关键词:高位水塔;水箱支撑;水箱模板;施工
据了解,目前仍在国内使用的最大水塔只有500m3, 2 000m3高位水塔在国内尚未修建过。虽说近年来,高位水塔在国内大部分地区已被无塔上水器等先进设施所替代,但在国外一些贫穷落后、地下水资源缺乏的国家和地区仍需修建。随着我国建筑业的快速发展,国内众多建筑企业已经走出国门,向建筑业不发达的国家争取建筑市场份额。因此,仍很有必要介绍大吨位高位水塔的施工技术。
1 工程概况
2 000m3高位水塔修建于尼日尔津得尔市,属中国政府援尼日尔津得尔市成套供水项目的一个重要单项工程。水塔采用混凝土剪力墙、筒体、壳体结构体系,结构高24·66 m,水箱直径22·30 m、高10·31 m。设计蓄水2 000m3,实际容积2 775m3。水塔外装饰采用蜂窝状铝板,钢结构装饰架及阳光板,装饰架顶高28·375m,顶部安装7·0m高避雷针,杆顶安装航空障碍灯,并装点各式彩灯,造型新颖别致。水塔的承重结构为混凝土剪力墙和筒体,基顶平剖面,水箱结构剖面。水箱由底板、环形劲梁、下圆锥面、圆柱筒壁、上圆锥面、圆环形坡面顶板、水箱进人孔等部分组成。按设计要求,下圆锥面一次连续浇筑混凝土的范围为相对高程13·10~18·419m,浇筑高度为5·319m,其中1·25m为塔身。加工安装模板1 150m2,绑扎钢筋61·5 ,t浇筑抗渗等级为P6的C35混凝土220·21m3。
本工程施工的重难点是水箱,而水箱的支撑和模板又是水箱施工成败的关键。经过仔细研究,确定水箱支撑和模板施工中以下3个问题为施工重难点:(1)上、下圆锥面满堂钢管支架设计与验算;(2)上、下圆锥面锥面形成与加固;
2 上、下圆锥面支撑结构设计与验算
2·1 下圆锥面支撑结构
水箱下圆锥面支撑采用了满堂钢管支架,以及由现场材料组成的方钢、钢筋、方木支撑体系。下圆锥面满堂钢管支架平剖面见图1,下面分几种情况对满堂支架立杆进行设计与验算。
(1)水箱底板下满堂支架立杆验算
已知:48×3·5钢管3·84 kg/m,直角扣件1·32kg/个,对接扣件1·84 kg/个,水箱底板下立杆高度14·35m,48×3·5钢管净截面A=489·3mm2。假定:立杆纵横最大间距为1·0m×1·0m,水平杆步距为1·75m,验算地面第一步立杆强度及稳定性。
①钢管支架所承受的模板及连接件自重:q1=750N/m2;②钢管支架自重力:q2=[3·84×(14·35-2·0)+2×1×8×3·84+2×8×1·32+2×1·84]×10=1 336·6N/m2;③新浇筑钢筋混凝土重力:q3=25 000×0·4=10 000N/m2;④施工荷载,按每m2站4人计:q4=3 000 N/m2。①~④项合计:∑q=15 086·6N/m2,即单根立杆承受的荷载为15 086·6N。按强度计算,立杆的受压应力σ=kN/A=3×15 086·6/489·3=92·5N/mm2
1·75m,参照2·1(1)的验算方法,验算地面第一步立杆强度及稳定性。
∑q=35 646·6 N/m2,即单根立杆承受的荷载为
35 646·6×0·64=22 813·8N。
按强度计算,立杆的受压应力σ=139·9N/mm2
(3)劲梁范围满堂支架验算
假定:立杆最大间距为0·80m×0·90m,按稳定性计算立杆的受压应力σ=252·8 N/mm2>f=205N/mm2,但考虑劲梁宽只有0·40 m,且有8处支撑在八面承重墙之上,故两墙之间需增加斜撑加强。
(4)水箱圆柱筒壁范围满堂支架立杆验算假定:立杆最大间距为0·60m×0·80m,按稳定性计算立杆的受压应力σ=214·7 N/mm2>f=205N/mm2,但考虑筒壁厚只有0·30 m,邻近立杆可分摊部分力,故无须加强。
以上计算中K为安全系数,依据《组合钢模板技术规范》(GB50214—2001),K取3·0,同时参考了《建筑施工计算手册》。计算中,由于正八边形支架连为一体,且采用了短横杆使支架与塔身混凝土相抵,故未计算风荷载。
