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汽机基础施工方案

大型汽轮发电机基础的施工关键技术探讨　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

上海电力建筑工程公司楼海英

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【摘要】汽轮发电机基础作为发电系统的核心构筑物，它是一个复杂的钢筋混凝土空间框架结构，构件外形尺寸庞大、钢筋配置密度高，给施工带来了一定的难度，施工组织有独特之处。

本文通过多项大型汽轮发电机基础的施工实践，从基础底板、框架柱、运转层顶板三个部分总结施工组织、钢筋绑扎、模板支设、脚手架搭设和螺栓套管几个方面关键技术特点。

同时也介绍了清水混凝土质量保证的施工经验。

【关键词】百万等级汽轮发电机基础模板配置钢筋架设施工经验

　　这十年来，随着我国电力建设的高速发展，600MW机组已成为主力机组，单机容量已发展到百万等级，汽轮发电机基础也成为一个十分复杂的空间框架结构，并且外形尺寸庞大。

目前最大汽机基础柱的截面达到3.2m×3.2m，柱的净高达到18.4m，这些特点给设计和施工均带来了一定的难度，汽轮发电机基础施工质量将直接影响机组的安全稳定运行，所以对汽轮发电机基础关键施工技术研究具有重要的工程现实意义。

1基础底板施工

基础底板施工关键是支撑上层钢筋的敷设架设计计算和基础大体积混凝土有害裂缝的控制。

1.1敷设架设计计算

　　基础底板一般设计厚度在2.2~4m左右，上层钢筋一般设计为二层双向钢筋（Φ28@150~Φ32@150），因面层钢筋荷载较大，在上部钢筋施工时，需加设敷设架，敷设架的材料有钢管（脚手管）、角钢、槽钢、钢筋；钢管（脚手管）敷设架施工方便，但因在混凝土基础上留下永久的孔洞，在重要的设备基础上不应采用的；常用的敷设架是采用角钢或钢筋制作成，敷设架是承受上层钢筋荷载和施工荷载，必须经过设计计算确保施工安全。

　　1）敷设架计算：

明确敷设架形式、选择材料，敷设架立杆纵、横向间距，立杆与温度钢筋连接形式；

　　2）敷设架验算：

　　支架横梁强度、挠度计算；

　　立杆稳定性验算（上层钢筋荷载、横杆自重荷载、施工荷载）、整体稳定性验算。

　　3）施工：

下层钢筋绑扎——敷设架立柱、剪刀撑——立柱与温度应力筋连接——上层钢筋绑扎。

1.2基础大体积混凝土有害裂缝的控制措施

1.2.1设计措施

　　1）大体积混凝土的设计强度等级宜在C25～C40的范围内，并可利用混凝土60天或90天的后期强度作为混凝土强度评定、工程交工验收及混凝土设计的依据；

　　2）大体积混凝土的结构配筋除应满足结构强度和构造要求外，还应结合大体积混凝土的施工方法配置承受因水泥水化热引起的温度应力及控制温度裂缝开展的构造钢筋（在变截面处，砼保护层增加钢筋网片等）；

　　3）留设施工缝，减小一次浇筑的体积和截面尺寸，形成数个浇筑块，以此增加散热，降低收缩量；

　　4）设计中应尽可能考虑减少大体积混凝土外部约束的技术措施（模板、地基、桩基和已有混凝土等外部约束）；

　　5）改善约束条件，当大体积混凝土置于岩石类地基上时，设计有必要时宜在混凝土垫层上设置滑动层；

　　6）外加剂。

1.2.2施工措施

　　1）采取了以保温保湿养护为主体，抗放兼施为主导的大体积混凝土温控措施新技术。

　　2）通过降低原材料的温度，降低混凝土浇筑（入模）温度。

　　3）优化混凝土配比（双掺技术、混凝土后期强度），降低混凝土中单方的水泥用量，达到降低水化热，降低混凝土中心温度。

　　4）采用保温保湿，使混凝土缓慢冷却，减小了表面拉应力，同时利用混凝土的徐变特性逐步抵消混凝土的冷缩拉应力。

　　5）采用在混凝土中预埋冷却水管，通水冷却，降低混凝土中心温度。

（冷却水管布置必须得到设计同意，并且有控制冷却水温度措施）。

1.2.3基础大体积混凝土施工组织

　　1）大体积混凝土工程施工前，应根据需要对施工阶段大体积混凝土浇筑体的温度、温度应力及收缩应力进行验算，确定施工阶段大体积混凝土浇筑体的升温峰值，里表温差及降温速率的控制指标，制定温控的技术措施。

