大跨度、高空現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁系施工技術(shù)

汪文亮

摘要：以三峽升船機船工程廂室段塔柱頂部橫梁梁系施工為背景，詳細介紹了水工薄壁建筑物頂部現(xiàn)澆梁系施工采用的大跨度、高空貝雷架支撐結(jié)構(gòu)體系技術(shù)，主要包括貝雷架選型設(shè)計布置、鋼支座設(shè)計、貝雷架安拆施工技術(shù)、高空橫梁支撐體系變形監(jiān)測及安全控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：三峽工程 升船機 橫梁現(xiàn)澆梁系 大跨度、高空貝雷架支撐結(jié)構(gòu)體系

概述

三峽升船機為齒輪齒條爬升式垂直升船機，其過船規(guī)模為3000t級，最大提升高度113m，具有提升高度大、提升重量大、船廂與混凝土建筑物結(jié)合密切，施工精度要求高等特點，是目前世界上規(guī)模最大和技術(shù)難度最高的升船機。

三峽升船機船廂室段塔柱結(jié)構(gòu)，每側(cè)由“墻-筒體-墻-筒體-墻”通過沿高程布置的縱向聯(lián)系梁形成119m長、16m寬、146m高的組合結(jié)構(gòu)，中間布置升船機室的承船廂，承船廂寬度為25.8m。塔柱頂部設(shè)計布置了2個平臺和7根橫梁作為橫向聯(lián)系，將塔柱左右兩側(cè)聯(lián)接形成整體結(jié)構(gòu)，其中2個平臺部位各有4根橫梁和2根縱梁，在橫梁兩端沿流向各通長布置了一根119m長基礎(chǔ)梁將13根橫梁、2個平臺連接成整體框架梁系結(jié)構(gòu)。橫梁結(jié)構(gòu)尺寸為25.8×1×2.75×7.15m（跨度×寬度×中部高度×兩側(cè)高度）。

關(guān)鍵施工技術(shù)

塔柱頂部梁系具有跨度大（25.8m）、荷載大（354.75t）、高空（146m）部位作業(yè)、質(zhì)量要求高等特點，針對高位現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁系支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大、施工難度大、施工安全風險大等難題，為確保施工質(zhì)量、加快施工進度，國內(nèi)首次在水工薄壁建筑物頂部現(xiàn)澆梁系施工中，采用大跨度、高空貝雷架支撐結(jié)構(gòu)體系技術(shù)。

1、施工手段布置

上閘首航槽兩側(cè)布置有2臺F0/23B型行走式塔機，主要作為船廂室段靠上游側(cè)施工區(qū)域的起吊設(shè)備；航槽兩側(cè)巖臺上分別布置的兩臺固定式C7030塔機和兩臺固定式K40/26塔機，作為船廂室段施工的主要起吊設(shè)備。

2、貝雷架布置

塔柱頂部梁系采用貝雷架+鋼支座+鋼管排架+組合鋼模板支撐技術(shù)施工，貝雷架選用321型。橫梁、縱梁、基礎(chǔ)梁及觀光平臺梁系分別選用雙層頂部加強型、雙層上下加強型、單層頂部加強型等多種組合形式，并在貝雷片組與組之間增設(shè)斜向連接桿件保證貝雷梁整體穩(wěn)定性。針對一次澆筑高度達4m的縱梁部位，創(chuàng)新性的設(shè)計了C型高抗剪型貝雷片。并建立4種有限元結(jié)構(gòu)模型和16種有限元加載模型，采用大型通用有限元分析軟件SAP2000對貝雷架鋼橋結(jié)構(gòu)進行三維空間有限元分析計算，貝雷架布置見表1。橫梁下部設(shè)1套移動式操作平臺、4根縱梁下部共設(shè)4套固定操作平臺用于貝雷架的安裝和拆除。

