三峽升船機(jī)塔柱變形監(jiān)測(cè)分析

徐昆振 段國(guó)學(xué) 彭紹才 耿峻

摘要：為監(jiān)測(cè)三峽升船機(jī)在施工期、試通航期和運(yùn)行期的安全狀態(tài)，同時(shí)兼顧驗(yàn)證設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工等的需要，在升船機(jī)內(nèi)布置了大量監(jiān)測(cè)儀器。分析了三峽升船機(jī)在施工期的塔柱變形監(jiān)測(cè)資料，通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型分析，總結(jié)了塔柱變形的變化特點(diǎn)和規(guī)律。結(jié)果表明：受氣溫影響，塔柱變形和應(yīng)力應(yīng)變呈年際變化，塔柱處于穩(wěn)定的彈性變形狀態(tài)，滿足升船機(jī)各機(jī)件的運(yùn)行要求。研究成果可為同類升船機(jī)工程施工、設(shè)計(jì)和資料分析提供參考。

關(guān)鍵詞：三峽升船機(jī); 安全監(jiān)測(cè); 塔柱變形; 統(tǒng)計(jì)模型分析

中圖法分類號(hào)：U642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.010

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）02 - 0057 - 06

0 引 言

三峽升船機(jī)為齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)[1-2]，其過(guò)船規(guī)模為3 000 t級(jí)，最大提升高度113 m，具有提升高度大、提升重量大、承船廂與混凝土塔柱建筑結(jié)合密切及施工精度要求高等特點(diǎn)。三峽升船機(jī)船廂室段平面尺寸為121.0 m × 59.8 m，底板頂高程50.0 m，建基面高程47.5 m。高程50.0～196.0 m之間為長(zhǎng)119.0 m、側(cè)寬16.0 m的鋼筋混凝土承重塔柱，對(duì)稱布置在升船機(jī)中心線兩側(cè)。左右側(cè)塔柱之間的距離為25.8 m，通過(guò)高程196.0 m的7根橫梁和2個(gè)平臺(tái)連接，組成承船廂室墻-筒體-梁空間復(fù)合承重支撐結(jié)構(gòu)。

三峽升船機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)專題設(shè)計(jì)階段研究，并隨同土建施工進(jìn)度一起埋設(shè)安裝監(jiān)測(cè)儀器，至2016年9月升船機(jī)進(jìn)入試通航，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，采集了大量第一手監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為升船機(jī)的安全運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支撐。升船機(jī)船廂室塔柱結(jié)構(gòu)是承船廂及其配套機(jī)電設(shè)備的承載和固定結(jié)構(gòu)，升船機(jī)所有荷載均通過(guò)塔柱傳遞至地基，是升船機(jī)的關(guān)鍵組成部分。升船機(jī)螺母柱及齒條通過(guò)二期混凝土與塔柱結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)為整體，塔柱施工期及運(yùn)行期的長(zhǎng)期變形情況及塔柱與螺母柱、齒條的變形協(xié)調(diào)情況直接關(guān)系到升船機(jī)的運(yùn)行安全。因此，塔柱變形是升船機(jī)監(jiān)測(cè)的最重要的項(xiàng)目[3-4]。通過(guò)對(duì)三峽升船機(jī)全過(guò)程的持續(xù)監(jiān)測(cè)，采集變形效應(yīng)量的初始值、基準(zhǔn)值和各階段變化過(guò)程的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析處理，可對(duì)升船機(jī)的安全度作出評(píng)價(jià)。這樣能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)各效應(yīng)量異?，F(xiàn)象和可能危及升船機(jī)安全的不利因素，為有關(guān)部門(mén)的決策措施提供依據(jù)[5-6]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)升船機(jī)主體工程的變形監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行深入研究的較少，本文對(duì)升船機(jī)塔柱主要變形監(jiān)測(cè)資料成果（截至2017年6月）進(jìn)行系統(tǒng)分析，總結(jié)了塔柱變形的變化特點(diǎn)和規(guī)律，可為同類升船機(jī)工程施工、設(shè)計(jì)和資料分析提供參考。