　　一般情况下，温控指标宜不大于下列数值：

　　混凝土浇筑体在入模温度基础上的绝热温升值最大值为50℃；

混凝土浇筑块体的里表温差（不含混凝土收缩的当量温度）为25℃；　　

　　混凝土浇筑体的降温速率为2.0℃/d。

　　混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20℃

　　2）原材料质量控制（含泥量控制）、供应计划和配合比设计；

　　3）混凝土主要施工设备和现场总平面布置；

　　4）温控监测设备和测试布置图；

　　5）混凝土浇筑程序和施工进度计划；

　　6）混凝土保温和保湿养护方法，其中保温覆盖层的厚度计算；

　　7）主要应急保障措施；

　　特殊部位和特殊气候条件下的施工措施。

2汽机基础框架柱的施工

　　汽机基础框架柱施工关键是如何从设计开始为施工创造条件，确保柱施工质量。

2.1设计应为施工考虑的问题

2.1.1柱子分段的设计

　　按《火力发电厂土建结构技术规定》DL5022-93（即《土规》）第5.1.17条规定“汽机基础施工时，可设2～3道施工缝，各设在柱顶、柱脚及0m附近”。

但日前大容量机组增设1层中间平台，或柱子高度超过10m，就相应增加施工难度。

特别是设置中间平台，因中间平台的梁钢筋必须伸入柱内，该处钢筋密，如果在柱中间平台梁上、下不设置施工缝，将给施工带来很大的难度且又不能保证施工质量，因此，设计单位在设计时考虑在柱脚、中间平台上下和运转层平台下各设置1条施工缝。