3、鋼管支撐排架及模板

3.1排架布置

根據(jù)施工荷載及貝雷架組合方式確定排架間排距，貝雷梁頂增加聯(lián)系桿件和排架底座，改善貝雷架受力條件，并減少了排架側(cè)滑移位風險。為滿足排架整體穩(wěn)定性要求，排架間隔設(shè)置剪刀撐和掃地桿，左右側(cè)基礎(chǔ)梁底部排架設(shè)連墻桿將排架與塔柱墻面聯(lián)接，并在兩個橫梁之間布置聯(lián)系排架。

3.2模板布置

橫梁主要采用組合鋼模板施工，局部配以刨光木板補縫，模板采用φ16對拉螺栓并設(shè)內(nèi)支撐固定，螺栓間排距按照70×70cm控制，支撐采用φ28鋼筋，采用φ48×3.5鋼管橫豎圍令。見圖3。

4、貝雷架鋼支座

貝雷架由設(shè)在塔柱墻壁外側(cè)的鋼支座支承，鋼支座與貝雷架之間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)箱梁。鋼支座對稱布置在船廂室兩側(cè)的塔柱墻壁上，垂直于水流向布置，位于每個橫向墻端面的軸線附近，單個鋼支座載荷最大達到了4830KN，詳見圖4。

鋼結(jié)構(gòu)支座通過高強度螺栓與埋件連接，埋件由錨板和高強度螺栓組件構(gòu)成。高強度螺栓組件包括M52螺桿、M52螺母、52墊圈、D32/M52錨錐、M32螺母、D32高強鋼筋以及尾端座等零件。安裝時對高強度螺栓施加一定的預(yù)緊力，通過支座與埋件結(jié)合面的靜摩擦力承受支座載荷。貝雷架載荷作用于支座后，高強螺栓組件將承受支座翻轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的拉力。另在支座底板下方設(shè)置有剪力板，用于承受支座豎向載荷，以作為結(jié)合面摩擦失效時的安全保護。

5、貝雷架安裝和拆除

5.1貝雷架安裝

5.1.1橫梁貝雷架安裝

以上游第一根跨航槽橫梁貝雷架的安裝為例說明：橫梁底部布置兩層貝雷架，每層由12排貝雷片和4個450連接框組成。吊裝時需將3排貝雷片連成1組，第1層4組就位后吊裝第二層，按照從上游向下游的順序采用兩臺塔機抬吊。安裝程序具體如下：①將操作平臺行走至貝雷架底部位置。②首先采用450連接框?qū)⒌?～3排連接成一組吊裝就位。按同樣方法將第2組吊裝就位，兩組之間采用225連接桿連成整體，依次將第3組、第4組吊裝就位并采用225連接桿連成整體。③將第2層第1組吊裝就位采用螺栓將上下兩層連成整體，依次將第2層第2組吊裝就位采用螺栓將上下兩層連成整體，并采用225連接桿與第2層第1組連成整體，依次將第二層第3組、第4組吊裝就位連成整體，完成貝雷架吊裝。

5.1.2特殊部位橫梁貝雷架吊裝

平臺板橫梁吊裝。平臺板橫梁貝雷架吊裝長度為33m，吊裝長度長，吊裝質(zhì)量重。采用2臺塔機抬吊，單臺最大起吊能力為36m/8t，按起吊能力的75%控制，兩臺塔機抬吊重量為12t，而貝雷架橫梁單組吊裝單元重量達15.7t，采取以下措施：①將33m橫梁貝雷架縮短至30m吊裝，吊裝就位后再將剩余3m單片安裝完成。②上層貝雷架上部加強弦桿待貝雷架吊裝就位后安裝，以減輕吊重。

中間一根橫梁吊裝。中間一根橫梁部位貝雷架施工時，周邊筒體部位貝雷架已安裝，受吊裝空間限制，先吊裝下層3組單元就位，后續(xù)吊裝單元吊裝長度由25.5m調(diào)整為21m，在前3組單元形成的平臺上再對接成25.5m單元。

