弧形閘門牛腿支鉸預(yù)埋螺栓一次澆筑工法

(山東臨沂水利工程總公司，臨沂 276000)

弧形閘門是水閘建筑中常用的一種擋水結(jié)構(gòu)，通過支臂傳導(dǎo)到支承鉸鉸座上受力，鉸座與建筑物上的埋設(shè)構(gòu)件(螺栓)連接，并傳力于基礎(chǔ)上。閘墩牛腿是支鉸鉸座的固定結(jié)構(gòu)物，承受力矩、剪力以及扭矩作用，屬于短懸臂梁結(jié)構(gòu)，牛腿支鉸預(yù)埋螺栓位置的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對(duì)后期弧形鋼閘門的啟閉運(yùn)行至關(guān)重要。

1 施工方法對(duì)比分析

在水利工程閘墩牛腿支鉸常規(guī)施工中，首先進(jìn)行閘墩牛腿混凝土一次澆筑，同時(shí)定位埋設(shè)牛腿支鉸預(yù)埋螺栓鋼套筒(鋼套筒直徑通常大于支鉸預(yù)埋螺栓2～3cm)，再在牛腿支鉸預(yù)埋螺栓與鋼套筒之間灌注填充料的方式進(jìn)行定位并固定閘墩牛腿支鉸預(yù)埋螺栓。此類施工方法，不僅增加了鋼套筒灌漿固定螺栓的作業(yè)量，也加大了牛腿上下端固定鋼板及固定螺母二期填充料澆筑難度，且在澆筑完的閘墩牛腿上定位支鉸螺栓難度大，費(fèi)用高，安全風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)施工作業(yè)周期長(zhǎng)，金屬結(jié)構(gòu)安裝工期延長(zhǎng)。

針對(duì)上述情況，工程施工過程中，對(duì)牛腿支鉸施工進(jìn)行改進(jìn)，首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙尺寸制作模具鋼板，在工廠內(nèi)將一組牛腿支鉸預(yù)埋螺栓焊接固定成螺栓組，再通過定型鋼模將牛腿支鉸螺栓組進(jìn)行整體定位，與閘墩模板整體拼裝加固后校正，然后同閘墩混凝土進(jìn)行整體一次澆筑。此方法不但減少了二期澆筑支鉸預(yù)埋螺栓的施工步驟，也能準(zhǔn)確定位牛腿支鉸位置，使閘墩牛腿及牛腿支鉸預(yù)埋螺栓整體性更好。

2 適用范圍及工藝原理

2.1 適用范圍

本工法適用于水利水電工程中弧形閘門閘墩牛腿支鉸螺栓、人字門及船閘預(yù)埋螺栓施工，在水利、路橋、市政、建筑等其他具有類似結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的預(yù)埋構(gòu)件混凝土工程施工中，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

2.2 工藝原理

弧形鋼閘門牛腿支鉸是連接牛腿與弧形閘門的重要結(jié)構(gòu)，弧形鋼閘門受到上游的水壓力通過支臂傳力給牛腿支鉸進(jìn)而作用到閘墩牛腿，而支鉸支座軸心是整個(gè)閘門受力的合力中心點(diǎn)，因此閘墩支鉸的施工質(zhì)量尤為重要。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中閘墩及牛腿的尺寸、位置，首先將牛腿支鉸預(yù)埋螺栓定位端通過模具鋼板進(jìn)行固定，再利用鋼筋將另一端進(jìn)行焊接固定，達(dá)到各支鉸預(yù)埋螺栓與模具鋼板整體穩(wěn)固的效果。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中各支鉸預(yù)埋螺栓的相對(duì)位置在牛腿定型鋼模板上進(jìn)行機(jī)械鉆孔(孔徑比螺栓直徑大4mm，方便螺栓安裝)，并將固定好的支鉸預(yù)埋螺栓組與閘墩、牛腿定型鋼模板進(jìn)行整體拼接固定，同時(shí)準(zhǔn)確校正螺栓位置并加固完成后同閘墩牛腿進(jìn)行混凝土一次澆筑施工。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程為：牛腿支鉸預(yù)埋螺栓定型模具鋼板加工→牛腿支鉸預(yù)埋螺栓整體固定→牛腿定型鋼模板預(yù)留孔加工處理→牛腿定型鋼模板安裝固定→牛腿支鉸預(yù)埋螺栓定位及固定→牛腿鋼筋安裝→牛腿定型鋼模板安裝固定→牛腿混凝土澆筑→牛腿定型鋼模板的拆?！炷琉B(yǎng)護(hù)。