高度超过10m的柱子中间加设施工缝，放宽对施工缝留设的限制，给施工创造一定的条件。

2.1.2柱子箍筋的设计

　　若柱子高度超过10m的柱子（中间不留设施工缝），在柱子箍筋的设计时，设计就要考虑施工时泵管位置、振捣人员上下通道。

如某工程汽机基座柱高度13.5m，在与设计沟通后柱的箍筋进行调整，修改后的形式。

修改后的箍筋

2.2柱子施工技术

　　汽机框架柱施工关键是现浇柱混凝土结构模板工程设计计算，及混凝土施工质量的控制。

2.2.1柱子模板设计计算

　　柱子模板设计主要确定对拉螺栓和柱模板的抱箍形式、间距，对拉螺栓一般有二种形式：

柱内不设对拉螺栓（美观一些），柱内设置对拉螺栓采用直埋或带塑料套管的对拉螺栓（经济一些），对拉螺栓、抱箍大小、形式、间距通过计算确定的。

　　1）柱模板荷载标准值计算

　　强度验算要考虑新浇混凝土侧压力和倾倒混凝土时产生的荷载；挠度验算只考虑新浇混凝土侧压力。

　　新浇混凝土侧压力计算公式为下式中的较小值：

　　其中：

γ——混凝土的重力密度，取25.000kN/m3；

　　　　　t——新浇混凝土的初凝时间，为0时（表示无资料）取200/（T+15），取4.000h；

　　　　　T——混凝土的入模温度，取30.000℃；

　　　　　V——混凝土的浇筑速度，取1.500m/h；

　　　　　H——混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面总高度，取2.000m；

　　　　　β1——外加剂影响修正系数，取1.200；

　　　　　β2——混凝土坍落度影响修正系数，取1.150。

荷载类别与编号

荷载名称

荷载类别

荷载编号

模板结构的自重

静荷载

①

新浇混凝土自重

静荷载

②

钢筋自重

静荷载

③

施工人员及施工设备的自重

活荷载

④

振捣混凝土时产生的荷载

活荷载

⑤

新浇混凝土对模板侧压力

静荷载

⑥

倾倒混凝土时产生的荷载

活荷载

⑦

荷载组合

项次

模板结构项目

荷载组合

计算承载力

验算刚度

1

平板模板及支架

①+②+③+④

①+②+③

2

梁模板底板及支架

①+②+③+⑤

①+②+③

3

梁、柱、墙的侧面

+⑦

　　2）柱模板面板的计算

　　面板直接承受模板传递的荷载，应该按照均布荷载下的三跨连续梁计算，

　　支座最大弯矩计算公式：

M1=-0.1ql2

　　跨中最大弯矩计算公式：

M2=0.08ql2

　　最大剪力：

V=0.6ql

　　其中：

q——强度设计荷载（kN/m）（q按荷载和荷载组合及荷载分项系数计算出的均布荷重）；

　　　　　l——竖楞的距离。

　　a）面板抗弯强度计算

　　　　　　　　　　F=M/W<「f」

　　其中：

F——面板的抗弯强度计算值（N/mm2）；

　　　　　M——面板的最大弯矩（N.mm），M=0.1ql2；

　　　　　w——面板的净截面抵抗矩（mm3）；按荷载计算宽度或模板尺寸，种类确定；

　　　　「f」——面板强度设计值，当为胶合板时，按不同胶合板的力学性能决定，一般取[f]=13N/mm2当为钢模板时，取[f]=205N/mm2。

　　b）抗剪计算

　　　　　　　　　　τ=VS/Ib≤[fv]

　　式中：

τ——剪应力计算值

　　　　　V——横截面上的剪力

　　　　　S——剪应力作用层以下部分的横截面积对中性轴的面积矩

　　　　　I——惯性矩

　　　　　b——截面宽度

　　　　　[fv]当为方木时[fv]=1.3N/mm2，当为钢材时[fv]=115/N/mm2

　　对于矩形截面τ=3V/2bh

　　对于钢管截面τ=2V/A；A为钢管环行截面积

　　对于槽钢，I字钢截面I=V/A；A为腹板的截面积

　　c）面板挠度计算

　　最大挠度计算公式

　　　　　　　　　　V=0.677ql4/100EI<[V]

　　其中：

q——混凝土侧压力的标准值，

　　　　　E——面板的弹性模量，当为胶合板时E=6.0×103N/mm2，当为钢模板时E=2.06×105N/mm2

　　　　　I——面板截面惯性矩

　　　　　L——计算跨度（内龙骨间距）（MM）

　　　　　[V]——面板允许挠度，当为普通混凝土面[V]=1/250；当为清水混凝土面时[V]=1/400。

　　3）内龙骨的计算

　　a）内龙骨直接承受模板传递的荷载，通常按均布荷载的三跨连续梁计算。

如不是三跨需要二跨或一跨简支梁计算，如龙骨有悬臂时，应同时验算悬臂端的抗弯强度和挠度。

　　b）内龙骨的抗弯强度和挠度计算公式和方法与面板计算相同，计算跨度为外（主）龙骨间距。

　　c）内龙骨采用方木时，其弹性模量和抗弯强度允许值[f]要根据选用木材名称和应力等级来确定，一般可取E=9×103N/mm2；[f]=13N/mm2

　　4）外龙骨（A、B方向柱箍）的计算

　　柱箍承受内龙骨传递给的集中荷载（kN），可按按单跨简支梁或多跨连续梁计算。

通常按三跨连续梁计算，集中力位置按实际内龙骨位置。

　　弯矩最大值：

Mmax=0.175p1

　　剪力最大值：

Vmax=1.5P

　　P.内龙骨传递的集中荷载

　　a）柱箍抗弯强度计算

　　柱箍截面抗弯强度计算公式：

F=Mmax/W<[f]

　　式中符号同上

　　b）抗剪强度

　　　　　　τ=VS/Ib≤[fv]

　　式中符号同上

　　c）柱箍挠度计算

　　　　　　V=1.146Pl3/100EI<[V]

　　式中：

P——由龙骨（柱楞木）传下的集中力

　　　　　l——柱箍跨度

　　　　　E——弹性模量

　　　　　I——惯性矩

　　　　　[V]——同前

　　5）对拉螺栓的计算

　　　　　　　　N<[N]

