PCCP輸水工程大型空間彎頭整體安裝新工藝

潘雪松

（遼寧省朝陽水文局，遼寧朝陽122000）

PCCP輸水工程大型空間彎頭整體安裝新工藝

潘雪松

（遼寧省朝陽水文局，遼寧朝陽122000）

大型pccp管道空間彎頭的安裝既是管道安裝的難點，也是安裝的重點。文中通過對空間彎頭吊裝最佳吊點布設(shè)、起吊鋼絲繩內(nèi)力計算和吊裝鋼絲繩選擇、鋼桁架受力分析與制作安裝等一系列的改進，由傳統(tǒng)的分節(jié)安裝改進為整體安裝，達到了保證安裝質(zhì)量、提高工作效率、節(jié)省工程投資的目的。對類似工程管配件設(shè)計和安裝施工都具有指導作用。

大型空間彎頭；整體安裝；新工藝；PCCP管道

1 研究與應(yīng)用背景

遼寧省某重點輸水工程，PCCP輸水管道線路總長373 km，管徑范圍在3.2～3.8 m，工作壓力范圍0.6～1.6 MPa，有空間彎頭142個，長度范圍在3.27～11.5 m，角度范圍在2.04°～34.62°，單件重量范圍在17.74～62.39 t。

管道輸水工程施工過程中不可避免地要應(yīng)用空間彎頭管件，大型空間彎頭管件的安裝一直是PCCP管道安裝施工中的難點：安裝時節(jié)點兩端承插口管頭方位角和高程控制難度大；空間彎頭安裝質(zhì)心與型心不一致，甚至不在管件上；空間彎頭設(shè)置的位置往往地形較為復雜，吊裝難度大；大型空間彎頭存在固定難度大的問題。根據(jù)傳統(tǒng)施工工藝，在2006年國家批準的《特大型PCCP安裝施工工法》（國家級法）中，主要詳細闡述了大型PCCP管道標準管的安裝方法，對排氣三通、排水三通及各種彎頭管件安裝只提出了安裝要求，沒有具體的安裝工藝。而在實際安裝過程中，對于長度大于7 m的配件彎頭，采取管廠分節(jié)提供，現(xiàn)場拼接的安裝方法。由于空間彎頭不具有對稱性，且混凝土管道工程中所用的空間彎頭平面既不水平也不垂直?；谝陨喜焕蛩?，空間彎頭的安裝不但費時費力，而且精度很難保證。

針對這一問題，該工程研究采用了一套大型空間彎頭管件整體安裝的新方法，從吊具、鋼桁設(shè)計到吊點布設(shè)技術(shù)提出一套解決方案，可極大地提高PCCP施工過程中關(guān)鍵部位的施工效率和安裝質(zhì)量。

2 吊裝最佳吊點布設(shè)

結(jié)合空間彎頭廠內(nèi)吊裝試驗，在實際安裝中采用4點起吊，其中一點為插口端固定吊點，一點為承口端可調(diào)節(jié)吊點，另兩點為彎頭內(nèi)側(cè)可調(diào)節(jié)吊點，內(nèi)側(cè)位置可進行微調(diào)，吊點位置可進行微調(diào)，因此該吊裝模型可簡化為雙懸臂簡支梁進行計算，其受均布荷載q作用（即為空間彎頭自身重力），其最合理的吊點位置是負彎矩（Mc，Md）與跨中正彎矩（Mmax）絕對值相等的吊點處，承口端至吊點的距離x與承口端長度L之間的關(guān)系見公式（1）。

式中：q——均布荷載，kN；x——承口至吊點的距離，m；L——承口端長度，m。

結(jié)合實際工程中的可操作性，吊點至插口端位置選為1.0 m。

3 起吊鋼絲繩內(nèi)力計算

圖1 空間彎頭承口端起吊鋼絲繩的內(nèi)力計算簡圖

根據(jù)所吊空間彎頭的重量、鋼絲繩的根數(shù)和鋼絲繩與水平夾角的大小，可計算空間彎頭起吊鋼絲繩的內(nèi)力，將空間彎頭分為承口端和插口端兩部分進行計算，承口端內(nèi)力計算簡圖如圖1所示，計算公式：

式中：S——單根鋼絲繩所承受的內(nèi)力，kN；Q——所吊彎頭承口端的重力，kN；n——鋼絲繩的支(根)數(shù)；α——鋼絲繩與水平面的夾角，一般為45°～60°，最小不小于30°；Sb——鋼絲繩的破斷拉力總和，kN，可由鋼絲繩規(guī)格及荷重性能表查得，也可近似按Sb= 0.5d2計算，其中d為鋼絲繩直徑，mm；k——鋼絲繩安全系數(shù)，取值范圍為5～6。計算結(jié)果見表1。

表1 鋼絲繩破壞拉力極限值表

4 吊裝鋼絲繩選擇

對鋼絲繩的選定應(yīng)遵循上述計算原則，即選用的鋼絲繩其破壞拉力總和應(yīng)大于計算的臨界值。因此，選用可滿足工程需要的鋼絲繩作捆綁吊索，其鋼絲繩的鋼絲破壞拉力總和大于計算臨界值，即可滿足要求。根據(jù)計算結(jié)果，選擇鋼絲繩的破壞拉力應(yīng)大于310 kN，鋼絲繩直徑與破壞拉力成正比。鋼絲繩直徑的計算公式：

由計算Sb＞310 kN，即d＞25.16，因此鋼絲繩的直徑至少選擇為26 mm，考慮施工實際情況，選擇30 mm鋼絲繩進行吊裝，并同時配備吊鏈、卸扣，滿足工程施工要求。

