽*高），边墙混凝土浇筑高度51m，浇筑量3.66万m3。

因受地理环境条件限制，调压室开挖期实行控制爆破，爆破震动速率小于0.3?cm/s；致使调压室施工工期紧张，混凝土施工工期不到11个月。针对工期紧的现状，调压室混凝土拟采用滑模对称进行浇筑，浇筑宽度15m。考虑调压室上部结构开挖成型后无大型吊装设备布置的场地，滑膜中间支撑结构采用轻型桁架式支撑系统，桁架采用脚手架管搭设，搭设宽度为15m，立杆间距为1.0m×1.0m，高度为1.2m，顺水向17根立杆，垂水向16根立杆。底部及顶部各布置一排水平剪刀撑。剪刀撑布置角度为45°。所有扣件使用十字扣，轴向横杆承受轴力，采用一字扣。

二、钢管脚手架及桁架支撑体系在水电站中的应用

（一）滑模支撑桁架整体稳定性分析

滑模支撑桁架作为一个整体结构，在恒载、活载和风载作用下，会产生整体或者局部的变形，针对这种变形，我们可以根据一些节点的位移做出判断其整体稳定性情况。从桁架支撑结构空间模型和计算结果进行分析可以知道，在恒载和活载共同作用下，所有节点的水平位移范围大约在0.1~3.3mm，垂直位移范围大约在0.4~30.0mm；而在活载作用下，所有节点的水平位移范围大约在0~1.5mm，垂直位移范围大约在0.2~13.7mm；故查《钢结构设计规范》（GB50017-2003）附录A提供的结构或构件的变形容许值，可以知道对于桁架体系，桁架支撑整体的变形应满足以下要求，即：

在永久和可变荷载标准值产生的挠度容许值应满足：

==1/520<=1/400，满足要求。

在可变荷载标准值产生的挠度容许值应满足：

==1/1142<=l/500，满足要求。

通过上述计算，可知桁架支撑体系作为整体结构，其在挠度变形方面，可以满足规范限定的要求。

值得注意的是，其实调压室边墙由于受到围岩碎裂岩土体主动土压力的作用，此力很可能会同时传递给桁架支撑结构，因此会导致桁架支撑体系实际上还另外承受了水平向的压力，虽然工程单位并未要求计算此种工况对桁架支撑体系的影响，但这其实也是桁架支撑平台很重要的一种受力工况。至于其值的大小，可以结合周围岩体的监测和检测，提供正确合理的数据后，做出进一步的计算和分析。

（二）连接扣件抗滑承载力

对于桁架支撑体系中连接各杆件的十字扣件和一字扣件等连接扣件应满足抗滑承载力，即，按规范表1采用。若采用螺栓、焊接连接与预埋件的设计承载力应大于扣件抗滑力承载力设计值。

由于本桁架支撑体系中的杆件最大的轴拉力和轴压力分别达到73kN和71kN，这意味着在对桁架支撑体系中的这些杆件进行连接时，要求采用多个或者单个超出《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011所规定的几种常用的扣件所能提供的抗滑承载力设计值。故而本工程采用的十字扣件和一字扣件均要求至少能达到80kN的抗滑承载力。十字扣件和一字扣件的做法如图1。

图1桁架钢管对接（a）和搭接示意图（b）

（三）缆风绳受力与变形

为保证在混凝土浇筑过程中，桁架向下可能产生的变形，顺水方向按照2m间距布置缆风绳，缆风绳采用φ10的钢绳，对称固定在桁架中间底部横杆上，为确保横杆具备足够强度，底部横杆布置一道50×50cm大小钢板，焊接固定在桁架上，然后缆风绳一段固定在钢板上，另一端固定在滑模平台下提升架腿上，为便于风绳调节，在靠近混凝土端部设置花篮螺栓。

该缆风绳属于二次防护构件，主要是为防止桁架体系向下产生过大的变形。缆风绳在弹性变形范围内，受力的大小与其变形量成正比。利用前述节点位移计算的结果，我们可以分析得出，缆风绳可能产生的最大形变是=8.094-8.0895=0.0045m，即4.5mm。

=2.06×105N/mm2×78.5mm2×0.0045m/8.094m=9.0kN≤=215kN/m2×78.5×10-6m2=16.88kN，满足要求，且缆风绳仍处于弹性工作阶段。

（四）现场预搭设试验分析及建议

为了进一步保证工程安全，现场对调压室滑模支撑平台做了现场预搭设试验。

从现场预搭设的桁架来看，有以下问题存在：

（1）距离桁架体系端头2.5m的位置，扰度变形较大；

（2）在2.5米位置处的十字扣件受力变形较大，十字扣件螺帽在拆卸附加杆时出现涨爆现象；

（3）一字扣件在桁架体系受力时，是个关键的连接节点；

（4）桁架体系整体的挠度较大。

据此，对于桁架体系搭设有以下一些建议：

（1）桁架体系作为一个整体，在端头受有较大的竖向剪力，表现在杆件上则为端部的斜杆轴力达到27kN（仅考虑恒荷载时为15kN），所以，为减少端部因剪力产生的较大变形，可以考虑在端部下方设置斜撑；

（2）从现场预搭设的照片来看，端部并未设置斜杆，这也是导致端部出现较大竖向变形的重要原因，建议按下图形式设置端部的斜杆和斜撑，以达到桁架体系的合理受力，这样也可以保证在端部2.5m位置不会产生挠度变形的突变区域和应力集中区域，从而减少十字扣件受力变形，避免十字扣件螺帽在拆卸附加杆时出现涨爆现象；

（3）《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中给出了扣件的承载力设计值，对于旋转扣件为8kN，十字扣件只有6kN，对接扣件只有3.2kN（一字扣件为2.5kN），与桁架弦杆和腹杆的受力相比相差很大，且与钢管本身的强度相比也相差较大，不相匹配。尤其是桁架跨中位置处的上下弦杆受压和受拉分别达到71kN（仅考虑恒荷载+风荷载为40kN）和73kN（仅考虑恒荷载+风荷载为41kN）。所以，按照以上受力情况，若同时考虑恒荷载和活荷载，其上下弦杆最大轴力为71kN，按每个扣件承载力设计值8kN计算，则对接处的十字扣每侧需要9个，合18个；即使仅考虑恒荷载的情况，即41kN，则对接处的十字扣每侧也需5个以上，合10个。

（4）恒荷载+活荷载共同作用下挠度为30mm，而试验结果所显示的挠度是大于30mm，之所以这样是因为：①桁架端部未设置斜撑，导致端部在剪力作用下在竖向产生了较大剪切变形；②连接处采用的搭接方式，使得节点为一个节点域，而并非像数值计算简图那样，是个真正的节点；③由于节点搭接并非完全在一个平面内，很多构件并非和数值计算假设的那样，是完全的轴心受力构件，而是有一定偏心的受力构件。因此，在设计和施工时，应该充分考虑以上因素带来的影响，保证构件的安全和稳定。

（5）滑模支撑桁架体系的连接位置，应该尽量错开受力较大的区域，譬如：桁架体系跨中的上弦杆和下弦杆，若无法避开，则至少应满足恒荷载+风荷载作用时该上下弦杆所受的轴力大小，且连接的强度应不小于杆件本身的承载力。另外，建议连接扣件的个数应视所连接区域杆件的轴力值大小来确定。

参考文献

《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）

《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2011）

《建筑施工脚手架实用手册》，中国建筑工业出版社，1994.5

《建筑结构静力计算手册》，中国建筑工业出版社，2009.12