2·2 上圆锥面支撑结构
上圆锥面支撑采用了水箱内满堂支架,固定于满堂支架平杆之上的八道边长为15 cm,截面为等边三角形的圆环形18钢筋桁架,以及捆绑于桁架之上的方木组成的支撑体系。立杆间距1·10m×1·10m,水平杆步距1·40~1·70m,立杆稳定性验算不再赘述。
3 上、下圆锥面锥面形成与加固
3·1 下圆锥面形成与加固
(1)下圆锥面形成
下圆锥面外表面为圆台面,采用上、下口2道20圆环形钢筋,通过控制高程、半径,并将圆环形钢筋点焊于满堂支架水平钢管之上定位。施工中,在水箱中部搭设了辅助支架,从而保证了所量半径准确,水塔中心由经纬仪天顶观测法确定。利用2道20圆环形定位钢筋,将88根6m长方钢沿圆锥母线方向均匀布设,并与上、下口2道定位钢筋牢固焊接,再将不同半径的8道20圆环形钢筋,按下大上小的间距焊接于方钢外侧2道定位钢筋之间,最后在相邻方钢之间布设方木,方木与圆环形钢筋捆绑。钢筋不仅将方钢连为一体,直接承担方木传递的力,而且约束方钢和方木向外的位移,形成了下圆锥面由方钢、钢筋、方木组成的支撑骨架。在已形成的锥面支撑骨架上铺设模板,即下圆锥面形成。
(2)下圆锥面加固
①圆环形钢筋加固。对圆环形钢筋与方钢的每一个接点均采取双面焊焊接,对圆环形钢筋其接头均进行铁道标准设计 RAILWAY STANDARD DESIGN 2007 (6 )了双面帮焊,从而有效地约束了方钢和方木向外的位移,增强了加固的整体性和牢固性。②增强满堂支架对锥面的支撑作用。通过调整锥面下满堂支架水平杆高程,使2层水平杆直接承托2道圆环形钢筋,并对支撑点进行了点焊,从而增强了满堂支架对锥面的支撑作用。③采用π形斜撑支撑方钢。两相邻方钢为1组,每组方钢设3道π形斜撑,每道π形斜撑由1根短钢管和2根长钢管组成,垂直支撑两相邻方钢,每组π形斜撑通过2个扣件将所承受的轴向压力传递给锥面下满堂支架。④满堂支架加固。锥面混凝土浇筑过程的全部荷载,直接作用于方钢、方木及钢筋支撑体系,再传递给
20圆环型钢筋和钢管π形支撑及2层水平杆,钢管π形支撑及2层水平杆将所承受的力传递给满堂支架。前面对满堂支架立杆的稳定性已做检算,为保证满堂支架整体稳定性,在图1的基础上,对正八棱柱支架,相邻两块之间,均自下而上加设了水平连接杆,使其形成一个封闭的正八棱柱。同时,对锥面下满堂支架水平杆步距缩小到约1·0m。还加设了半径方向横向斜撑,从而有效地增强了满堂支架承受荷载的能力。⑤增设防滑扣件。对劲梁下水平杆节点非十字节点的(节点为单扣件)均增加成双扣件,以防止劲梁下水平杆承受方木短横杆传递的竖直力之后而滑动。同时π形支撑横杆也增加成双扣件,防止其滑动。通过上述加固措施,为下圆锥面220·21 m3混凝土浇筑打下了坚实的基础。
3·2 上圆锥面形成与加固
(1)上圆锥面形成
上圆锥面是通过控制8道钢筋桁架底高程,以及每道桁架底外侧圆环形钢筋的半径,并点焊于满堂支架水平钢管之上定位的,如图4所示。在8道桁架中,通过适当调整满堂钢管支架水平杆高程,保证了1、4号桁架落在了钢管支架水平杆之上,其余6道是通过增设圆环状短水平钢管而承托的,桁架与水平杆点焊牢固。8道桁架安装完毕之后,再将方木沿锥面母线方向捆绑于桁架之上,形成锥面支撑骨架。再在已形成的锥面支撑骨架上铺设模板,即上圆锥面形成。
(2)上圆锥面加固
上圆锥面施工荷载直接作用于上述支撑体系,支撑体系又将所承受的力通过8道桁架传递给钢管满堂支架。为此,除对每道桁架接头进行帮焊加固,使其连为一体外,还对满堂支架直接承托桁架的水平杆,当其悬挑长度大于0·5m时,均予以加固;对桁架圆弧悬空大于1·0m的,其中部搭设了支撑杆,以减少悬空。另外,在满堂支架外围增设了水平杆,使其与下圆锥面混凝土及已浇筑的圆柱筒壁混凝土顶紧。通过上述加固措施,确保了上圆锥面支撑安全可靠。
4 下圆锥面底膜及面膜的加工与安装
4·1 下圆锥面底模加工与安装