　　　　　N——对拉螺栓计算拉力，

　　　　　N=b×h×q

　　　　　h、b——分别为对拉螺栓纵横向间距

　　　　　[N]——对拉螺栓允许拉力，按不同直径选用

2.2.2柱子的施工

　　柱子混凝土浇筑时挂串桶、溜管，混凝土自由下落高差不得超过2m。

每只柱子混凝土浇筑速度应控制在1.5m~2m/h以内。

随着柱子浇注高度的上升，混凝土表面将聚集大量浆水而可能造成混凝土强度不均匀现象，当浇筑到2/3高度左右时，应适当减小混凝土的配合比用水量。

当浇注至柱、梁接头处，应停歇1～1.5小时，待混凝土沉实进行二次回振后，方可继续浇筑。

若柱子高度超过10m中间不留设施工缝，施工人员进入柱内进行振捣，保证柱子混凝土浇注质量。

3汽机基础平台施工

　　汽机基础平台汽机基础平台较厚（2.4m～3.0m），上部荷载较大，高支模设计计算是汽机基础平台施工关键。

3.1平台水平模板和排架设计

　　《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002，强制性条文规定，模板及其排架应根据工程结构形式，荷载大小、地基类别、施工设备和材料供应等条件进行设计。

模板及其排架应具有足够的承载能力，刚度和稳定性，能可靠的承受浇筑混凝土的重量，侧压力以及施工荷载。

3.1.1模板面板计算

　　模板面板不论何种面板均为受弯构件，主要验算其抗弯强度及刚度。

面板以内龙骨作为支承点，可按单跨简支梁（偏于安全）或多跨连续梁计算，一般采用三跨连续梁进行计算。

　　计算公式、原理同柱子模板面板的计算。

3.1.2支承内外龙骨的计算

　　计算公式、原理同柱子内外龙骨的计算。

3.1.3扣件验算

　　平台模板主龙骨与柱连接扣件拱滑移验算，采用如下公式：

R≤[RC]。

　　式中R主龙骨传给立杆的竖向作用力计算值，由主龙骨计算的最大支承反力值；

　　RC扣件抗滑承载力允许值，RC=8.0kN。

　　当采用双扣件时RC=12.0kN。

3.1.4支架立杆稳定计算

　　按轴向受压构件，不组合风荷载时进行计算

　　　　　　　　N/φA≤[f]

　　式中：

N——一根立杆所受到的轴向力（N）；按一根立杆受力面积的全部荷载组合取值。

　　　　　φ——轴心受压构件的稳定系数

　　　　　A——立杆的截面面积（mm2）

　　　　　[f]——钢材允许抗压强度（205N/mm2）

　　　　　φ——由长细比入查表得到

3.1.5立杆地基承载力计算

　　立杆基础底面的平均压力应满足下式要求

　　　　　　　　　　P≤fg

　　式中：

P——立杆基础底面的平均压力，P=N/A；

　　　　　N——上部结构传至基础顶面的轴向力设计值；

　　　　　A——基础底面积；

　　　　　fg——地基承载力设计值；fg=kc•fgk；

　　　　　Kc——地基承载力调整系数，对碎石土、砂土、回填土应取0.4；对粘土应取0.5；对岩石、混凝土应取1.0；

　　　　　fgk——地基承载力标准值，上海地区一般可取120kpa；填土取85kpa。

3.1.6排架设计时注意事项

　　1）立杆地基承载力计算

　　由于汽机基础平台较厚（2.4m～3.0m），上部荷载较大，传至排架立杆的最大轴力在2500kN以上，立杆采用48×3.5的脚手管（截面面积为489mm²），传至底部的压力很大，因此，汽机排架设计必须明确立杆对地基承载力的要求，并采取相应的措施。

　　2）排架纵横距的设计

　　排架纵横距的设计非常重要，可以说是整个排架设计中的决定性因素。

纵横距布置，不仅决定了单根立杆的受力范围，而且关系到模板系统中外龙骨的计算跨度和材料选型。

在确定排架纵横距的时候，要综合考虑排架支撑系统和模板龙骨系统，纵横距小，则龙骨的计算跨度减小，对龙骨的截面特性要求降低；纵横距增大，排架系统的工程量减小，但对模板系统的龙骨提出了更高的要求。

