大型涵管顶板简易钢模台车结构设计实例

　　[摘要]大型涵管顶板施工中，经常靠一般经验加工和设计模板，结果往往因模板结构不合理，导致出现质量问题，甚至出现安全事故。在南水北调中线瀑河倒虹吸施工中，通过对具体情况下的大型现浇钢筋混凝土涵管顶板简易钢模台车进行详细和正确的的受力分析计算和结构设计，在现浇混凝土模板施工中预防了安全事故的发生，并确保了混凝土质量，同时相对降低了施工成本。
　　[关键词]大型涵管顶板；钢模台车；结构设计；荷载组合；强度；挠度；
　　1前言
　　大体积混凝土模板施工中，施工时经常靠一般经验加工和设计模板，结果往往因模板结构不合理，导致出现质量问题，甚至出现安全事故，或者导致模板施工成本不合理，以下以南水北调瀑河渠道倒虹吸为例，介绍大型现浇钢筋混凝土涵洞倒虹吸顶板简易钢模台车结构设计过程，以供同类工程参考。
　　2工程概况
　　南水北调中线瀑河倒虹吸管身为两孔一联的钢筋混凝土箱形结构，单孔过水断面尺寸5.0×5.5m(宽×高)，浇筑分层如下图：
　　
　　管身混凝土施工分层示意图
　　3钢模台车结构设计
　　钢模台车由上到下依次为面板、【16槽钢（间距75cm】、脚手架系统、型钢结构底座。其中底座分为4节，每节4.5m，每个底座设6个横向次梁，间距75cm，长4m，每个底座两个纵向主梁，间距2.25m，长4.5m，每个底座纵梁下设2个行走轮，间距3m。脚手架系统立杆纵横间距均为75cm，横杆步距1m。详细构造见涵洞顶板钢模台车构造图。
　　
　　涵洞顶板钢模台车构造图
　　4选材
　　采用3号钢（Q235），材料抗拉强度σ=3750~4600kgf/cm2，安全系数取k=2.0（根据《水利水电工程模板施工规范》（DL/T5110¬2000）模板系统结构安全系数可取rd=1.4~2，此处取2），材料允许抵抗应力取[σ]=σ/rd=σ/2=1875kgf/cm2，弹性模量E=2.1×106。
　　5结构强度和刚度验算分析
　　5.1荷载计算
　　5.1.1模板受力传递顺序：→模板→上部横梁→脚手架立杆→台车底座横梁→台车底座纵梁。
　　5.1.2荷载组合：
　　根据《水电水利工程模板施工规范》（DL/T5110—2000），对不同部位、不同使用情况分别进行响应荷载组合。
　　5.1.3荷载计算：
　　○1新浇砼对模板的重应力q1（KN/m2）：
　　新浇混凝土自重对模板的重应力标准值q1=1.2×24=28.8KN/m2。
　　根据规范新浇砼对模板的压力荷载分项系数γQ1=1.2
　　标准值：q1/=1.2×24=28.8KN/m2
　　设计值：q1=γQ1×q1/=34.56KN/m2
　　○2模板自重应力：
　　顶板模板布置及构造如图：
　　
　　顶板配模图
　　根据9015型模板设计，每块9015型模板重量74.29kg（0.728KN），模板自身重力标准值=0.73÷0.9÷1.5=0.54KN/m2。荷载分项系数γQ2=1.2。
　　模板自身重力设计值：q2=γQ2×q2/==1.2×0.54=0.65(KN/m2)
　　○3、钢筋及预埋件自重应力
　　每节管身顶板钢筋设计总重30121kg，钢筋自重应力标准值：q3/=295.19KN÷(5m×19.97m)=2.96KN/m2。荷载分项系数γQ3=1.2。
　　设计值：q3=γQ3×q3/=1.2×2.96=3.55(KN/m2)
　　○4施工人员和机具设备自重应力
　　根据规范施工人员和机具设备自重应力标准值取2.5KN/m2，荷载分项系数γQ4=1.4。
　　设计值：q4=γQ4×q3/=1.4×2.5=3.57(KN/m2)
　　○5振捣混凝土时产生的荷载
　　根据规范标振捣混凝土时产生的荷载准值取2.0KN/m2，荷载分项系数γQ4=1.4。
　　设计值：q5=γQ5×q3/=1.4×2.0=2.8(KN/m2)
　　1~5荷载合计：45.06KN/m2
　　5.2结构验算
　　5.2.1顶部横梁
　　（1）计算简图