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 牛腿支鉸螺栓結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)

牛腿支鉸螺栓由原來(lái)的直線形(見圖1)改進(jìn)為尾部彎鉤狀的形式(見圖2)，使牛腿支鉸螺栓與牛腿混凝土結(jié)合性更強(qiáng)，同時(shí)彎鉤部位螺栓與牛腿鋼筋更好的錨固，加強(qiáng)了牛腿支鉸螺栓與閘墩牛腿的整體穩(wěn)定性。

圖1 直線型牛腿支鉸螺栓設(shè)計(jì)圖紙

圖2 牛腿支鉸預(yù)埋螺栓改進(jìn)設(shè)計(jì)圖紙 (單位:mm)

3.2.2 牛腿支鉸預(yù)埋螺栓定型模具鋼板加工處理

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中牛腿支鉸螺栓的相對(duì)位置及尺寸進(jìn)行選擇用來(lái)固定支鉸預(yù)埋螺栓的定型模具鋼板的尺寸，通過不同焊接厚度的鋼板受力試驗(yàn)，最終選定厚度為10mm的鋼板作為模具鋼板材料進(jìn)行加工，確保預(yù)埋螺栓組各螺栓之間的穩(wěn)定性。根據(jù)支鉸螺栓設(shè)計(jì)尺寸及位置在模具鋼板上的對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行機(jī)械鉆孔用來(lái)固定支鉸螺栓，為方便螺栓安裝，鉆孔直徑取值比螺栓大4mm，并預(yù)先在工廠車間將一個(gè)牛腿的預(yù)埋螺栓按坐標(biāo)尺寸準(zhǔn)確焊接在模具板上，使一個(gè)牛腿的支鉸螺栓能整體固定。

3.2.3 預(yù)埋螺栓位置牛腿定型鋼模板加工處理

根據(jù)圖1可知，定型鋼模板為預(yù)埋螺栓處的模板，需提前進(jìn)行加工處理。按照預(yù)埋螺栓設(shè)計(jì)位置在模板中采用機(jī)械鉆孔的方法切割出相應(yīng)的預(yù)留孔，以備預(yù)埋螺栓組的安裝固定。

3.2.4 確保牛腿模板安裝位置坐標(biāo)準(zhǔn)確性

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谂Ｍ饶０鍦?zhǔn)確定位支鉸螺栓的位置，采用機(jī)械鉆孔的方法在相應(yīng)位置進(jìn)行鉆孔，在牛腿模板準(zhǔn)確安裝固定后，再將提前加工固定好的支鉸螺栓組與牛腿模板進(jìn)行拼裝結(jié)合，并在定型鋼模板每根外露支鉸螺栓上安裝兩個(gè)螺絲帽，擰緊螺絲帽確保支鉸螺栓組與牛腿定型鋼模板緊密牢固結(jié)合。固定牢固后，對(duì)牛腿鋼筋進(jìn)行安裝，并在與支鉸螺栓接觸位置進(jìn)行焊接加固，確保支鉸螺栓與牛腿鋼筋形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。最后，將牛腿剩余模板進(jìn)行依次拼接安裝、加固。在牛腿混凝土澆筑完成后，利用鋼尺、垂球或水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等對(duì)牛腿底面標(biāo)高及牛腿垂直度進(jìn)行后期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 牛腿底面標(biāo)高及牛腿垂直度監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)《水電水利工程模板施工規(guī)范》(DL/T 5110—2013)中關(guān)于一般現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)模板安裝的允許偏差中規(guī)定：底模上表面標(biāo)高允許偏差為0～5mm；局部垂直(全高大于5m)允許偏差為8mm。經(jīng)后期監(jiān)測(cè)，牛腿模板全滿足規(guī)范要求。