5.1.3縱梁、基礎(chǔ)梁貝雷架吊裝

縱梁、基礎(chǔ)梁貝雷架吊裝長度和吊重均較小，每組吊裝單元采用塔機直接進行起吊就位。

5.2貝雷架拆除

5.2.1基礎(chǔ)梁貝雷架拆除

基礎(chǔ)梁每個起吊單元采用單臺塔機起吊，共分為42個起吊單元。先用塔機將基礎(chǔ)梁起吊，再利用攬風繩將貝雷架水平旋轉(zhuǎn)90度，使其能從兩根橫梁貝雷架之間的空檔下放，最后利用塔機將貝雷架下放至航槽底板進行拆除。

5.2.2橫梁貝雷架拆除

以下游最后一根（軸13）橫梁貝雷架的拆除為例進行說明。軸13橫梁布置2層貝雷架，每層由4組起吊單元組成。首先將底部加強弦桿、水平連接框、上部水平連桿、斜桿、組與組之間聯(lián)板以及上部加強弦桿拆除，以減輕起吊重量。從上部第二層上游側(cè)一組開始分組拆除，具體操作方法為：在橫梁兩端各兜掛1根鋼絲繩，手拉葫蘆固定在鋼絲繩上，塔機起吊鋼絲繩卡環(huán)固定在貝雷架上，通過手拉葫蘆將貝雷架抬吊一定高度并通過收放鏈條，將貝雷架移出橫梁覆蓋范圍。塔機起吊，解除手拉葫蘆鋼絲繩。兩臺塔機抬吊從上游側(cè)下放至航槽底板進行拆除。在拆除過程中，待拆除貝雷架上部橫梁需設(shè)防護欄桿，以保證施工人員的安全。

5.2.3平臺板部位貝雷架拆除

平臺板部位貝雷架長度為33m，起吊重量大，且處于封閉的平臺板之下，按以下操作方式拆除：將兩端頭系掛鋼絲繩穿過平臺板兩端延伸梁空檔部位，用塔機起吊向下游或上游側(cè)移至平臺板范圍邊緣，然后將起吊構(gòu)件臨時固定，將兩端頭建塔系掛鋼絲繩解除，將鋼絲繩重新系掛，使兩吊點位于起吊構(gòu)件端部1/3處，最后由2臺塔機抬吊下放至船廂底板進行拆除。

6、塔柱橫梁混凝土澆筑

橫梁、基礎(chǔ)梁梁系結(jié)構(gòu)從平臺板處分開，將橫梁梁系結(jié)構(gòu)分為3塊單獨澆筑，平臺板次梁預(yù)留后期澆筑。利用在船廂室段兩側(cè)各布置的兩個38m臂長布料桿和兩個32m臂長布料桿，可滿足倉內(nèi)覆蓋范圍要求?；炷翉膫}面上下游側(cè)同時開倉澆筑，泵機和建塔澆筑布料桿盲區(qū)部位。混凝土全部采用攪拌車運輸，坍落度18～20cm，采取平鋪法澆筑。

7、施工安全監(jiān)測

7.1安全監(jiān)測的內(nèi)容

根據(jù)塔柱橫梁結(jié)構(gòu)施工荷載受力情況，選擇承受荷載最大的HL2、HL7、HL12橫梁的支撐系統(tǒng)作為監(jiān)測對象。監(jiān)測內(nèi)容如下：①監(jiān)測貝雷架的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。②監(jiān)測塔柱混凝土墻體結(jié)構(gòu)變形。③監(jiān)測HL2、HL6、HL11三根橫梁排架的立桿垂直度和位移。

7.2安全監(jiān)測的實施

7.2.1鋼管排架系統(tǒng)監(jiān)測

①在HL2橫梁排架下游側(cè)、HL6橫梁排架上游側(cè)和HL11橫梁排架上游側(cè)中部各選擇一根立桿作為排架立桿垂直度監(jiān)測對象。在每根立桿的上、中、下部位置貼反射片。②利用全站儀測量出監(jiān)測點坐標變化值，從而計算出排架立桿垂直度。