　　单根横梁长4m，间距为75cm，承受模板纵向肋条传递的荷载，横梁支撑在立杆上，立杆间距为75cm，则顶部横梁按五跨简支连续梁计算。按均布荷载简化计算，计算简图如下：
　　
　　（2）强度计算
　　最大弯矩出现在B支座处，此处最大弯矩系数kf=-0.119,
　　最大弯矩：M=kfqL2=-0.119×34.5×752=-23093（kgf•cm)（L为单跨间距）
　　需要顶部横梁的抵抗弯矩：W=M/[σ]=23093÷1875=12.3(cm3)
　　选用[16号槽钢作顶部横梁（卧用、槽面向下），截面抵抗矩W=16.3(cm3)，惯性矩I=73.3(cm4)。
　　横梁最大应力：σ=M/W=23.93÷16.3=1417<[σ]=1875(kgf/cm2)
　　选用[16号槽钢（卧用）作顶部横梁满足强度要求。
　　（3）最大挠度验算
　　当仅仅第一跨受荷载时该跨跨中位置出现最大挠度，查得此处弯矩系数kf=0.912，
　　最大挠度：f==0.912×34.5×754÷(100×2.1×106×73.3)=0.06cm<[f]=L/1000=0.17cm
　　选用[16号槽钢（卧用）作竖横梁满足允许变形要求。
　　5.2.2立杆稳定性验算
　　（1）结构及材料
　　顶部横梁与台车底部横梁之间依靠钢管脚手支架（满堂架）支撑，横梁直接支撑在脚手架立杆上。脚手架构造：立杆横距75cm、纵距75cm，横杆步距（层高）100cm。脚手钢管结构性能：外径48mm，内径43mm，壁厚3mm，截面积A=357mm2，回转半径i=15.9mm，
　　（2）荷载分析
　　荷载○6（单孔顶部横梁总重）标准值：5m×28根×17.2kg/m=2408kg，设计值：2408×1.2=2890kg=28.32KN
　　荷载○7（单孔钢管脚手支架总重）标准值：（立杆4.5m/根168根+大横杆20m/根×24根+小横杆4m/根×112根+剪刀撑6m/根×32根）×3.92kg/m+直角扣件168个×1.32kg/个+转角扣件21×16个×1.47kg/个+对接扣件48个×1.84kg/个+调节支座168个×4kg/个=7354+222+494+88+672=8830kg，设计值：8830×1.2=10596kg=103.8KN
　　立杆稳定验算荷载组合：○1+○2+○3+○4+○5+○6+○7
　　钢管脚手架承受竖向荷载总重：45.06KN/m2×5m×20m+28.32+103.8=4610KN
　　单根立杆实际承受压力为：N=4610KN÷168根=27.44KN/根
　　（3）立杆稳定性验算
　　立杆容许荷载计算：
　　长细比λ=L/i=1000÷15.9=62.9，根据λ=62.9查表得稳定系数φ=0.792。
　　钢材强度设计值f取184N/mm2。
　　[N]=φAf=0.792×357mm2×184N/mm2=52025N=52.02KN/根
　　N=27.44KN/根<[N]=52.02KN/根
　　立杆满足稳定要求，但安全度过高，不经济。
　　（4）方案优化
　　立杆间距不变，将横杆步距由1m抬高到1.8m（减去两层横杆）。
　　长细比λ=L/i=1800÷15.9=113.2，根据λ=113.2查表得稳定系数φ=0.474。
　　钢材强度设计值f取184N/mm2。
　　[N]=φAf=0.474×357mm2×184N/mm231136N=31.14KN/根
　　N=27.44KN/根<[N]=31.14KN/根
　　优化后立杆满足稳定要求。
　　5.2.3底座横梁
　　（1）计算简图
　　荷载组合为○1+○2+○3+○4+○5+○6+○7
　　单个立杆传递的集中荷载：27.44KN或2800kg
　　单根横梁长4m，间距为75cm，支模阶段承受上部立杆传递的模板自重力、顶部横梁自重力、脚手架自重力等竖向荷载pi，台车底座横梁支撑在底座纵梁上，纵梁间距为225cm，则底座横梁支模阶段按单跨简支连续梁计算。按均布荷载简化计算，计算简图如下：
　　
　　（2）强度计算
　　最大弯矩出现在跨中，最大弯矩：