3.2.5 閘墩及牛腿模板單位面積內(nèi)絲對(duì)拉螺栓使用根數(shù)計(jì)算

閘墩及閘墩牛腿的定型鋼模板之間都是用螺絲緊密連接，確保各模板之間不存在相對(duì)位移的現(xiàn)象，在閘墩牛腿定型鋼模板安裝完成后采用內(nèi)絲對(duì)拉螺栓對(duì)閘墩兩側(cè)牛腿模板進(jìn)行固定，確保閘墩牛腿與閘墩之間相對(duì)位置的準(zhǔn)確性，從而保證牛腿處的支鉸預(yù)埋螺栓位置的準(zhǔn)確性。內(nèi)絲對(duì)拉螺栓的制作材料為φ14熱軋光圓鋼筋，可確保閘墩牛腿之間的定型鋼模板不變形。

根據(jù)《水利水電工程模板施工規(guī)范》(DL/T 5110—2013)，新澆筑混凝土對(duì)模板側(cè)面的壓力，采用內(nèi)部振搗器時(shí)，最大側(cè)壓力可按式(1)和式(2)計(jì)算，并取其中的較小值：

F=0.22γct0β1β2v1/2

(1)

F=γcΗ

(2)

式中F——新澆筑混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力，kN/m2；

γc——混凝土的重力密度，kN/m3；

t0——新澆筑混凝土的初凝時(shí)間，可按實(shí)測(cè)確定，當(dāng)缺乏實(shí)驗(yàn)材料時(shí)，可采用t0=200/(T+15)計(jì)算(T為混凝土的澆筑溫度，℃)，h；

β1——外加劑影響修正系數(shù)，不摻外加劑時(shí)取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時(shí)取1.2；

β2——混凝土坍落度影響修正系數(shù)，坍落度小于300mm時(shí)取0.85，坍落度為30～90mm時(shí)取1.0，坍落度大于90mm時(shí)取1.15；

v——混凝土的澆筑速度，m/h；

Η——混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度，m。

經(jīng)計(jì)算可知新澆筑混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力為20.944kN/m2。

根據(jù)《水工混凝土鋼筋施工規(guī)范》(DL/T 5169—2013)中鋼筋主要機(jī)械性能相關(guān)內(nèi)容可知：熱軋光圓鋼筋的屈服點(diǎn)為235MPa，即235000kN/m2。

通過計(jì)算可知，選用φ14的內(nèi)絲對(duì)拉螺栓加固鋼模板每平方米0.58根既可以滿足施工要求，為充分保證施工中模板的穩(wěn)定性，在內(nèi)絲對(duì)拉螺栓加固模板時(shí)每平方米設(shè)1根對(duì)拉絲。

3.2.6 確保閘墩立模垂直度

在閘墩立模施工中采用閘墩定型鋼模板的方法進(jìn)行施工，由各個(gè)部位的定型鋼模板依次拼接組合固定而成，定型鋼模板自帶鋼梁起到加強(qiáng)模板自身整體剛度的作用，也能加強(qiáng)模板間的穩(wěn)固性。整個(gè)閘墩模板立模完成后，在閘墩兩側(cè)模板指定位置通過鋼絲繩連接到提前預(yù)埋在閘底板的錨固筋上，通過調(diào)節(jié)鋼絲繩調(diào)整閘墩模板的垂直度，加強(qiáng)了閘墩模板的穩(wěn)定性。

