超宽面板模体设计及结构受力分析应用与验证

超宽面板模体设计及结构受力分析应用与 验证

王铁柱 王玲

中国水利水电第一工程局有限公司

【摘要】近年来，随着我国市场经济的飞速发展，各行各业建设项目落地开花。工商行业对电力需求越来越高，各地区均兴修水电站以满足社会发展需求。目前国内外主要以面板堆石坝为主流坝型设计施工。而本文以山东沂蒙抽水蓄能电站下水库大坝为例，探讨超宽面板模体在施工中受力分析及结构应用验证。

【关键词】面板混凝土、无轨滑模、牵引力、浮托力 、山东沂蒙抽水蓄能电站

1 工程概况

山东沂蒙抽水蓄能电站下水库大坝为混凝土面板堆石坝,坝高78.6m坝轴线长524m，坝体防渗混凝土面板坡比为1∶1.4，坝体采用钢筋混凝土面板防渗，最大斜长132m，面板共分45块。防渗混凝土面板标准块设计宽度分16、8、5m等不同宽度, 面板自上而下为厚度变化的混凝土板，坝顶面板厚度为30cm，最大厚度56.8cm，面板总面积为41000m²，钢筋制安2004t，面板混凝土16637.7m³。

2 滑模模体受力分析

2.1问题的提出

在斜面情况下浇筑面板混凝土,除应考虑常规坡比面板混凝土施工所涉及的技术问题外,在模体方案选择上还需重点分析研究以下两个方面的问题：

模体形式确定；混凝土抗浮力确定；模体配重确定；模体牵引力确定；卷扬机选型及配重确定；模体结构是否合理。

其中能否实现高质量无轨滑模模体设计参数，是本工程应首要考虑的问题,以上4个问题是确定模体是否经济有效、科学合理指标评价面板施工质量可在施工过程中加以控制。

2.2模体选型

目前国内外面板模体主流设计理念形式，主要以“工字钢悬缀梁”矩形结构、“角铁桁架”三角形结构、“型钢过梁”异形结构3种形式为主，对于超宽面板施工国内外成功案例不少，山东沂蒙电站下水库面板受压区同样也是16m宽。这对超宽模体结构形式选定有更高要求和复杂的受力分析。

国内外超宽面板统计表

注：但不局限于上述表格

根据山东沂蒙电站下水库超宽面板特点及结合国内外超宽模体结构特性，经项目研究决定最终选定结构性能稳定的“工字钢悬缀梁”矩形结构，该结构模体与其他两种结构模体相比承重性能大、整体性好、不易起浮、模体自身弯矩（或加载配重）弯矩较小，能满足面板平整度要求。

2.3混凝土抗浮力确定

滑模体结构计算及验算方法为：滑模体自重加配重及施工荷载之和的定向分力大于新浇混凝土对模板产生的上浮力F力学分析理念，即要求:

(G1+G2)≥F(公式参考水利水电工程施工手册第三卷混凝土工程，6.3混凝土面板堆石坝面板滑模 6-1-11公式)

新浇混凝土浮力确定共有四种计算方式：公式数据计算法、液体流态计算法、数值经验法、手册数值套用法等。

新浇混凝土浮力计算统计

根据滑模体在斜面位置的受力分析简图。F为滑模体所受到的浮托力；G为滑模体自重与配重之和；T为卷扬机对滑模体的牵引力；f为对滑模体的摩擦力。对于摩擦力f的方向,当滑模体向上滑行时或存在向上滑行的趋势时,f的方向与T相反(即图1中所示),从图1中可看出,只有滑模体自重与配重之和(G)在面板坡面上的法向分力大于或等于浮托力(F)时,滑模体才能抵抗混凝土的浮托。

面板混凝土抗浮力计算统计表

根据上述4种方法计算得出G2模体配重数值，进行现场工艺试验确定模体配重经济合理数值范围，结合山东沂蒙电站下水库大坝现场试验确定，确保模体在浇筑过程不会出现上浮现象，同时确定卷扬牵引系统不会出现动力系统过剩配置。经现场工艺试验确定，方法2模体配重最为合适，也不曾出现模体上浮现象。

