關鍵詞:高位水塔;水箱支撐;水箱模板;施工
據了解,目前仍在國內使用的最大水塔只有500m3, 2 000m3高位水塔在國內尚未修建過。雖說近年來,高位水塔在國內大部分地區已被無塔上水器等先進設施所替代,但在國外一些貧窮落后、地下水資源缺乏的國家和地區仍需修建。隨著我國建筑業的快速發展,國內眾多建筑企業已經走出國門,向建筑業不發達的國家爭取建筑市場份額。因此,仍很有必要介紹大噸位高位水塔的施工技術。
1 工程概況
2 000m3高位水塔修建于尼日爾津得爾市,屬中國政府援尼日爾津得爾市成套供水項目的一個重要單項工程。水塔采用混凝土剪力墻、筒體、殼體結構體系,結構高24·66 m,水箱直徑22·30 m、高10·31 m。設計蓄水2 000m3,實際容積2 775m3。水塔外裝飾采用蜂窩狀鋁板,鋼結構裝飾架及陽光板,裝飾架頂高28·375m,頂部安裝7·0m高避雷針,桿頂安裝航空障礙燈,并裝點各式彩燈,造型新穎別致。水塔的承重結構為混凝土剪力墻和筒體,基頂平剖面,水箱結構剖面。水箱由底板、環形勁梁、下圓錐面、圓柱筒壁、上圓錐面、圓環形坡面頂板、水箱進人孔等部分組成。按設計要求,下圓錐面一次連續澆筑混凝土的范圍為相對高程13·10~18·419m,澆筑高度為5·319m,其中1·25m為塔身。加工安裝模板1 150m2,綁扎鋼筋61·5 ,t澆筑抗滲等級為P6的C35混凝土220·21m3。
本工程施工的重難點是水箱,而水箱的支撐和模板又是水箱施工成敗的關鍵。經過仔細研究,確定水箱支撐和模板施工中以下3個問題為施工重難點:(1)上、下圓錐面滿堂鋼管支架設計與驗算;(2)上、下圓錐面錐面形成與加固;
2 上、下圓錐面支撐結構設計與驗算
2·1 下圓錐面支撐結構
水箱下圓錐面支撐采用了滿堂鋼管支架,以及由現場材料組成的方鋼、鋼筋、方木支撐體系。下圓錐面滿堂鋼管支架平剖面見圖1,下面分幾種情況對滿堂支架立桿進行設計與驗算。
(1)水箱底板下滿堂支架立桿驗算
已知:48×3·5鋼管3·84 kg/m,直角扣件1·32kg/個,對接扣件1·84 kg/個,水箱底板下立桿高度14·35m,48×3·5鋼管凈截面A=489·3mm2。假定:立桿縱橫最大間距為1·0m×1·0m,水平桿步距為1·75m,驗算地面第一步立桿強度及穩定性。
①鋼管支架所承受的模板及連接件自重:q1=750N/m2;②鋼管支架自重力: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新澆筑鋼筋混凝土重力:q3=25 000×0·4=10 000N/m2;④施工荷載,按每m2站4人計:q4=3 000 N/m2。①~④項合計:∑q=15 086·6N/m2,即單根立桿承受的荷載為15 086·6N。按強度計算,立桿的受壓應力σ=kN/A=3×15 086·6/489·3=92·5N/mm2
1·75m,參照2·1(1)的驗算方法,驗算地面第一步立桿強度及穩定性。
∑q=35 646·6 N/m2,即單根立桿承受的荷載為
35 646·6×0·64=22 813·8N。
按強度計算,立桿的受壓應力σ=139·9N/mm2
(3)勁梁范圍滿堂支架驗算
假定:立桿最大間距為0·80m×0·90m,按穩定性計算立桿的受壓應力σ=252·8 N/mm2>f=205N/mm2,但考慮勁梁寬只有0·40 m,且有8處支撐在八面承重墻之上,故兩墻之間需增加斜撐加強。
(4)水箱圓柱筒壁范圍滿堂支架立桿驗算假定:立桿最大間距為0·60m×0·80m,按穩定性計算立桿的受壓應力σ=214·7 N/mm2>f=205N/mm2,但考慮筒壁厚只有0·30 m,鄰近立桿可分攤部分力,故無須加強。
以上計算中K為安全系數,依據《組合鋼模板技術規范》(GB50214—2001),K取3·0,同時參考了《建筑施工計算手冊》。計算中,由于正八邊形支架連為一體,且采用了短橫桿使支架與塔身混凝土相抵,故未計算風荷載。