1 監(jiān)測(cè)重點(diǎn)與儀器布置

船廂室段結(jié)構(gòu)由4個(gè)對(duì)稱布置的塔柱（上游左邊塔柱1、右邊塔柱2，下游左邊塔柱4、右邊塔柱3）組成，各筒體結(jié)構(gòu)基本相同（圖1）?？紤]到下游部位的塔柱3和塔柱4的左右側(cè)墻受日照的面積更大，因此，將塔柱3和塔柱4作為關(guān)鍵監(jiān)測(cè)部位（斷面），將塔柱2作為重要監(jiān)測(cè)部位（斷面）。關(guān)鍵監(jiān)測(cè)部位除需監(jiān)測(cè)變形外，還需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變等。

三峽升船機(jī)船廂室段塔柱筒體建基面以上高達(dá)148.5 m，屬高聳薄壁結(jié)構(gòu)，升船機(jī)船廂及設(shè)備連同廂內(nèi)水總重達(dá)15 500 t，塔柱筒體結(jié)構(gòu)和受力均非常復(fù)雜。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)升船機(jī)安全，根據(jù)升船機(jī)船廂室段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，布置了變形、應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。其中，塔柱變形是升船機(jī)監(jiān)測(cè)最重要的項(xiàng)目。

1.1 變形監(jiān)測(cè)

（1） 塔柱1～4（高程50.0～196.0m）采用正、倒垂線結(jié)合的方法進(jìn)行水平移動(dòng)監(jiān)測(cè)。每個(gè)塔柱在高程50.0～84.5 m布設(shè)1條倒垂線，在高程84.5～196.0 m則布設(shè)2條正垂線，并在高程112.0 m，175.0 m設(shè)中間測(cè)點(diǎn)。共布設(shè)4條垂線（圖1）。

（2） 在塔柱2，4的筒體中部（高程50.2～194.0 m）各布設(shè)一條豎直向伸縮儀測(cè)線，進(jìn)行塔柱頂部和底部之間的鉛直向的相對(duì)變形監(jiān)測(cè)，每條測(cè)線分3段布設(shè)（圖1）。

（3） 在船廂室底板高程50.0 m和塔柱頂部高程196.0 m處分別布設(shè)精密水準(zhǔn)點(diǎn)，進(jìn)行塔柱基礎(chǔ)沉降和頂部垂直移動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1.2 應(yīng)力應(yīng)變及接縫開(kāi)度監(jiān)測(cè)

在塔柱3和塔柱4筒體高程62，84 m和175 m各選取一水平觀測(cè)截面，每個(gè)觀測(cè)截面布置鋼筋計(jì)8支（圖2）。位置分別是：軸8～9、軸11～12的筒體左右壁中間各布置1支水流向鋼筋計(jì)（共4支），軸10外側(cè)墻處布置1支水流向鋼筋計(jì)，下游軸13處筒壁在左右端及中間各布置1支橫向鋼筋計(jì)（共3支）。高程84～196 m范圍內(nèi)在24個(gè)塔柱縱梁上布置了鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)縱梁受力情況，其中塔柱3和塔柱4各監(jiān)測(cè)了11個(gè)縱梁，塔柱1和塔柱2在高程196 m各監(jiān)測(cè)了1個(gè)縱梁，各縱梁鋼筋計(jì)主要布置在梁的兩端及梁中間。在升船機(jī)頂部中央控制室處的兩個(gè)橫梁HL4-1和HL4-2的兩端及梁中間各布置了4支鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)橫向鋼筋應(yīng)力。塔柱平衡重軌道處高程59.0～192.8 m預(yù)留1.3 m的寬槽，為監(jiān)測(cè)寬槽一、二期混凝土結(jié)合情況，在塔柱2軸2和軸6、塔柱3軸8和軸12、塔柱4軸8和軸12處寬槽（共6條寬槽）的7個(gè)高程處布設(shè)測(cè)縫計(jì)，每個(gè)高程寬槽兩邊各布設(shè)1個(gè)測(cè)縫計(jì)。

2 塔柱水平移動(dòng)監(jiān)測(cè)

2.1 實(shí)測(cè)變形成果

2.1.1 一般情況下的塔柱水平移動(dòng)

（1） 塔柱水平移動(dòng)主要隨氣溫呈年際變化，降溫時(shí)塔柱4個(gè)垂線部位均向船廂室中心移動(dòng)（水流向上游塔柱向下游移動(dòng)、下游塔柱向上游移動(dòng)，壩軸向左側(cè)塔柱向右移動(dòng)、右側(cè)塔柱向左移動(dòng)），升溫時(shí)則相反。