　　M=plL/2=27.44×2.25÷2=30.871KN•m=315000（kgf•cm)
　　需要横梁的抵抗弯矩：W=M/[σ]=315000÷1875=168(cm3)
　　选用16][16槽钢作顶部横梁，截面抵抗矩W=108×2=216(cm3)，惯性矩I=866×2=1732(cm4)。
　　横梁最大应力：σ=M/W=315000÷216=1458<[σ]=1875(kgf/cm2)
　　选用16][16槽钢作顶部横梁满足强度要求。
　　（3）最大挠度验算
　　最大挠度出现在跨中位置，简化为均布荷载计算，均布荷载q=27.44×6÷400=0.411kN/cm=42kgf/cm
　　最大挠度：f==42×2254[5-24×(87.5/225)2]÷(384×2.1×106×1732)=0.11cm<[f]=L/1000=0.23cm
　　选用16][16号槽钢作横梁满足允许变形要求。
　　6.2.4底座纵梁
　　底座总量验算时，要分别考虑支模施工阶段和浇筑施工阶段受力情况。其中支模阶段每个纵梁两个支点（两个轮），支点间距3m，无混凝土荷载；浇筑阶段有四个支点，支点间距1m，有混凝土荷载。
　　6.2.4.1浇筑施工阶段：
　　（1）计算简图
　　荷载组合为○1+○2+○3+○4+○5+○6+○7+○8
　　○8为底座横梁重量=28.32×2=56.64Kn
　　单孔纵梁承受的总重=（34.56+0.65+3.55+3.57+2.8）×5×20+28.32+103.8+56.64=4702kN=479796kg
　　为简化计算，按六等跨均布荷载简支梁计算，纵梁上均布荷载q=479796÷（450×8）=133.28kg/cm
　　计算简图如下：
　　
　　（2）强度计算
　　最大弯矩出现在B支座处，最大弯矩系数kf=-0.119：
　　M=kfql2=-0.119×133.28×1502=356857（kgf•cm)
　　需要纵梁的抵抗弯矩：W=M/[σ]=356857÷1875=190.32(cm3)
　　选用[25号槽钢作顶部横梁，截面抵抗矩W=270(cm3)，惯性矩I=3370(cm4)。
　　横梁最大应力：σ=M/W=356857÷270=1321<[σ]=1875(kgf/cm2)
　　选用[25号槽钢作顶部横梁满足强度要求。
　　（3）最大挠度验算
　　最大挠度出现在第一跨跨中位置，最大挠度系数kf=0.973简化为均布荷载计算，
　　最大挠度：f==0.973×133.28×754÷(100×2.1×106×866)=0.09cm<[f]=L/1000=0.15cm
　　选用[25号槽钢作横梁满足允许变形要求。
　　同样进行支模阶段验算后，验算结果证明选用[25号槽钢作横梁也满足允许变形要求。
　　6结语
　　通过选用合理的模板及支架设计流程，结合实际情况，合理选用荷载标准值及荷载分项系数，合理选取参与构件设计的荷载，合理采用模板刚度指标，合理简化构件受力计算简图，合理选取最不利荷载组合方式，合理应用计算公式，通过正确和科学地分析计算,对模板系统进行优化设计，确保了钢模台车系统经济实用、安全可靠，同时也确保了工程质量，相对降低了施工成本，因此在南水北调中线瀑河倒虹吸混凝土模板施工中得到了推广应用。以上简易顶板钢模台车的受力分析和结构设计方法可供同类工程参考。
　　
　　
　　参考文献：
　　(1)DL/T5110-2000，水利水电工程模板施工规范[S]；
　　(2)JGJ74-2003，J270-2003，建筑工程大模板技术规范[S]；
　　(3)建筑工程模版施工手册[K]，中国建筑工业出版社，2004.11；
　　(4)]GB50009-2001建筑结构荷载规范[S；
　　(5)钢结构设计手册[K]，北京，中国建筑工业出版社，2004.8；
　　(6)建筑结构静力计算手册[K]，北京，中国建筑工业出版社，1998.9；
　　(7)李荣义、王书平，大型混凝土涵洞施工钢模板系统优化设计技术研究[J]，天津，水科学与工程技术，2007.增。