　　3）排架立杆顶部的设计

　　立杆顶部（平台的底部）应有调节措施，常用的方法有二种，一种是采用搭接短钢管，一种是采用调平支座，二种方法应根据工程实际情况荷载大小、排架材料选用平确定。

　　采用扣件搭接短钢管的方式进行找平、调节标高。

接长高度要小于800mm，搭接长度需大于1m。

由于一个旋转扣件的抗滑力为8.0kN，多个扣件共同受力时，其抗滑力要折减，汽机基础平台一根立杆所受的轴力很大，可用6个扣件采用双短钢管（避免主立杆偏心）连接，扣件位置要错开，如图所示。

　　采用调平支座，这种方法方便快捷，效率较高。

但使用时注意要验算调平支座的螺纹强度是否满足立杆所受的轴力，如图所示。

扣件连接短钢管与立杆

3.2敷设架设计、施工注意事项

　　汽机基础平台施工另一难题就是如何固定这么多精度要求的螺栓、螺栓固定箱、直埋螺杆、套管，施工前必须进行严密的策划。

组织土建和安装专业工程师对螺栓、螺栓箱、套管位置、尺寸、材料、施工要求进行核对，并根据图纸要求确认预埋件固定形式（是焊接固定或其它形式）和精度要求。

　　1）正式螺栓安装在螺栓固定盒上并由安装单位安装，土建予埋部分只是螺栓固定盒且安装精度不高（一般允许偏差为10mm），故此次螺栓的加固可不采用敷设架的固定方案，螺栓固定盒直埋螺杆通过锚固板上、中、下固定夹住，锚固板与钢筋固定在一起的加固方法；

调平支座

　　2）如果是直埋螺栓，且安装要求高的，必须通过敷设架来固定的，敷设架设计应根据螺栓安装精度要求确定敷设架形式和刚度要求，敷设架受力支点不能与平台排架或底板模板上相连，应在柱子顶部埋设埋件；并且预埋螺栓安装时需提高10mm左右安放，避免混凝土浇筑后由于混凝土的收缩引起预埋螺栓的沉降；

　　3）预埋套管安装：

在底模弹出予埋套管的中心位置，在埋管位置上安装楔形圆木塞子，待钢筋基本就位后，将预埋套管下口压入楔形圆木塞子内，调整套管垂直度，上口通过固定敷设架；

　　4）核查进场螺栓、螺栓箱、套管等预埋件的材质是否与图纸要求一致；

　　5）汽机平台的钢筋非常密集，在钢筋绑扎前就要确定螺栓敷设架的形式、结构、位置，和施工先后顺序，避免敷设架、预埋件与钢筋之间的干涉，如干涉不可避免，应与设计单位研究解决；

　　6）敷设架在满足竖向受力的同时，要有足够的侧向刚度，避免由于施工荷载引起的敷设架摇晃偏位。

3.3大体积混凝土施工技术

　　汽机基础平台也为大体积混凝土，必须按大体积混凝土的要求（见底板大体积混凝土）进行设计、施工，但汽机基础平台大体积混凝土养护保温措施相对困难，特别是平台底部因排架间距密常规的保温措施不容易施工往往被忽视，应该在底模设计时考虑合理的保温措施，增加一层泡沫板进行保温（既钢模板+泡沫板+大模板），侧面保温在混凝土浇筑完3天左右（混凝土浇筑后前3~5天处于升温阶段），可拆除平台侧面模板支撑系统，而不拆除模板，将5cm厚泡沫板通过留在模板外的对拉螺栓固定贴近大模板，以起到保温目的。

控制大体积混凝土内外温差。

4清水混凝土施工技术

　　随着这几年国家电力建设的迅猛发展，业主对成品工艺要求也越来越高，尤其对汽机基础的混凝土结构外观质量要求达到无须进一步装饰，能够体现混凝土结构的力度和美感的观感质量标准（即清水混凝土质量标准）。

清水混凝土质量控制主要有以下几方面：

4.1模板工艺

4.1.1模板设计上：

模板的挠度要求[V]=1/400（当为普通混凝土面[V]=1/250）。

4.1.2模板制作：

模板宜采用优质光滑坚硬的双面覆膜胶合板，模板厚度不宜小于15mm，根据翻样图在木加工场进行加工，严格控制模板的几何尺寸，并按图统一编号，特殊部位柱梁位置进行预拼装；模板侧边宜刷二道调和漆，以延长模板的使用寿命。

