抽水蓄能電站壓力鋼管洞內(nèi)運(yùn)輸卸車臺(tái)架設(shè)計(jì)及應(yīng)用

廖湘輝，何 彬，肖燕超，尹麒麟，程 創(chuàng)，鐘先友

（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

在水電建設(shè)中，壓力鋼管已普遍應(yīng)用于大、中型水電站。壓力鋼管多為洞內(nèi)埋管，因安裝現(xiàn)場環(huán)境惡劣，吊裝手段十分有限，影響施工安全的因素多，如何順利將鋼管運(yùn)輸至安裝位置，需采取一些科學(xué)、安全可靠、靈活的施工方法。目前常用的運(yùn)輸方案存在運(yùn)輸過程中洞內(nèi)空間不足、吊裝手段十分有限、工程成本高和操作難度大等問題。同時(shí)，影響施工安全的因素也很多，因此選擇合適的施工設(shè)備和方法來順利實(shí)現(xiàn)壓力鋼管的安全可靠、科學(xué)高效運(yùn)輸及卸車成為一個(gè)亟待解決的難題?；诖?，本文對(duì)壓力鋼管的洞內(nèi)運(yùn)輸方式進(jìn)行了探討，設(shè)計(jì)了一種卸車臺(tái)架，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元校核分析。

1 工程概述

績溪抽水蓄能電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮(zhèn)，靠近華東地區(qū)安徽皖江城市帶用電負(fù)荷中心，在華東電網(wǎng)皖電東送輸電通道上[1]。同所有采用壓力鋼管作為引水系統(tǒng)內(nèi)襯的抽水蓄能電站一樣，績溪抽水蓄能電站的關(guān)鍵問題也體現(xiàn)在壓力鋼管的運(yùn)輸和卸車上。該電站引水隧洞壓力鋼管均采用洞內(nèi)安裝形式，考慮到隧洞的前期工作量和施工安全等因素，不宜采用吊裝方式卸車，必須合理制定壓力鋼管的洞內(nèi)運(yùn)輸方案。

2 壓力鋼管運(yùn)輸及卸車方案

2.1 壓力鋼管的運(yùn)輸

壓力鋼管的運(yùn)輸方式一般分為臥運(yùn)和立運(yùn)兩種。臥運(yùn)的特點(diǎn)是：鋼管與汽車聯(lián)系緊密、重心低、安全可靠、裝車固定簡單，但是對(duì)道路寬度要求高，運(yùn)輸時(shí)會(huì)影響其他車輛通行。立運(yùn)的特點(diǎn)是：占用空間小、對(duì)公路寬度要求低、通過性能好，但是運(yùn)輸整體重心高、穩(wěn)定性差，對(duì)路面質(zhì)量要求高，汽車輪胎寬度大[2]。

績溪抽水蓄能電站上斜井鋼管洞外運(yùn)輸途經(jīng)上下庫連接公路，起點(diǎn)LK1+900，終點(diǎn)LK11+430，途經(jīng)5個(gè)公路隧道，公路運(yùn)輸長9.53km；1號(hào)施工洞起點(diǎn)設(shè)在5號(hào)公路隧道中部（LK11+430），1號(hào)施工洞內(nèi)汽車運(yùn)輸645m，汽車運(yùn)輸全長10.175km。壓力鋼管運(yùn)輸全過程中共有3種運(yùn)輸狀態(tài)：公路運(yùn)輸、公路隧道運(yùn)輸和施工洞內(nèi)運(yùn)輸[3]。其中，公路隧道運(yùn)輸時(shí)隧道最大高度不足5m（壓力鋼管長度為6m），故只能采取汽車臥運(yùn)的運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)移鋼管。

由于壓力鋼管采用汽車運(yùn)輸，其卸車方式可分為洞外卸車和洞內(nèi)卸車。若采用洞外卸車，則需要在公路隧洞口布置龍門吊或租賃汽車吊，使壓力鋼管轉(zhuǎn)移至洞內(nèi)運(yùn)輸臺(tái)車上，用牽引車將運(yùn)輸臺(tái)車牽引至施工隧洞。但由于公路隧洞是上下庫連接公路的一部分，屬于交通要道，尤其是上庫出渣車輛通行頻繁，采取此方案會(huì)嚴(yán)重影響道路通行，故應(yīng)采取洞內(nèi)卸車的方式。洞內(nèi)卸車若采用天錨卸車，則需在洞內(nèi)擴(kuò)挖一個(gè)汽車調(diào)頭區(qū)、卷揚(yáng)機(jī)洞室，但洞內(nèi)施工情況惡劣，存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)增加后期加固費(fèi)用，嚴(yán)重影響工期。故運(yùn)輸汽車開到洞內(nèi)卸車點(diǎn)后，如何將壓力鋼管在有限空間內(nèi)穩(wěn)定迅速可靠地轉(zhuǎn)移至洞內(nèi)運(yùn)輸臺(tái)車上顯得尤為重要。

