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预制混凝土楼梯在拱坝设计中的应用

日期：2016-6-17 13:55:29　来源：本站原创　浏览数：
　

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０　前　　言
    为了满足巡视检查和运行管理的需要，拱坝通常需要在下游坝面设置交通桥，特别是对于坝体厚度较小不宜设置检查廊道的中低薄拱坝更是如此。对于两坝肩地形陡，没有条件修建梯步的工程，还需要设置楼梯将各层交通桥、取放水设施控制闸室以及基础灌浆廊道出口等连接在一起，以形成完整有效的交通系统。
    拱坝通常采用的楼梯有现浇混凝土楼梯和钢结构楼梯两种型式。现浇混凝土楼梯是在施工现场架设模板、绑扎钢筋并浇筑混凝土而形成的整体式楼梯。现浇混凝土楼梯整体性好，刚度大，对抗震较有利，但由于拱坝体型复杂，施工时须搭设大量的脚手架和模板，施工临时工程量大、施工速度慢、造价高，当坝较高时其缺点更加突出。钢结构楼梯是在加工场制作构件，并在现场锚固于坝体的一种钢结构。钢结构楼梯制作和安装施工方便，但由于长期在露天、潮湿环境下工作，极其容易锈蚀，耐久性差，须定期进行保养和维护，运行维护费用高。
    为了克服上述两种楼梯的不足，参照建筑行业［１］已广泛使用的预制混凝土楼梯，经过研究和改进，提出了一种实用于拱坝的预制混凝土楼梯，并已在多座混凝土拱坝设计中成功应用，本文以鱼简河和沙坝拱坝为例对预制混凝土楼梯设计作简要介绍，以供参考。
    １·预制混凝土楼梯设计预制混凝土楼梯是将楼梯分成挑梁、楼梯段和平台板三个部分，在加工厂进行制作，施工时将各构件进行装配和固定的一种楼梯结构，如图１所示。因各种形式楼梯的栏杆设计差异不大，本文不对栏杆设计作讨论。

    挑梁由悬挑段和锚固段组成，悬挑段横截面为“Ｌ”形，锚固段横截面可做成矩形，为方便构件制作常与悬挑段一起做成“Ｌ”形。悬挑段长度为楼梯设计宽度Ｂ或２Ｂ（楼梯回头处），锚固段长度需结合安装时采用的稳定措施确定，若靠自身重量维持稳定，其长度应不小于悬挑段长度的１ ３倍，若在末端采用可靠的锚固措施，可以做得更短。
    楼梯段可做成板式和梁板式两种。板式梯段为一块带台阶（踏步）的预制混凝土板，如图１所示。梯段宽度通常为楼梯设计宽度，若楼梯宽度较大或现场吊装能力有限时，也可以将其分成２块。梯段板厚度需根据跨度和设计荷载计算确定，通常为１０～２０ｃｍ。踏步尺寸需根据实际情况确定，为行走方便舒适，踏面宽度可取２５～３０ｃｍ，踢面高度可取１５～２０ｃｍ。板式梯段优点是底面平整，便于制作和安装，组成构件少，整体性好，但其单件重量大，对起吊设备要求高，当跨度较大时更是如此，通常适用于跨度不大于４ｍ情况。梁板式梯段由２根锯齿形斜梁和数块“Ｌ”形踏步板组成，如图２所示。踏步板长度为楼梯设计宽度Ｂ，厚度５～６ｃｍ，踏步尺寸确定原则同板式梯段。斜梁宽度１５～２０ｃｍ，高度２０～３０ｃｍ，锯齿尺寸需与踏步尺寸相协调。梁板式梯段主要特点是构件小而轻，易制作和安装，但构件多，整体性较差。适用于跨度较大，采用板式梯段变形难于满足要求、现场吊装能力有限的情况。