2·2 上圓錐面支撐結構
上圓錐面支撐采用了水箱內滿堂支架,固定于滿堂支架平桿之上的八道邊長為15 cm,截面為等邊三角形的圓環形18鋼筋桁架,以及捆綁于桁架之上的方木組成的支撐體系。立桿間距1·10m×1·10m,水平桿步距1·40~1·70m,立桿穩定性驗算不再贅述。
3 上、下圓錐面錐面形成與加固
3·1 下圓錐面形成與加固
(1)下圓錐面形成
下圓錐面外表面為圓臺面,采用上、下口2道20圓環形鋼筋,通過控制高程、半徑,并將圓環形鋼筋點焊于滿堂支架水平鋼管之上定位。施工中,在水箱中部搭設了輔助支架,從而保證了所量半徑準確,水塔中心由經緯儀天頂觀測法確定。利用2道20圓環形定位鋼筋,將88根6m長方鋼沿圓錐母線方向均勻布設,并與上、下口2道定位鋼筋牢固焊接,再將不同半徑的8道20圓環形鋼筋,按下大上小的間距焊接于方鋼外側2道定位鋼筋之間,最后在相鄰方鋼之間布設方木,方木與圓環形鋼筋捆綁。鋼筋不僅將方鋼連為一體,直接承擔方木傳遞的力,而且約束方鋼和方木向外的位移,形成了下圓錐面由方鋼、鋼筋、方木組成的支撐骨架。在已形成的錐面支撐骨架上鋪設模板,即下圓錐面形成。
(2)下圓錐面加固
①圓環形鋼筋加固。對圓環形鋼筋與方鋼的每一個接點均采取雙面焊焊接,對圓環形鋼筋其接頭均進行鐵道標準設計 RAILWAY STANDARD DESIGN 2007 (6 )了雙面幫焊,從而有效地約束了方鋼和方木向外的位移,增強了加固的整體性和牢固性。②增強滿堂支架對錐面的支撐作用。通過調整錐面下滿堂支架水平桿高程,使2層水平桿直接承托2道圓環形鋼筋,并對支撐點進行了點焊,從而增強了滿堂支架對錐面的支撐作用。③采用π形斜撐支撐方鋼。兩相鄰方鋼為1組,每組方鋼設3道π形斜撐,每道π形斜撐由1根短鋼管和2根長鋼管組成,垂直支撐兩相鄰方鋼,每組π形斜撐通過2個扣件將所承受的軸向壓力傳遞給錐面下滿堂支架。④滿堂支架加固。錐面混凝土澆筑過程的全部荷載,直接作用于方鋼、方木及鋼筋支撐體系,再傳遞給
20圓環型鋼筋和鋼管π形支撐及2層水平桿,鋼管π形支撐及2層水平桿將所承受的力傳遞給滿堂支架。前面對滿堂支架立桿的穩定性已做檢算,為保證滿堂支架整體穩定性,在圖1的基礎上,對正八棱柱支架,相鄰兩塊之間,均自下而上加設了水平連接桿,使其形成一個封閉的正八棱柱。同時,對錐面下滿堂支架水平桿步距縮小到約1·0m。還加設了半徑方向橫向斜撐,從而有效地增強了滿堂支架承受荷載的能力。⑤增設防滑扣件。對勁梁下水平桿節點非十字節點的(節點為單扣件)均增加成雙扣件,以防止勁梁下水平桿承受方木短橫桿傳遞的豎直力之后而滑動。同時π形支撐橫桿也增加成雙扣件,防止其滑動。通過上述加固措施,為下圓錐面220·21 m3混凝土澆筑打下了堅實的基礎。
3·2 上圓錐面形成與加固
(1)上圓錐面形成
上圓錐面是通過控制8道鋼筋桁架底高程,以及每道桁架底外側圓環形鋼筋的半徑,并點焊于滿堂支架水平鋼管之上定位的,如圖4所示。在8道桁架中,通過適當調整滿堂鋼管支架水平桿高程,保證了1、4號桁架落在了鋼管支架水平桿之上,其余6道是通過增設圓環狀短水平鋼管而承托的,桁架與水平桿點焊牢固。8道桁架安裝完畢之后,再將方木沿錐面母線方向捆綁于桁架之上,形成錐面支撐骨架。再在已形成的錐面支撐骨架上鋪設模板,即上圓錐面形成。
(2)上圓錐面加固
上圓錐面施工荷載直接作用于上述支撐體系,支撐體系又將所承受的力通過8道桁架傳遞給鋼管滿堂支架。為此,除對每道桁架接頭進行幫焊加固,使其連為一體外,還對滿堂支架直接承托桁架的水平桿,當其懸挑長度大于0·5m時,均予以加固;對桁架圓弧懸空大于1·0m的,其中部搭設了支撐桿,以減少懸空。另外,在滿堂支架外圍增設了水平桿,使其與下圓錐面混凝土及已澆筑的圓柱筒壁混凝土頂緊。通過上述加固措施,確保了上圓錐面支撐安全可靠。
4 下圓錐面底膜及面膜的加工與安裝
4·1 下圓錐面底模加工與安裝