針對(duì)工程難點(diǎn)，提出了液壓頂卸車與天錨卸車、洞口龍門吊卸車3種方案，在對(duì)各種卸車方案從成本和工期角度對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，采用液壓頂升式卸車臺(tái)架不存在交叉施工，減少了土建和金屬結(jié)構(gòu)施工的相互干擾，且成本最小，因此本工程采用液壓頂施工方案。該方案采用一種液壓頂升式卸車臺(tái)架，能順利完成壓力鋼管的洞內(nèi)運(yùn)輸要求，很好地避免了壓力鋼管洞內(nèi)吊裝的問題。

2.2 壓力鋼管的卸車流程

用汽車將壓力鋼管連帶卸車臺(tái)架運(yùn)輸至施工支洞與引水洞交叉口時(shí)（接近終點(diǎn)），將汽車停在施工支洞內(nèi)。先將引水洞內(nèi)的運(yùn)輸臺(tái)車牽引到施工洞與引水洞交叉點(diǎn)上游側(cè)，把鋼管運(yùn)輸臺(tái)車牽引至卸車點(diǎn)下游側(cè)10m內(nèi)以完成卸車前期準(zhǔn)備工作。壓力鋼管和卸車臺(tái)架的汽車運(yùn)輸狀態(tài)示意見圖1。

將鋼管運(yùn)輸汽車車頭朝向引水洞上游側(cè)，駛進(jìn)引水洞內(nèi)，再倒車進(jìn)入卸車點(diǎn)。汽車在進(jìn)入卸車點(diǎn)時(shí)其寬度方向中心與臺(tái)車軌道中心左右偏差在100mm以內(nèi)，在倒車區(qū)應(yīng)采用平行于臺(tái)車軌道的倒車引導(dǎo)輔助線以保證汽車寬度中心與臺(tái)車中心的偏差，距臺(tái)車軌道中心線1500mm。汽車倒車時(shí)將汽車邊與輔助線對(duì)齊，倒入卸車點(diǎn)。汽車中心線與臺(tái)車中心線對(duì)準(zhǔn)后，卸車臺(tái)架的液壓頂升千斤伸出，將鋼管頂起至離地高度為1.2m，與汽車平臺(tái)形成0.2m以上的間距，汽車往前開走，完成鋼管卸車[4]。

圖1 汽車運(yùn)輸狀態(tài)示意圖Figure 1 Schematic diagram of automobile transportation status

汽車開走后，將停在卸車點(diǎn)下游側(cè)的運(yùn)輸臺(tái)車牽引至鋼管正下方[5]，卸車臺(tái)架的液壓頂升千斤開始下降，將鋼管放置到洞內(nèi)運(yùn)輸臺(tái)車上。鋼管放到運(yùn)輸臺(tái)車上后，將卸車臺(tái)架的下游側(cè)彎梁結(jié)構(gòu)的連接拆除，載有壓力鋼管的運(yùn)輸臺(tái)車的下游側(cè)開放，為運(yùn)輸臺(tái)車駛離騰出了空間。當(dāng)運(yùn)輸臺(tái)車駛離后，將卸車臺(tái)架拆除的彎梁重新連接，液壓頂升千斤頂升卸車臺(tái)架離地1.2m后，把汽車平板部分沿著倒車輔助線倒入卸車臺(tái)架正下方，將液壓頂升千斤收回下降，使卸車臺(tái)架緩慢降落到汽車平板上，液壓頂升卸車工序完成，汽車載著卸車臺(tái)架返回鋼管廠，重新裝載壓力鋼管[6]。

卸車過程場地示意見圖2。

3 卸車臺(tái)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核

3.1 卸車臺(tái)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

績溪抽水蓄能電站引水隧洞壓力鋼管單節(jié)長度為3m，管壁外徑為φ4.88m（壁厚40mm），環(huán)筋外徑為φ5.18m，在鋼管加工廠組焊為6m一節(jié)整體運(yùn)輸，總重約為3.2×104kg。因此，設(shè)計(jì)的卸車臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)必須具有承載能力大、卸車安全穩(wěn)定可靠、效率高等特點(diǎn)。同時(shí)，為了使卸車臺(tái)架能順利將壓力鋼管轉(zhuǎn)移到運(yùn)輸臺(tái)車上，并且有足夠的空間離開壓力鋼管，因而彎梁的尺寸要受到限制。

