淺談湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐右汊閘壩梁體架設(shè)施工難點(diǎn)及對(duì)策

彭 鑫

(長(zhǎng)沙市湘江綜合樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200)

1 工程概況

湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐工程位于湖南省會(huì)長(zhǎng)沙市下游，距市中心僅20～30 km，是湘江下游9 級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃當(dāng)中的最下游一個(gè)梯級(jí)，工程有供水、通航、灌溉、發(fā)電、城市景觀(guān)等功能。

閘墩參數(shù):墩體寬3 m，高19.7 m，閘室凈寬14 m，閘墩中部有3 cm 結(jié)構(gòu)分縫，架設(shè)梁體布置如圖1。

圖中油泵房高2.7 m，凈寬2.4 m，兩側(cè)各有30 cm 厚混凝土側(cè)墻，頂板厚30 cm，中間設(shè)置寬3 cm結(jié)構(gòu)分縫。

壩頂門(mén)機(jī)軌道梁、油路和電纜箱梁參數(shù):20 閘孔共布設(shè)了80 榀預(yù)制梁，每孔兩榀“［”型箱梁和兩榀“工”型門(mén)機(jī)軌道梁，單根長(zhǎng)17 m，簡(jiǎn)支端長(zhǎng)1.5 m，其中單榀軌道梁重86.6 t，單榀箱梁重50.6 t。

邊界條件:梁體預(yù)制場(chǎng)布置在和壩后橋相接的進(jìn)場(chǎng)路上，寬12 m，半幅滿(mǎn)足當(dāng)?shù)赝ㄐ?，半幅預(yù)制;預(yù)制場(chǎng)地狹長(zhǎng)，預(yù)制臺(tái)座布置不規(guī)則，且沿程道路變化大，布設(shè)吊車(chē)軌道困難;基坑圍堰已經(jīng)拆除，無(wú)道路進(jìn)入閘室前后底板;油路和電纜箱梁為“［”型，為方便施工，預(yù)制時(shí)側(cè)翻后成呈渡槽型施工;梁體運(yùn)輸通道缺乏，就位困難。

2 主要施工工藝

固定式2 臺(tái)50 t 龍門(mén)吊抬吊脫離臺(tái)座→在吊點(diǎn)處上夾具固定梁體→2 臺(tái)龍門(mén)吊吊夾具攜梁體一起反轉(zhuǎn)→龍門(mén)吊抬吊上2 ×80t 運(yùn)梁車(chē)→運(yùn)輸至右側(cè)壩頭→沿壩后橋逐孔喂梁至JQG150 －40 A3 型橋式起重機(jī)→架橋機(jī)攜梁橫移，按照電纜箱梁、下游軌道梁、油路箱梁和上游軌道梁，從下游向上游順序安裝→架橋機(jī)過(guò)孔，逐孔依此推進(jìn)。

3 主要施工難點(diǎn)

3.1 箱梁翻身

壩頂油路和電纜箱梁均為薄壁結(jié)構(gòu)，腹板30 cm，翼緣25 cm，其中主受拉區(qū)位于下翼緣處，腹板僅為結(jié)構(gòu)配筋，翻身時(shí)主受力部位的強(qiáng)度和剛度均不足，同時(shí)起吊不同步易造成受扭破壞，因此如何保證側(cè)翻預(yù)制的箱梁安全翻身是梁體架設(shè)的第一個(gè)難點(diǎn)。

3.2 架橋機(jī)攜梁橫移

運(yùn)梁車(chē)沿架設(shè)好的壩后橋?qū)雾旑A(yù)制梁運(yùn)至待架的閘孔孔位時(shí)，架橋機(jī)需攜梁橫移方能使梁體就位，存在兩個(gè)技術(shù)困難:①在墩位3 榀梁架設(shè)時(shí)架橋機(jī)前后支腿高差過(guò)大，后支腿擱于已架設(shè)完成的梁體上，比前支腿高一個(gè)梁體高度，達(dá)2.7 m，遠(yuǎn)超過(guò)架橋機(jī)支腿伸縮極限，因此如何保證前支腿在架設(shè)時(shí)的安全穩(wěn)固成為一個(gè)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題;②在架設(shè)壩前上游軌道梁時(shí)，架橋機(jī)攜梁橫移要經(jīng)過(guò)油泵房30 cm 厚混凝土側(cè)墻，其總噸位達(dá)213.6 t，且泵房中間有3 cm 結(jié)構(gòu)分縫，上游軌道梁沿側(cè)墻如何安全橫移，避免閘墩在偏心受力的情況下油泵房側(cè)墻出現(xiàn)較大的橫向位移是又一個(gè)難點(diǎn)。