(1)底板底模加工与安装
整个水箱支撑于塔身承重圆环及辐射状承重墙之上,水箱底板底模由外半径7·10m,内半径0·75m圆环形平面模板,以及宽0·40m环形劲梁底模(环形劲梁截面为0·40m×0·80m)组成。模板采取了架上直接拼装的方法。拼装前,严格复核了钢管满堂支架的高程,通过天顶观测法确定了水塔中心,以此作为控制底模几何形状和高程的依据。由于模板采用了10mm厚竹胶板,刚度较差,所以其下布置了70mm×70mm的方木,间距为30 cm。同时考虑劲梁范围荷载较大,通过验算后,在劲梁底模下铺垫了100 mm×100 mm短方木,间距为30 cm。
(2)下圆锥面底模加工与安装
下圆锥面底模为下口半径7·50m,上口半径11·15m,母线长4·756m的圆台面。竹胶板规格为1·22m×2·44m,沿母线长模板分为2节,每节模板均由板面为等腰梯形的小块模板拼装而成。经计算确定模板上端宽为430mm,则下端宽为(7 500/9 372·6)×430=344·1mm,下节模板加工总数量为2π×9372·6/430=137块。同时,通过对已确定模板尺寸合理性分析,小块模板上、下端混凝土弦弧之间矢高分别为2·47mm和1·97mm,表明小块模板尺寸确定是合理的。模板拼装中,由于小块模板直接安装在支撑骨架上,为防止小块模板悬空,其下增设了支撑于方钢、方木之上的小带木,同时使锥面底模形成一体,保证了拼装质量。
4·2 下圆锥面面模加工与安装
下圆锥面为倒圆台面,为了防止浇筑过程混凝土的坍流,必须设置面模(内模)。对于水箱这样的钢筋混凝土壳体结构,由于结构对称,又有较高的防渗要求,所以混凝土必须连续对称浇筑。
(1)下圆锥面面模加工
下圆锥面面模加工既要考虑结构曲面因素,更重要的是要考虑混凝土凝固时间、钢筋间距、结构特点,混凝土生产、运输、入仓、振捣等因素,确保混凝土连续浇筑不出现施工冷缝。因此,如图2,确定模板分为3段加工,共10圈。下圆锥面与底板加强角为第1段, 2
圈小模板;下圆锥面为第2段, 7圈小模板;下圆锥面与圆柱筒壁加强角为第3段, 1圈小模板。小块面模加工与下圆锥面底模类同。
(2)下圆锥面面模安装
根据混凝土必须连续对称浇筑的要求,以及为减少浇筑混凝土与安装模板之间的矛盾,在混凝土浇筑之前,全部面模均安装完毕。模板安装加固也相应分为3段。每段模板均采用了70mm×70mm通长压木及12U形钢筋环加固定位,为保证小块模板安取方便,压木间隔设置,未设压木的小块模板,均采用40mm×60mm短木条穿于相邻两压木之下,以限制其在混凝土浇筑过程中移位。同时,为了使混凝土浇筑人员便于在其上站立,小块模板均加设了小带木,并且每块小模板下端由焊于上层钢筋网片的短钢筋头阻止其下滑。钢筋保护层由焊于上层钢筋网片的U形钢筋环控制。这样,混凝土浇筑之前所有面模都是活动的,均可自如地取下或安上,浇筑混凝土时,浇筑本圈,取掉其上圈模板,以便混凝土入模及振捣。
5 支撑体系预压
现浇混凝土工程施工中,在底模安装完毕,绑扎钢筋之前,根据实际情况,有时需要采用砂袋加荷载的方法对支撑体系进行预压,以消除塑性变形,掌握弹性变形量,以便采取必要的工程措施,同时可以检验支撑体系的安全性。
6 经验与体会
(1)水箱满堂支架设计与验算,不仅要按照不同部位不同荷载对立杆分别进行设计与验算,而且要对横杆的强度、挠度进行验算。
(2)满堂支架的基础必须坚实,严禁积水。
(3)水箱支架必须连为一体。为增强满堂支架的整体稳定性,在各块支架之间均自上而下加设了短横杆,使整个满堂支架连成一体。
(4)锥面定位。使用圆环钢筋及钢筋桁架定位,易操作又准确,并可以对锥面起到加固支撑作用。
(5)钢筋桁架支撑。对于类似圆锥面这样的混凝土壳体结构,钢筋桁架支撑是一种经济实用的支撑方法。
(6)小块活动模板。水箱壳体结构混凝土施工,设置小块活动模板,便于混凝土入仓、振捣,并有效地解决了浇筑过程中混凝土的坍流问题。