圖2 卸車過程場地示意圖Figure 2 Schematic diagram of the unloading process site

針對(duì)壓力鋼管的卸車要求，把鋼管支承座設(shè)計(jì)成與鋼管弧度相一致的弧形支承彎梁結(jié)構(gòu)，左右各設(shè)置一個(gè)，并避開壓力鋼管的環(huán)筋，不僅能使彎梁與鋼管緊密接觸增強(qiáng)受力特性，也能確保鋼管接觸區(qū)域的表面質(zhì)量。兩支承彎梁結(jié)構(gòu)間通過兩平行桁架結(jié)構(gòu)聯(lián)系成為一個(gè)整體，左側(cè)彎梁結(jié)構(gòu)與聯(lián)系桁架采取可拆卸的活動(dòng)連接方式，右側(cè)彎梁結(jié)構(gòu)與聯(lián)系桁架固連，并焊接三角板進(jìn)行加強(qiáng)，以增加整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。支承彎梁兩端均設(shè)有液壓千斤頂支座，用于安裝液壓頂升千斤，以實(shí)現(xiàn)卸車臺(tái)架的整體頂升和下降，卸車臺(tái)架的結(jié)構(gòu)見圖3。

3.2 卸車臺(tái)架的關(guān)鍵部位校核

卸車臺(tái)架整體基本呈左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，只是左側(cè)彎梁為實(shí)現(xiàn)可拆卸功能，采取鉸支活動(dòng)連接，并在底部裝有行走裝置；右側(cè)彎梁轉(zhuǎn)角處有為增強(qiáng)臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而設(shè)置的加強(qiáng)三角板。壓力鋼管在卸車過程中，其自身重量全部由左右兩彎梁直接承載，故彎梁整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度能否滿足要求直接關(guān)系到整個(gè)卸車過程能否順利完成，因此有必要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)校核。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容，當(dāng)液壓頂升千斤處于完全頂升狀態(tài)時(shí)，彎梁整體結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性最差，在Solidworks中建立該彎梁在此狀態(tài)下的三維簡化實(shí)體模型，通過接口導(dǎo)入到Workbench中完成幾何模型的建立，其所有材料均選用結(jié)構(gòu)鋼，相對(duì)應(yīng)的彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。接觸面均選用Bonded約束，網(wǎng)格按默認(rèn)值自動(dòng)劃分。彎梁頂升狀態(tài)有限元模型如圖4所示。

圖3 卸車臺(tái)架的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of the unloading platform

已知壓力鋼管的總重約為3.2×104kg，但出于對(duì)施工過程中可能出現(xiàn)的不定性因素的考慮，取設(shè)計(jì)值4.0×104kg，校核彎梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。根據(jù)鋼管與彎梁的實(shí)際接觸情況，將單個(gè)彎梁所受的載荷等效于面載荷0.21MPa的形式均勻施加在彎梁的弧形段上表面；將一端液壓頂升千斤底部進(jìn)行固定約束，另一端只添加Y、Z兩個(gè)方向的約束，其整體應(yīng)變和整體應(yīng)力分別如圖5、圖6所示。

圖4 彎梁頂升狀態(tài)有限元模型Figure 4 Finite element model of curved beam jacking state

圖5 整體應(yīng)變?cè)茍DFigure 5 Overall strain cloud

卸車臺(tái)架材料選用結(jié)構(gòu)鋼Q235，有限元計(jì)算結(jié)果表明，該彎梁結(jié)構(gòu)的最大變形為5mm，出現(xiàn)在中部位置，并向兩邊發(fā)散，逐級(jí)減小，符合此結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形情況，其整體剛度滿足要求；最大應(yīng)力為155MPa，出現(xiàn)在液壓頂升千斤的法蘭連接位置附近，屬于局部應(yīng)力集中，故在此位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)采取加強(qiáng)措施，但其主要應(yīng)力基本集中在彎梁中部，應(yīng)力值最大在100MPa左右，為材料的許用應(yīng)力235MPa的42%左右，存在較大的余量，此結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 整體應(yīng)力云圖Figure 6 Overall stress cloud

4 結(jié)束語

以績溪抽水蓄能電站為工程背景，滿足工程的施工需求，制定了壓力鋼管從鋼管加工廠到安裝位置的運(yùn)輸及卸車方案，尤其是在卸車環(huán)節(jié)上，研制了一種裝有液壓頂升千斤的卸車臺(tái)架，整個(gè)卸車過程占用空間小，安全可靠，效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)洞內(nèi)卸車，不僅使工期得到了保障，也很大程度上降低了卸車過程對(duì)交叉作業(yè)帶來的負(fù)面影響，該壓力鋼管卸車臺(tái)架在工程中已投入使用并達(dá)到了良好的使用效果，證明了卸車方案的可行性，能夠起到節(jié)約項(xiàng)目成本，縮短工期的目的，對(duì)其他類似工程有很好的借鑒意義。