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高位水塔水箱支撑及模板施工技术

高位水塔水箱支撑及模板施工技术

摘 要:介绍援外成套供水项目中2 000m3高位水塔水箱支撑设计,包括水箱上下圆锥面定位、锥面形成与加固,以及水箱下圆锥面底膜、面膜加工安装的施工技术。
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<f=205N/mm2,安全。按稳定性计算,立杆的受压应力:钢管回转半径i=15·78mm,其长细比λ=l/i=1 750/15·78=110·9,查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130—2001)附录C,得φ=0·510,则σ=kN/φA=(3×15 086·6) /(0·510×489·3)=181·4N/mm2<f=205N/mm2,安全。
(2)承重圆环内水箱底板范围满堂支架立杆验算下圆锥面施工时进人孔要同时浇筑至15·55m高程,进人孔范围立杆受力较大。假定:立杆间距为0·80m×0·80m,水平杆步距为
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<f=205N/mm2,安全。
按稳定性计算,立杆的受压应力σ=274·3N/m>f=205N/mm2。因此,进人孔范围立杆需要加密,通过计算需增加8根。
(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。
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