4 主要施工對(duì)策

4.1 梁體起吊

起吊思路:將箱梁現(xiàn)行鎖口，將單一腹板受力轉(zhuǎn)換為整體空腔結(jié)構(gòu)受力，改善梁體截面受力狀況。起吊時(shí)采用QM50 t－9.4 m/6 m 型的2 臺(tái)龍門(mén)吊脫離臺(tái)座，然后安裝好抱箍夾具，再通過(guò)2 臺(tái)龍門(mén)吊緩慢同步翻身呈“［”型，恢復(fù)梁體設(shè)計(jì)狀態(tài)。各主要環(huán)節(jié)分述如下。

4.1.1 吊點(diǎn)位置選擇

1)根據(jù)正、負(fù)彎矩相等處(M1=M2)，正負(fù)彎矩最小的原則，吊點(diǎn)位置:

鋼筋所能抵抗的最大懸臂彎矩:

需補(bǔ)充的彎矩為:

190.5 kN·m－159.75 kN·m=30.75 kN·m。

2)采取措施:

考慮加型鋼拉桿，所補(bǔ)鋼材截面抵抗矩:

鎖口后對(duì)整體剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了復(fù)核:

①懸臂端最大撓度:

小于[ f] = L/250 =3 500 mm/250 =14 mm，剛度滿(mǎn)足要求。

式中 λ = m/l =3.5 m/(16.98 m－2 × 3.5 m)=0.351 m;

②跨中段最大撓度:

小于[ f] =9 980 mm/500≈20 mm，剛度滿(mǎn)足要求。

③ 正彎矩M 驗(yàn)算:

此時(shí)30 cm 厚腹板下層受拉，受拉區(qū)鋼筋所能抵抗的彎矩:

實(shí)施中采用可拆卸式15 根［14b 型鋼進(jìn)行鎖口，確保內(nèi)撐外拉，型鋼具體布置:在3.5 m 起吊位置左右2 m 范圍和梁體中心2 m 范圍按照1 m 間距，其余按照 1.5～2 m 間距。

4.1.2 吊具選擇

對(duì)稱(chēng)于吊點(diǎn)兩側(cè)，按照50 cm 間距各布置4 個(gè)直徑為100 mm 對(duì)稱(chēng)孔，穿套直徑為80 mm 鋼棒，然后利用鋼棒外露端作為起吊點(diǎn)，2 臺(tái)龍門(mén)吊抬吊的方式脫離臺(tái)座，施工前對(duì)孔壁的局部緊接承壓應(yīng)力和孔壁拉應(yīng)力以及鋼棒強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，以確認(rèn)開(kāi)孔位置、直徑和鋼棒直徑等，避免開(kāi)孔過(guò)高產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力破壞和鋼棒直徑過(guò)小而產(chǎn)生的變形破壞。

4.1.3 梁體翻身

梁體提升離開(kāi)臺(tái)座后，下墊枕木抬高，然后在3.5 m 起吊位置安裝抱箍夾具，其中腹板底部放置2根縱向型鋼墊底以防止起吊過(guò)程中的梁體扭動(dòng)，然后利用2 臺(tái)固定式的龍門(mén)吊起吊上翼緣位置夾具吊耳，緩慢同步抬高進(jìn)行翻身90°至設(shè)計(jì)狀態(tài)，主受力桿件驗(yàn)算如下。

1)抱箍型鋼(橫向)。

自身抵抗矩:

式中AS(5Φ12)=565 mm2;

橫向主梁截面抵抗矩:

采用［20 型鋼(W =0.191 ×106mm3)對(duì)接焊接，在吊點(diǎn)位置分布4 根可滿(mǎn)足要求，實(shí)施中采用可拆卸式［25 型鋼作為主抱箍型材。

2)縱向型鋼。

按照0°時(shí)彎矩最大計(jì)算，起翻后中點(diǎn)產(chǎn)生的最大彎矩M=M2=196.7 kN·m，扣除自身抵抗彎矩159.75 kN·m，需補(bǔ)充縱向主梁截面抵抗矩:

實(shí)施中采用［20 型鋼(W =0.191 ×106mm3)，沿縱向布置2 根可滿(mǎn)足要求。

采取以上措施后，40 榀壩頂箱梁均翻身順利，未出現(xiàn)梁體開(kāi)裂甚至斷裂現(xiàn)象。

4.2 梁體運(yùn)輸

梁體運(yùn)輸采用專(zhuān)用箱梁架設(shè)的2 ×80 t 的運(yùn)梁車(chē)，柴油動(dòng)力，自帶支撐和鎖定裝置，實(shí)施中運(yùn)梁安全、平穩(wěn)，克服了運(yùn)輸路線(xiàn)長(zhǎng)，路面條件差的困難。

4.3 梁體架設(shè)

運(yùn)梁車(chē)沿壩后橋喂梁至架橋機(jī)處，JQG150 —40A3 型橋式起重機(jī)攜梁橫移，上述主要技術(shù)難題解決如下。

4.3.1 前支腿墊高支撐

支撐架采用［20 槽鋼、∠63 × 6 等邊角鋼、20 mm 厚鋼板組合成1 m×1 m×2.7 m 格構(gòu)柱作為軌道支撐架。施工前為保證結(jié)構(gòu)安全，對(duì)該格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、強(qiáng)度等進(jìn)行驗(yàn)算，均能滿(mǎn)足要求，具體如下:

1)彎矩作用平面內(nèi)的整體穩(wěn)定性。

按照偏心受壓格構(gòu)柱彎矩繞虛軸(x 軸)作用時(shí)的公式:

計(jì)算后整體穩(wěn)定強(qiáng)度為166 N/mm2，小于[ f ]=215 N/mm2，滿(mǎn)足要求。

2)單肢穩(wěn)定性計(jì)算。

單肢的軸心壓力按平行弦桁架弦桿的原理計(jì)算N1:

滿(mǎn)足要求。

另外對(duì)綴條強(qiáng)度、格構(gòu)柱頂水平連系梁強(qiáng)度、焊縫等均進(jìn)行了計(jì)算復(fù)核，確定工藝和選材。實(shí)施中，為增加格構(gòu)柱強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，在格構(gòu)柱頂部和下部50 cm 范圍，用10 mm 的鋼板在四周形成一個(gè)封閉的圍擋。運(yùn)行中3 個(gè)格構(gòu)柱無(wú)變形、開(kāi)裂等現(xiàn)象，隨架橋機(jī)跨孔前移，周轉(zhuǎn)利用，較好地解決了前支腿在待架梁體槽位位置過(guò)矮的難題。

4.3.2 架橋機(jī)攜梁跨油泵房

施工中利用油泵房30 cm 側(cè)墻作為行走的承重結(jié)構(gòu)，首先要驗(yàn)算混凝土承壓能力，然后驗(yàn)算頂端水平拉應(yīng)力。

1)混凝土承壓能力:按照45°擴(kuò)散角，30 cm 寬的局部荷載集度進(jìn)行驗(yàn)算，不考慮周?chē)炷良s束和鋼筋承載，簡(jiǎn)化為輪壓觸地范圍內(nèi)的混凝土柱承載能力計(jì)算如下:

長(zhǎng)細(xì)比l0/b =2 ×2.7 m/0.3 m =18，查表穩(wěn)定系數(shù)φ=0.81;

最不利荷載:Q=3q1/4+q2/2 =80.825 t;

安全系數(shù)k=N/Q=334.1 t/80.825 t=4.1。

2)混凝土側(cè)墻頂端抵抗水平力能力:拉應(yīng)力取架橋機(jī)最不利輪壓的10%，進(jìn)行驗(yàn)算。

實(shí)施中在油泵房頂按1 m 間距鋪設(shè)［25b 槽鋼對(duì)油泵房側(cè)墻兩邊進(jìn)行加固，增加閘墩整體的橫向剛度，以抵抗單側(cè)墻在輪壓作用下產(chǎn)生過(guò)大變形。單根［25b 槽鋼在輪壓水平力作用下產(chǎn)生的變形:

單側(cè)變形量=ΔL/2 =0.24 mm，小于9.45 mm，加固效果明顯。

3)輔助軟件計(jì)算:為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，另外用計(jì)算機(jī)輔助軟件ansys11.0 進(jìn)行有限元建模，取液壓泵房所在的受力敏感部分進(jìn)行空間有限元分析。根據(jù)空間有限元分析結(jié)果，在突變的邊角位置，在最不利荷載作用下，結(jié)構(gòu)正應(yīng)力中最大拉應(yīng)力為2.04 MPa，和規(guī)范值ftk=2.01 MPa 相當(dāng);最大壓應(yīng)力為13.40 MPa，小于規(guī)范值fck=20.1 MPa。