（2） 4個(gè)塔柱的X方向（水流向）移動(dòng)值在-10.74～9.89 mm之間;Y方向（壩軸向）移動(dòng)測(cè)值在-6.17～10.36 mm之間。因塔柱在壩軸線方向的剛度比水流向小，使得Y方向移動(dòng)除隨氣溫呈年際變化外，還受日氣溫變化影響呈現(xiàn)較頻繁的波動(dòng)。塔柱1垂線X，Y向水平位移過(guò)程線見(jiàn)圖3～4。

（3） 塔柱高程196.0 m處，一般2月氣溫最低時(shí)，塔柱相互靠近，垂線觀測(cè)的水流向同側(cè)上游塔柱與下游塔柱間相互靠近的最大相對(duì)移動(dòng)值約為12 mm，壩軸向左右側(cè)塔柱間相互靠近的最大相對(duì)移動(dòng)值約為9 mm;一般8月氣溫最高時(shí)，塔柱相互遠(yuǎn)離，水流向同側(cè)上游塔柱與下游塔柱間相互遠(yuǎn)離的最大相對(duì)移動(dòng)值約為7 mm，壩軸向左右側(cè)塔柱間相互遠(yuǎn)離的最大相對(duì)移動(dòng)值約為6 mm。

2.1.2 沉船、水漏空及實(shí)船試驗(yàn)前后塔柱水平移動(dòng)變化

2014年4月8日進(jìn)行了沉船試驗(yàn)[3]，船廂水位3.5 m，與平衡重平衡，均懸空，之后船廂水位充至最高水位4.3 m。2014年9月4日進(jìn)行了水漏空試驗(yàn)，船廂水位從3.7 m漏空。2016年7月16日進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)。實(shí)測(cè)成果表明：沉船、水漏空及實(shí)船試驗(yàn)前后塔柱水平移動(dòng)增量均在3.0 mm以內(nèi)，大部分測(cè)點(diǎn)移動(dòng)增量小于2.0 mm，試驗(yàn)的鉛直向荷載變化對(duì)塔柱水平移動(dòng)的影響很小。塔柱3垂線X，Y向水平位移過(guò)程線見(jiàn)圖5～6。

2.2 統(tǒng)計(jì)模型分析

對(duì)塔柱1～4高程196 m的X，Y向水平移動(dòng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)模型分析。典型測(cè)點(diǎn)移動(dòng)分量過(guò)程線見(jiàn)圖7～8。統(tǒng)計(jì)模型分析結(jié)果表明：① 各塔柱頂部水平移動(dòng)中，溫度分量最大，荷載分量和時(shí)效分量均較小。② 各個(gè)塔柱的變形規(guī)律均是一致的，即：低溫季節(jié)向內(nèi)收縮變形，高溫季節(jié)向外擴(kuò)張變形。塔柱頂部水平移動(dòng)符合高聳薄壁結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，時(shí)效分量較小。③ 壩軸向移動(dòng)Y的溫度分量變幅比水流向移動(dòng)X溫度分量變幅要小，符合塔柱頂部壩軸向?qū)挾缺人飨蜷L(zhǎng)度小的特點(diǎn)。

2.3 實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比

實(shí)測(cè)低溫季節(jié)1～2月份塔柱間距離最短;高溫季節(jié)8～10月份塔柱間距最大。水流向（縱向）相對(duì)移動(dòng)在-16.66～11.47 mm之間，移動(dòng)幅值約在28 mm以內(nèi);壩軸向（橫向）相對(duì)移動(dòng)在-11.76～7.92 mm之間，移動(dòng)幅值約在17 mm以內(nèi)。相對(duì)移動(dòng)主要隨氣溫呈年周期性變化。塔柱間相對(duì)水平移動(dòng)均在設(shè)計(jì)允許范圍[4]內(nèi)，滿足了升船機(jī)各機(jī)件的運(yùn)行要求。塔柱螺母柱間相對(duì)移動(dòng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值幅值對(duì)比見(jiàn)表1。

3 塔柱鉛直向變形

3.1 實(shí)測(cè)變形成果

至2017年6月，船廂室高程50.0 m底板各點(diǎn)沉降在6.0 mm左右，無(wú)不均勻沉降現(xiàn)象，塔柱基礎(chǔ)已基本趨于穩(wěn)定。塔柱2和塔柱4高程50.2～194.0 m伸縮儀實(shí)測(cè)鉛直向變形的年變幅分別約為40 mm和37 mm，主要隨氣溫呈年周期變化，溫度升高則塔柱伸長(zhǎng)，溫度下降則塔柱收縮。另外，在高溫季節(jié)，由于受日照時(shí)間和范圍不同，塔柱2鉛直向變形較塔柱4鉛直向變形增加約5 mm;低溫季節(jié)時(shí)兩者變形回歸一致（圖9）。兩塔柱鉛直向變形差值在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，滿足升船機(jī)各機(jī)件正常運(yùn)行要求。