2.4牵引力T确定

滑模牵引力的大小与滑模自重、底板及新浇混凝土的粘结力有关，按下式计算：

T=[τA +Gsinα+ƒ₁P+ƒ₂(Gcosα-P)]K；公式参考（DL/T 5400-2016）

式中：T—滑模最小牵引力（N）；

τ—滑模底板与新浇混凝土之间的粘结力（kN/m²），取2kN/m²；

A—模体与新浇混凝土的接触面积（m²）；

G—滑模自重加配重及施工荷载（kN）；

α—模体面板与水平面的夹角；

ƒ₁—模体与混凝土的摩擦系数，钢模取0.5；

ƒ₂—对于滚轮支撑的滑模，采用滚动摩擦系数，可取0.05；对于侧模支撑的滑模，采用滑动摩擦系数取0.15~0.2（钢对钢）；

P—新浇混凝土对模体正压力（kN）取4kN；

K—安全系数，可取1.5~2.0。

计算得出18m超宽滑模体钢丝绳牵引力 T=[16×1.2×2+124.2sin36+0.5×4+0.15×(124.2cos36-4)]×1.5=207kN

2.5卷扬机、钢丝绳选型及配重确定

卷扬机选型：必须具备两套独立抱死及防坠系统，山东沂蒙下水库滑模所选卷扬机为2台10t电动摆线针滚筒齿轮防坠新型卷扬机。

钢丝绳选型：必须满足规范要求，必须大于总牵引力T5~8倍，本工程选用Ф24mm，6×7钢丝绳，钢丝绳最小破坏断拉力为300kN。18模体钢丝绳为双根受力牵引滑模，2台10t卷扬机及其配套设施产生的牵引力之和为：T’=10×10×4=400kN>T=207kN，能满足牵引的要求。 卷扬机系统钢丝绳最小破坏断裂300kN×4根÷T=207kN=5.79满足钢丝绳牵引规范要求。

钢丝绳选定可采用下列公式:

式中 ——钢丝绳的容许拉力（KN）；

——钢丝绳的钢丝破断拉力总和（KN）；

——考虑钢丝绳之间荷载不均匀系数，对6×7、6×9等钢丝绳， 值可查表得出；

——钢丝绳使用安全系数。

卷扬机配重：卷扬机牵引滑模受滑模牵引力的反向作用力，大小与牵引力相等、方向相反，对该力进行正交分解，得出压块最小总质量，但在力学受力分析不能确定卷扬机底座与坝体接触层间的摩擦系数，我国相关规范也未对此做出相关规定及f系数确定，目前国内外各大水电施工距均按照经验公式（M=T×cosα÷10）进行计算，18m超宽模体M=T×cosα÷10=207kN×sin36÷10=12.167t＜34.4t配重 （经验保证系数2.8倍） 满足要求

3 滑模模体主梁结构受力分析

考虑到面板与地平线夹角小于36^°，只计算垂直于面板的刚度、强度。同时考虑到最不利工况，即：模板系统安装完毕，并且混凝土配重块放置完毕，混凝土没有浇筑之前,无轨滑模主模体按照均布荷载计算则：

3.1均布荷载计算

18m模体荷载：q=（8000kg+4420 kg×10N/kg÷18000）×cos36=6.9N/mm

3.2剪应力验算

剪应力验算公式：τ=VS/It_w≤f_v

V-计算截面沿腹板平面作用的剪应力设计值 N

S-计算剪应力处以上或以下毛截面对中和轴的面积距 mm³

1. 构件的毛截面惯性矩mm⁴

t_W-构件的腹板厚度mm

f_v-刚材的抗剪强度设计值 N/mm²

18m模体剪力V

-B左=A右=1/2al=0.5×6.9N/mm×18000mm=62100N

-A左= B右=qa=6.9N/mm×18000mm=124200N

面积距S=bh²/6=600mm×280mm²/6=7.84×10⁶mm³

惯性距I=bh³/12=600mm×280⁴mm⁴=1.0976×10⁹mm⁴

腹板厚度t_W =14.5mm

模体剪应力：τ=124200N×7.84×10⁶mm³/1.0976×10⁹mm⁴/14.5mm

=61.182N/mm²＜125N/mm²钢材抗剪应力极限值（满足要求）

3.3弯应力验算

M_A=M_B=1/2qa²=0.5×6.9 N/mm×1000² mm²=3.45×10⁶ N·mm

M_max=ql²/8(1-4a²/l²) =6.9N/mm×16000²/8×(1-4×1000²/16000²)

=224.304762×10⁶ N·mm

δ=M/W=224.304762×10⁶ N·mm÷14.5824×10⁶mm³

=15.382N/mm²＜215N/mm²钢材抗弯应力极限值（满足要求）

（满足规范设计要求）规范设计对比参考《钢结构设计标准》GB50017-2017

4）挠度验算

ƒmax=ql⁴/384EI×(5-24a²/l²)钢结构设计手册（3-20）公式

ƒmax=5ql⁴/384EI

E—钢材弹性模量，2.1×10⁵N/mm²

I—截面惯性距，2.042×10⁹mm⁴

l—有效宽度，16m

ƒmax =6.9N/mm×16000⁴mm⁴÷384÷2.1×10⁵N/mm²÷1.0976×10⁹mm⁴×(5-24×1000²mm²÷16000²mm²)

=10.41mm＜挠度控制值[V]=1/400=16000/400=40mm（满足要求）

经上述力学分析计算该无轨滑模结构设计安全可靠，符合钢结构力学设计要求可以使用，同时根据现场实际对模体测量主模体加完配重及人员荷载实测值11~12mm,各项结构参数指标符合设计验算，满足规范设计要求。

4 结 语

目前国内外超宽模体比较少见，文章从多个方面对超宽模体受力分析、结构受力验证进行总结，通过超宽模体施工验证，各项受力指标均满足规范设计要求。在通过山东沂蒙下水库工程超宽模体无轨滑模施工，为后续水电行业超宽模体受力及结构分析验证提供较为科学准确参数，同时也供水电行业施工者予以参考。