按照常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)理論，30 cm 混凝土墻體抗壓強(qiáng)度完全能夠滿(mǎn)足施工荷載作用下的強(qiáng)度要求，但按照ansys11.0 模型計(jì)算，考慮到混凝土材料性質(zhì)非線(xiàn)性和邊角位置的應(yīng)力集中，特殊位置受力狀況需進(jìn)行改善，特別是閘墩靠近油路箱梁一側(cè)的外側(cè)豎直面上，加強(qiáng)該處混凝土橫向剛度和限制該位置位移成為架橋機(jī)在側(cè)墻上安全運(yùn)行的關(guān)鍵。具體措施①將下游箱梁2.5 cm 分縫間隙全部用木板填充密實(shí)，同時(shí)將閘墩分縫也用杉木板填充好;②將箱梁和軌道梁預(yù)留鋼筋進(jìn)行焊接固定;③在閘墩頂采用［25 槽鋼按照1 m 間距將閘墩連接成整體，提高閘墩橫向剛度;④油泵房段滿(mǎn)鋪枕木后，沿墩側(cè)15 cm 為中心位置放置軌道;⑤吊梁前，先用架橋機(jī)空載在壩頂運(yùn)行一趟;⑥攜梁行走時(shí)梁體盡量靠近尾部，減輕前支腿壓力。

5 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)方案中，為解決壩頂梁運(yùn)輸通道的問(wèn)題，常在壩頂沿鋪設(shè)方向搭設(shè)兩線(xiàn)運(yùn)梁通道，最常用為貝雷架鋼構(gòu)，全線(xiàn)拉通，上覆軌道，運(yùn)梁小車(chē)隨架橋機(jī)過(guò)孔口，逐孔喂梁前行。該方案弊端明顯:①施工難度大，受交通條件影響，沒(méi)有施工通道，汛期閘室開(kāi)始過(guò)流且開(kāi)啟的閘門(mén)影響大，形成運(yùn)梁通道難度之大不言而喻;②施工時(shí)間長(zhǎng)，通道搭設(shè)和拆除估計(jì)至少要延長(zhǎng)工期1.5 個(gè)月;③經(jīng)濟(jì)性差，340 m 長(zhǎng)閘孔全線(xiàn)拉通形成通道，按照100 元/m 計(jì)算(含租賃、搭設(shè)、拆除等)，至少要增加費(fèi)用30 余萬(wàn)元。

湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐工程右汊泄水閘的壩頂梁體翻身和過(guò)油泵房頂?shù)氖┕ぜ夹g(shù)成功應(yīng)用，在1 個(gè)月有效時(shí)間里，將20 孔閘墩80 榀梁架設(shè)完成，為同類(lèi)墩頂梁體架設(shè)提供了成熟的施工經(jīng)驗(yàn)，具備施工方法簡(jiǎn)單、施工速度快、經(jīng)濟(jì)效益明顯的特點(diǎn)，同時(shí)也有幾點(diǎn)值得類(lèi)似項(xiàng)目借鑒:

1)為減少架設(shè)施工難度，盡量避免對(duì)薄壁預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行翻身，為后期架設(shè)降低安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也加快了施工進(jìn)度。

2)預(yù)制場(chǎng)地面積要能滿(mǎn)足預(yù)制和存梁的需求，預(yù)制梁體起吊盡量采用軌道式龍門(mén)吊，整個(gè)預(yù)制和存梁廠(chǎng)區(qū)在龍門(mén)吊控制范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)預(yù)制場(chǎng)地過(guò)長(zhǎng)，過(guò)于分散的布置。

3)要注重細(xì)節(jié)，特別是存在重大安全隱患的部位，如前述的梁體翻身抱箍夾具在施工中均墊設(shè)枕木，避免夾具和預(yù)制件硬性接觸，同時(shí)保證同步勻速側(cè)翻;又如在壩頂型鋼鎖定時(shí)，一側(cè)采用枕木和墻體接觸，避免純剛性接觸，同時(shí)軌道導(dǎo)梁下設(shè)枕木盡量避免受力不利位置，如遇拐角和結(jié)構(gòu)突變區(qū)，避免應(yīng)力集中產(chǎn)生拉壓破壞。

［1］周 氐，章定國(guó)，鈕新強(qiáng).水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1998.