鋼絲繩與空間彎頭相接觸部分，采用橡膠或麻袋布等柔性材料包覆后才能進行空間彎頭吊裝，以防止鋼絲繩刮損管道。

鋼絲繩長度的計算公式：

式中：L——鋼絲繩長度，m；D——彎頭外徑，m；L1——承口端長度，m。

根據(jù)計算及實際工程需要，a線、b線和c線分別選擇2個5 t吊鏈、2個5 t卸扣及2個10 t吊鏈，以滿足工程需求。實際施工中考慮到便于統(tǒng)一施工管理等實際因素，選擇a線、b線和c線中鋼絲繩最長的一組作為統(tǒng)一的鋼絲繩長度進行吊裝，即共使用7條鋼絲繩，其中7號鋼絲繩長21 m，1號和 2號鋼絲繩分別長14 m和6 m，并配用2個10 t吊鏈，3號和4號鋼絲繩長16 m，并配用2個5 t卸扣，5號和6號鋼絲繩長1.5 m，并配用2個5 t吊鏈，經(jīng)過在施工現(xiàn)場的試驗論證，該裝置有效可行，具體吊裝如圖2所示。

圖2 空間彎頭管件示意圖

5 鋼桁架受力分析與制作安裝

5.1 受力分析

根據(jù)管件加固方式及鋼桁架支座樣式，空間彎頭材料的連續(xù)性、均勻性等性質(zhì)，將空間彎頭的受力情況簡化為作用在桿件軸線上的力，桿件用軸線表示，桿件之間的連接區(qū)用結(jié)點表示，桁架的所有結(jié)點都為鉸結(jié)點，桿長用結(jié)點間的距離表示，力的作用點也轉(zhuǎn)移到軸線上。簡化桁架的支座如圖3所示。

圖3 鋼桁架支座計算簡化圖

由圖3可知，此桁架支座為一次超靜定結(jié)構(gòu)，切斷多余鏈桿，在切口處代以未知軸力，其基本體系如圖3（b）所示（其中各桿件均以序號表示）。利用多余約束處的變形條件：基本體系沿X方向的位移應(yīng)與原結(jié)構(gòu)相同，即等于0。因此可寫成△1= 0，其中，△1是基本體系沿X1方向的位移。將基本體系在荷載和未知力X1作用下的位移△1分解，先分別計算基本結(jié)構(gòu)在每種力單獨作用下的位移：荷載單獨作用時，相應(yīng)位移為△1p；單位力X1= 1單獨作用時，相應(yīng)位移為δ11，未知力X1單獨作用時，相應(yīng)位移為δ11X1。由疊加原理，得△1=δ11X1+△1p，因此變形條件為δ11X1+△1p=0，由此得一次超靜定結(jié)構(gòu)的力法基本方程，計算結(jié)果見表2。

表2 軸力Fn的計算

根據(jù)軸力公式計算結(jié)果可知，桁架中軸力最大為1.024F，選擇直徑為75 mm的鋼管，參考相關(guān)規(guī)范可得其抗壓承載力為24 kN，因此Fn= 1.024F≤［σ1］·A，其中A為準75鋼管的面積，由此可得F≤24.54 kN。

因此，綜合以上兩方面因素，a線需要設(shè)置8個桁架，b線需要設(shè)置10個桁架，c線需要設(shè)置12個桁架。

5.2 鋼桁架制作與安裝

拼裝胎架設(shè)置：各桁架結(jié)構(gòu)尺寸一致，拼裝過程設(shè)置標準胎架。拼裝胎架場地需硬化處理，防止桁架拼裝過程中發(fā)生胎架下陷，影響桁架拼裝進度。拼裝胎架采用槽鋼焊接而成，根據(jù)桁架立拼時各節(jié)點的相對高差進行全站儀放樣，焊接相應(yīng)位置牛腿，以便桁架拼裝過程中構(gòu)件臨時就位（如圖4所示）。

拼裝測量：桁架由準75的鋼管組成，底邊長2.8 m，立體高度0.6 m，上邊長2.1 m，側(cè)邊長0.7 m。共有a線、b線和c線3個空間彎頭，故每橫排擺放3個桁架，每個桁架相隔2.9 m。在拼裝過程中采用全站儀進行全程拼裝監(jiān)測，從桁架弦桿就位開始，嚴格控制各桿件匯聚點的位置。

圖4 鋼桁架支座細部圖

6 結(jié)論

根據(jù)理論研究提出多管同槽大直徑PCCP空間彎頭現(xiàn)場整體安裝技術(shù)，采用4點吊裝、拉鏈微調(diào)技術(shù)，確保了安裝精度。結(jié)合鋼桁架固定，實現(xiàn)了快速、準確對接安裝，確保工程質(zhì)量。

通過應(yīng)用空間彎頭整體安裝技術(shù)，現(xiàn)場施工的進度得到了很大的提高，工程建設(shè)的質(zhì)量保證和進度保障能力均得以增強。在保證安全生產(chǎn)的同時，加快了建設(shè)進度，提高了工作效率，極大地緩解了工程建設(shè)進度壓力。同時該技術(shù)的應(yīng)用為施工及各級建設(shè)管理單位節(jié)省了大量的人工投入成本。該工程全線的所有大直徑PCCP空間彎頭已全部安裝完成，全部滿足精度要求。證明了該大型空間彎頭管件整體安裝新工藝的理論研究通過了實踐檢驗，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價值。

［1］黃兵.超長大口徑空間彎頭整體安裝技術(shù)研究［J］.東北水利水電，2015（6）.

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2016-08-22