(1)底板底模加工與安裝
整個水箱支撐于塔身承重圓環及輻射狀承重墻之上,水箱底板底模由外半徑7·10m,內半徑0·75m圓環形平面模板,以及寬0·40m環形勁梁底模(環形勁梁截面為0·40m×0·80m)組成。模板采取了架上直接拼裝的方法。拼裝前,嚴格復核了鋼管滿堂支架的高程,通過天頂觀測法確定了水塔中心,以此作為控制底模幾何形狀和高程的依據。由于模板采用了10mm厚竹膠板,剛度較差,所以其下布置了70mm×70mm的方木,間距為30 cm。同時考慮勁梁范圍荷載較大,通過驗算后,在勁梁底模下鋪墊了100 mm×100 mm短方木,間距為30 cm。
(2)下圓錐面底模加工與安裝
下圓錐面底模為下口半徑7·50m,上口半徑11·15m,母線長4·756m的圓臺面。竹膠板規格為1·22m×2·44m,沿母線長模板分為2節,每節模板均由板面為等腰梯形的小塊模板拼裝而成。經計算確定模板上端寬為430mm,則下端寬為(7 500/9 372·6)×430=344·1mm,下節模板加工總數量為2π×9372·6/430=137塊。同時,通過對已確定模板尺寸合理性分析,小塊模板上、下端混凝土弦弧之間矢高分別為2·47mm和1·97mm,表明小塊模板尺寸確定是合理的。模板拼裝中,由于小塊模板直接安裝在支撐骨架上,為防止小塊模板懸空,其下增設了支撐于方鋼、方木之上的小帶木,同時使錐面底模形成一體,保證了拼裝質量。
4·2 下圓錐面面模加工與安裝
下圓錐面為倒圓臺面,為了防止澆筑過程混凝土的坍流,必須設置面模(內模)。對于水箱這樣的鋼筋混凝土殼體結構,由于結構對稱,又有較高的防滲要求,所以混凝土必須連續對稱澆筑。
(1)下圓錐面面模加工
下圓錐面面模加工既要考慮結構曲面因素,更重要的是要考慮混凝土凝固時間、鋼筋間距、結構特點,混凝土生產、運輸、入倉、振搗等因素,確保混凝土連續澆筑不出現施工冷縫。因此,如圖2,確定模板分為3段加工,共10圈。下圓錐面與底板加強角為第1段, 2
圈小模板;下圓錐面為第2段, 7圈小模板;下圓錐面與圓柱筒壁加強角為第3段, 1圈小模板。小塊面模加工與下圓錐面底模類同。
(2)下圓錐面面模安裝
根據混凝土必須連續對稱澆筑的要求,以及為減少澆筑混凝土與安裝模板之間的矛盾,在混凝土澆筑之前,全部面模均安裝完畢。模板安裝加固也相應分為3段。每段模板均采用了70mm×70mm通長壓木及12U形鋼筋環加固定位,為保證小塊模板安取方便,壓木間隔設置,未設壓木的小塊模板,均采用40mm×60mm短木條穿于相鄰兩壓木之下,以限制其在混凝土澆筑過程中移位。同時,為了使混凝土澆筑人員便于在其上站立,小塊模板均加設了小帶木,并且每塊小模板下端由焊于上層鋼筋網片的短鋼筋頭阻止其下滑。鋼筋保護層由焊于上層鋼筋網片的U形鋼筋環控制。這樣,混凝土澆筑之前所有面模都是活動的,均可自如地取下或安上,澆筑混凝土時,澆筑本圈,取掉其上圈模板,以便混凝土入模及振搗。
5 支撐體系預壓
現澆混凝土工程施工中,在底模安裝完畢,綁扎鋼筋之前,根據實際情況,有時需要采用砂袋加荷載的方法對支撐體系進行預壓,以消除塑性變形,掌握彈性變形量,以便采取必要的工程措施,同時可以檢驗支撐體系的安全性。
6 經驗與體會
(1)水箱滿堂支架設計與驗算,不僅要按照不同部位不同荷載對立桿分別進行設計與驗算,而且要對橫桿的強度、撓度進行驗算。
(2)滿堂支架的基礎必須堅實,嚴禁積水。
(3)水箱支架必須連為一體。為增強滿堂支架的整體穩定性,在各塊支架之間均自上而下加設了短橫桿,使整個滿堂支架連成一體。
(4)錐面定位。使用圓環鋼筋及鋼筋桁架定位,易操作又準確,并可以對錐面起到加固支撐作用。
(5)鋼筋桁架支撐。對于類似圓錐面這樣的混凝土殼體結構,鋼筋桁架支撐是一種經濟實用的支撐方法。
(6)小塊活動模板。水箱殼體結構混凝土施工,設置小塊活動模板,便于混凝土入倉、振搗,并有效地解決了澆筑過程中混凝土的坍流問題。