3.2.7 牛腿定型鋼模板封頂安裝

在牛腿定型鋼模板上距模板兩端0.5m處各預(yù)留一個(gè)振搗孔，以備后期混凝土澆筑振搗使用。

3.2.8 閘墩及牛腿整體混凝土澆筑過程控制

閘墩及牛腿混凝土采用一次澆筑的方式，在澆筑過程中，采用分層法進(jìn)行澆筑，保證整個(gè)澆筑過程中質(zhì)量可控。為滿足牛腿受力需要，牛腿混凝土比閘墩混凝土一般高1～2個(gè)等級(jí)，當(dāng)混凝土澆筑到牛腿部位時(shí)調(diào)整配合比單獨(dú)對(duì)牛腿進(jìn)行澆筑，當(dāng)充分滿足牛腿混凝土斷面后再調(diào)回原配比繼續(xù)閘墩其他位置的澆筑。澆筑牛腿時(shí)，利用插入式振動(dòng)棒插進(jìn)預(yù)留孔進(jìn)行混凝土振搗，同時(shí)采用附著式振動(dòng)器在牛腿模板外側(cè)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼駬v，確保牛腿混凝土振搗密實(shí)。牛腿混凝土澆筑完成后及時(shí)將模板預(yù)留振搗孔用木模板進(jìn)行封堵，防止?jié)仓Ｍ壬喜块l墩混凝土?xí)r混凝土溢出。

3.2.9 牛腿定型鋼模板的拆模

在牛腿混凝土澆筑過程中，同時(shí)預(yù)留混凝土試塊，并在同等條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，由于牛腿部位屬于懸挑梁結(jié)構(gòu)，承重模板及支架拆除時(shí)混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為懸臂梁構(gòu)件跨度不大于2m時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的75%，可以進(jìn)行模板拆除。

4 牛腿支鉸預(yù)埋螺栓一次澆筑施工技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

4.1 支鉸預(yù)埋螺栓與牛腿混凝土的結(jié)合性強(qiáng)

通過牛腿支鉸預(yù)埋螺栓與閘墩牛腿一次澆筑的施工方法，可以有效避免牛腿混凝土與預(yù)埋螺栓之間施工冷縫的出現(xiàn)，避免了二期埋設(shè)造成的不牢固和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的現(xiàn)象，增強(qiáng)了整體性，保證了閘墩牛腿的施工質(zhì)量。

4.2 確保預(yù)埋螺栓定位準(zhǔn)確

通過加工定型鋼模具板固定支鉸預(yù)埋螺栓，以及閘墩及牛腿定型鋼模板依次拼接安裝的方法準(zhǔn)確定位支鉸預(yù)埋螺栓的空間位置，確保后期弧形閘門支臂安裝的準(zhǔn)確性，減少了整個(gè)放線控制的繁瑣過程。

4.3 縮短施工工期，節(jié)約施工成本

選用牛腿支鉸預(yù)埋螺栓一次澆筑的施工方法，減少了二期澆筑支鉸預(yù)埋螺栓的施工過程，簡(jiǎn)化了施工步驟，降低了施工成本。在閘墩單項(xiàng)工程施工工期中縮短了二期澆筑的施工工期，加快了施工進(jìn)度。

5 工程應(yīng)用情況

在沂河河灣水源工程施工中應(yīng)用牛腿支鉸預(yù)埋螺栓一次澆筑的施工工法,有效簡(jiǎn)化了施工步驟，縮短了工期，為汛前完成施工提供了必要條件；同時(shí)節(jié)約了材料使用和設(shè)備租賃，降低了工程消耗，累計(jì)節(jié)約資金58.14萬(wàn)元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

在費(fèi)縣石溝攔河閘除險(xiǎn)加固工程中應(yīng)用此工法充分解決了牛腿支鉸螺栓二期施工繁瑣、定位難的問題；通過牛腿支鉸預(yù)埋螺栓一次澆筑，使得牛腿支鉸施工更加簡(jiǎn)便、快捷，累計(jì)節(jié)約資金27.84萬(wàn)元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

本工法可廣泛應(yīng)用于水利、路橋、市政、建筑等其他具有類似結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的預(yù)埋構(gòu)件混凝土工程施工中，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié) 語(yǔ)

本工法的創(chuàng)新促進(jìn)了牛腿支鉸預(yù)埋螺栓施工工法進(jìn)步，通過牛腿支鉸預(yù)埋螺栓一次澆筑的方法，減少了二期混凝土施工過程，在閘墩單項(xiàng)工程施工工期中縮短了二期混凝土施工的工期，降低了施工成本，且有效避免了牛腿混凝土與預(yù)埋螺栓之間施工冷縫的出現(xiàn)，增強(qiáng)了整體性。保證了牛腿支鉸螺栓的施工質(zhì)量，加快了閘墩的施工進(jìn)度，是一項(xiàng)值得推廣應(yīng)用的工法。