3.2 統(tǒng)計(jì)模型分析

以塔柱2伸縮儀實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)模型分析。統(tǒng)計(jì)模型測(cè)點(diǎn)移動(dòng)分量過(guò)程線見(jiàn)圖10。統(tǒng)計(jì)模型分析結(jié)果表明：塔柱鉛直向變形中，溫度分量最大，其次是時(shí)效分量，荷載分量太小未能選入。鉛直向變形主要隨溫度呈年周期變化，溫度分量變幅為42 mm，時(shí)效分量在4.6 mm以內(nèi)，基本處于穩(wěn)定的彈性變形[5]狀態(tài)。邱章云[5]指出，塔柱筒體隨溫度變化而變化，溫差大則變形大，溫差小或恒溫狀態(tài)時(shí)則變形很小或沒(méi)有變形，此變形情況符合建筑物變形規(guī)律。塔柱2與塔柱4的變形規(guī)律均是一致的，即：低溫季節(jié)收縮變形，高溫季節(jié)伸張變形，符合高聳薄壁結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，時(shí)效分量較小。

4 塔柱應(yīng)力應(yīng)變及接縫開(kāi)度

在升船機(jī)頂部?jī)蓚€(gè)橫梁兩端及梁中間各布置了鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)橫向鋼筋應(yīng)力，實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力在-55～30 MPa之間，且測(cè)值變化穩(wěn)定，沒(méi)有趨勢(shì)性變化。塔柱縱梁鋼筋應(yīng)力約在-120～120 MPa之間，大部分鋼筋拉應(yīng)力在50 MPa以內(nèi)，較大的鋼筋應(yīng)力均是在澆筑混凝土后一個(gè)月左右出現(xiàn)的，之后應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)澆筑初期應(yīng)力，后期應(yīng)力主要隨溫度呈年際變化，與溫度負(fù)相關(guān)。在升船機(jī)筒體及橫梁各布置了應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)混凝土應(yīng)力，實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)力在-3.57～1.17 MPa之間，多為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力較小，主要隨溫度變化，沒(méi)有不利的趨勢(shì)性變化。大部分塔柱平衡重軌道一、二期混凝土間開(kāi)度測(cè)點(diǎn)測(cè)值在0.3 mm以內(nèi)，測(cè)值基本在儀器的觀測(cè)誤差范圍內(nèi)。開(kāi)度測(cè)值均是混凝土澆筑后頭幾天產(chǎn)生的，之后測(cè)值變化很小，且不隨溫度變化，說(shuō)明一、二期混凝土間結(jié)合良好，不存在明顯的裂縫。

5 結(jié) 語(yǔ)

施工期升船機(jī)塔柱的觀測(cè)成果表明，塔柱變形和應(yīng)力應(yīng)變主要受氣溫影響呈年際變化，沉船及水漏空試驗(yàn)的鉛直向荷載變化對(duì)塔柱變形和應(yīng)力應(yīng)變影響很小，各項(xiàng)測(cè)值均是正常的，符合升船機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，測(cè)值均在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，滿足升船機(jī)正常運(yùn)行的要求。

（1） 塔柱水流向移動(dòng)在-10.74～9.89 mm之間，壩軸向移動(dòng)在-6.17～10.36 mm之間。塔柱水平移動(dòng)受氣溫影響較大，高溫時(shí)向外擴(kuò)張變形，低溫時(shí)向內(nèi)收縮變形。

（2） 塔柱鉛直向變形年變幅約為38.5 mm，主要隨氣溫呈年周期變化，溫度升高塔柱伸長(zhǎng)，溫度下降塔柱收縮。

（3） 從監(jiān)測(cè)成果來(lái)看，升船機(jī)塔柱水平移動(dòng)、鉛直向變形、混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力等均在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)，滿足了升船機(jī)各機(jī)件的運(yùn)行要求，塔柱處于穩(wěn)定的彈性變形狀態(tài)，升船機(jī)整體運(yùn)行是安全、可靠的。

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（編輯：江 文）