    平台板通常做成矩形，若坝体曲率半径过小，为减小填缝工程量也可做成梯形。平台板宽度通常为Ｂ，楼梯回头处放置２块即可。平台板长度需根据梯段布置需要确定，以通过调整平台板长度使楼梯段之间、楼梯与其它设施顺利连接。平台板厚度需根据跨度和设计荷载计算确定，并需保证安装后顶面与梯段顶面高程一致，通常取１０～１５ｃｍ。
    预制混凝土楼梯实施过程为，先在加工厂制作构件，在进行坝体混凝土施工时，将挑梁锚固端按预定位置埋入坝体，待坝体施工完毕后，再将楼梯段放置到挑梁上，最后将平台板放置在两楼梯段之间的挑梁上，所有接缝用水泥砂浆填充抹平。
    相对于现浇混凝土楼梯和钢结构楼梯，预制混凝土楼梯有如下优点：
    （１）构件均为钢筋混凝土制作，造价比钢结构楼梯省；
    （２）构件可在预制厂批量生产，施工过程中临时工程量小，施工速度快，便于质量控制；
    （３）除挑梁须在大坝施工时埋入坝体外，其余构件均可在坝体施工结束后再进行安装，可最大限度地减少楼梯施工对坝体施工的干扰，特别是对于机械化施工程度较高的碾压混凝土拱坝效果更加显著；
    （４）可根据坝体施工分层高度调整楼梯段高度，以便于挑梁的安装；
    （５）可根据施工现场的吊装能力调整构件尺寸，以方便施工；
    （６）可通过调整挑梁长度，以满足楼梯回头的布置需要；
    （７）全部采用钢筋混凝土构件，耐久性好；
    （８）可通过调整平台板的平面尺寸，以适应拱坝不同位置曲率半径的变化；
    （９）可根据栏杆布置需要，在任意位置埋设预埋件，用于栏杆的安装；
    （１０）构件数量少，整体性好，安全性高。
    ２·工程实例
    ２·１鱼简河碾压混凝土拱坝
    鱼简河碾压混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝高８１.０ｍ，坝顶高程１０６２.０ｍ，拱冠梁底厚１６. ５ｍ，坝顶中心角为８９.１４３°，坝顶弧长１７９ ７３３ｍ，坝内９９５.３ｍ高程设灌浆廊道，坝后１０１１ ９２ｍ及１０３６ ８２ｍ高程设有交通桥。
    根据交通桥布置，梯段高度从下往上分别设计为４ × ３.３ｍ、４ × ２.９２５ｍ、８ × ３.１２８ｍ共３类１６段。楼梯设计宽度１.２ｍ。楼梯段为梁板式，各梯段均由２根斜梁和数块“Ｌ”形踏步板组成。斜梁截面尺寸２００ｍｍ ×３００ｍｍ，台阶尺寸分别为２８０ｍｍ×１８３ｍｍ和２８０ｍｍ × １９５ｍｍ。踏步板宽度３４０ｍｍ，高度１８３ｍｍ，长度１２００ｍｍ，厚度６０ｍｍ。挑梁横截面形状为“Ｌ”形，宽度６００ｍｍ，高度６００ｍｍ，缺口宽度３００ｍｍ，高度３００ｍｍ。锚固段长度１ ８ｍ，悬挑段长度为１ ２ｍ或２ ４ｍ（楼梯回头处）。各高程布置平台板２块，平面尺寸１１００ｍｍ×６００ｍｍ，厚度１２０ｍｍ，共计３８块。
    本工程已于２００５年建成并投入使用。
    ２·２　沙坝碾压混凝土拱坝
    沙坝单心圆碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程６２０.０ｍ，坝顶宽度６.０ｍ，坝底厚度１９.７１５ｍ，最大坝高８４.５ｍ，坝轴线长度１４８.５５ｍ。坝体５６１ ５ｍ高程设置有灌浆廊道。右坝段５９１.７ｍ、大坝中部５７３.５ｍ和左坝段５８５.７ｍ等高程分别设置有观测室。为便于大坝日常观测和维护检查，连接廊道和底孔出口启闭机室，在坝后５７３.４５ｍ高程设置一层交通桥，两岸均设置楼梯连接坝顶，其中左岸楼梯往下延伸连接５６１.５ｍ高程交通廊道出口，两岸楼梯均与观测室相连。
    为方便挑梁安装，楼梯段标准高度设计为３ｍ，与坝体碾压混凝土施工升层高度一致，局部采用非标准高度。实际共采用标准梯段３１段，非标准梯段５段。楼梯段为板式，宽度１. ２ｍ，厚度２００ｍｍ，踏步尺寸２５０ｍｍ ×２００ｍｍ。挑梁横截面形状为“Ｌ”形，宽度６００ｍｍ，高度５００ｍｍ，缺口宽度３００ｍｍ，高度２００ｍｍ。锚固段长度１. ８ｍ，悬挑段长度为１.２ｍ或２.４ｍ（楼梯回头处）；为方便安装，挑梁均布置在碾压混凝土升层仓面上，与模板安装同步进行。为防止施工过程中挑梁倾覆，在梁端均设置Φ２０锚筋１根。平台板厚度１５０ｍｍ，标准件平面尺寸１２００ｍｍ ×１２００ｍｍ，共计４１块，非标准件宽度１２００ｍｍ，长度１５００～３０００ｍｍ，共计２１块。
    本工程已于２００６年建成并投入使用。
    ３　结论
    （１）预制混凝土楼梯可规模化生产，施工临时工程量小，造价低，耐久性好，运行维护费用低。
    （２）预制混凝土楼梯可减少对坝体施工的干扰，特别是对于机械化施工程度较高的碾压混凝土拱坝效果更加显著。
    （３）预制混凝土楼梯可根据布置需要任意调整构件尺寸，适应性强、安装灵活方便。
    （４）预制混凝土楼梯除可用于混凝土拱坝外，在浆砌石拱坝同样可以采用，通过适当的改进后还可以用于重力坝。