7.2.2貝雷架系統(tǒng)監(jiān)測

貝雷架系統(tǒng)監(jiān)測項目及監(jiān)測頻次。監(jiān)測項目：①HL2、HL7、HL12橫梁貝雷架的自振頻率監(jiān)測。②HL2、HL7、HL12橫梁貝雷架腹桿、弦桿應(yīng)力（應(yīng)變）監(jiān)測。③HL2、HL7、HL12橫梁貝雷架跨中橫截面撓度及側(cè)彎監(jiān)測。

貝雷架系統(tǒng)應(yīng)力（應(yīng)變）及頻率測點布置。在承受荷載最大的HL2和HL12橫梁處的貝雷架支撐體系布置了12個應(yīng)力（應(yīng)變）測點，HL7橫梁處的貝雷架支撐體系布置了24個應(yīng)力（應(yīng)變）測點和1個頻率測點，其中頻率測點布置在貝雷架中間底部位置。采用安裝應(yīng)變計監(jiān)測貝雷架的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，通過靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。頻率監(jiān)測采用無線環(huán)境激勵實驗?zāi)B(tài)測試分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。應(yīng)力應(yīng)變測點布置詳見圖5。

貝雷架系統(tǒng)變形監(jiān)測。①在HL2、HL7、HL12橫梁貝雷架上游側(cè)面底部1、5、9節(jié)處布置3個監(jiān)測點，每點貼反射片。②利用全站儀測量出監(jiān)測點坐標變化值，并據(jù)此計算出貝雷架的撓度和側(cè)彎變化值。

7.2.3鋼支座系統(tǒng)監(jiān)測

在墻壁上安裝托架并布設(shè)百分表的方法監(jiān)測鋼支座系統(tǒng)。在每個支座及高強螺栓處分別布置6個百分表進行監(jiān)控，其中在支座位置的6個百分表監(jiān)測支座的X、Y、Z三個方向位移變化，在高強螺栓處的6個百分表監(jiān)測高強螺栓的位移量。

7.2.4塔柱墻體變形監(jiān)測

分別在距離橫向貝雷架底部0.5m處靠船廂室側(cè)的兩側(cè)墻體上埋設(shè)監(jiān)測棱鏡，通過膨脹螺絲固定在墻體上，做為塔柱墻體變形監(jiān)測點。觀測時將全站儀架設(shè)在位于下閘首平臺的觀測墩上，測出儀器到左右兩個棱鏡的水平距離以及兩個棱鏡與儀器之間組成的夾角，計算出兩個棱鏡之間的水平距離，即塔柱墻壁的變形。

7.2.5安全監(jiān)測預(yù)警

根據(jù)貝雷架原型荷載試驗的監(jiān)測成果，作為橫梁支撐系統(tǒng)安全監(jiān)測的基礎(chǔ)值。采取原型荷載試樣中100%荷載數(shù)據(jù)做為通常值，110%荷載數(shù)據(jù)做為預(yù)警值，根據(jù)線性分析計算出120%荷載時對應(yīng)的數(shù)據(jù)為安全限值。

7.2.6安全監(jiān)測結(jié)果

橫梁澆筑過程中，貝雷架的應(yīng)力、撓度值、側(cè)彎值、自振頻率，排架垂直度、筒體位移均滿足設(shè)計要求，橫梁支撐體系結(jié)構(gòu)安全可靠。

實施效果和應(yīng)用

本技術(shù)已在三峽升船機塔柱橫梁梁系成功應(yīng)用，經(jīng)超聲波監(jiān)測Vp≥4500m/s的測點數(shù)大于95%，梁系軸線位置、垂直度、截面尺寸均控制在設(shè)計允許范圍以內(nèi)，混凝土澆筑質(zhì)量優(yōu)良。與傳統(tǒng)的鋼桁架方案相比縮短工期近30天，得到業(yè)內(nèi)專家一致肯定和好評，并得到三峽建設(shè)委員會質(zhì)量專家組的高度評價。該技術(shù)成熟先進、施工質(zhì)量高、進度快、安全風險低，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，在高空現(xiàn)澆梁系施工領(lǐng)域有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

（作者單位：葛洲壩集團三峽建設(shè)工程有限公司）