4.1.3模板安装：

拼缝要求横平竖直，线条分布有规律，高低一致，柱两个面拼缝需错缝布置，以便安装。

柱子的木方内龙骨在木工厂与模板钉在一起，木方在上下模板相接的位置错缝布置，保证模板安装后相互力传递的均匀。

4.1.4模板拼缝处处理：

可采用在模板侧边开一道宽2.5mm，深12mm通槽，内嵌20×2扁铁，以防止拼缝处漏浆；或采用在模板拼缝内贴海棉双面自粘胶条的办法防止漏浆。

4.1.5阴阳角的处理：

阴角处模板拼接方法：

开坡口拼接；阳角处模板的拼接方法为其中一块模板伸出与相邻模板端部的木楞固定。

阳角若采用线条装饰，应在相应部位加衬塑料线条或木线条。

4.2埋件制作、安装工艺

　　埋件采用剪板机剪板，下料准确、对角方正、焊接牢固、无翘曲变形，尤其是长的角钢，扁钢埋件，绝对要求平直，超标的必须在铁件加工间进行矫正。

将埋件位置画在模板上，埋件的固定采用在埋件及模板上钻孔，用螺丝予以固定，并在每个预埋件的外侧四周粘贴双面胶带，防止预埋件与大模板之间进入混凝土浆，模板拆除后，对于预埋件的表面及时清理干净后涂刷红丹防锈漆一道，面漆一道。

4.3混凝土工艺

4.3.1原材料的选择

　　水泥：

对同一单位工程，拌制清水混凝土用的水泥必须为同一厂家生产的同一品种。

宜选用普通硅酸盐水泥，如果某品牌水泥为首次采用则必须对该品牌水泥进行市场调查，调查其矿源的稳定性和其它用户的反映，并做相关的性能试验。

水泥的强度等级宜选择32.5和42.5；

　　外加剂：

必须为同厂家的同品种产品，并必须与选用的水泥相匹配。

不宜使用含有较多引气剂成份的外加剂。

对减水剂应要做相应的性能试验；粉煤灰必须为同厂家、同等级产品，宜选用一、二级低钙灰，对首次采用的粉煤灰应做相应的性能试验；

　　石子：

必须为同规格、同品种，连续级配材料。

石子的的含泥量不得大于0.5%，泥块含量不得大于0.2%，针片状颗粒含量不宜大于10%，骨料最大粒径按照输送泵的性能确定，一般不得大于输送管直径的1/4，不得含有碱活性等有害杂物；

　　黄砂：

必须为同产地、同规格材料，细度模数应在2.3以上的中粗砂，颜色均匀，含泥量不得大于2%，泥块含量不得大于0.5%，严禁使用山砂、海砂。

4.3.2配合比设计：

混凝土配合比设计时，水泥用量不得小于300kg/m3；为防止混凝土色差，控制混凝土中粉煤灰掺量。

每立方混凝土中，水胶比〔水的重量/（水泥重量+粉煤灰重量）〕不宜小于0.43，不应大于0.45；混凝土入模前的坍落度宜控制在120±20mm范围内；混凝土的初凝时间宜控制在现场条件下的6-8h；

4.3.3混凝土：

搅拌清水混凝土应采用强制式搅拌设备，每次搅拌时间比普通混凝土延长20~30s；清水混凝土拌和物从搅拌结束到入模前不超过90s。

4.4样板试验

　　清水砼施工前要进行样板试验，样板试验的试件必须涵盖工程中要求达到清水混凝土标准的所有结构和所有工艺。

如：

梁、柱、板的节点、阴阳角、模板横竖向拼缝、对拉螺栓、过程缝（施工过程中混凝土分层浇筑所形成的临时施工缝）、施工缝、预埋件等；得到合格样板形成过程中的所有工艺参数。

　　总之，近几年我国的电力建设正在向机组的大容量高参数方向发展，大容量机组不断增加，汽轮发电机基础施工的好坏将直接关系到电厂机组能否安全、经济和高效的运行。