涵洞鋼內(nèi)模移動臺車的設(shè)計與應(yīng)用效果

南曉飛 程士華

(1.濮陽黃河河務(wù)局，河南 濮陽 457000；2.鄆城縣隨官屯鎮(zhèn)人民政府，山東 菏澤 274704)

1 工程概況

隨著黃河小浪底調(diào)水調(diào)沙，黃河下游河道持續(xù)下切，原彭樓灌區(qū)渠首處河道下切約2.8m，造成彭樓引黃閘過流能力嚴(yán)重不足、閘前渠道淤積嚴(yán)重，故對原彭樓閘進行改擴建。范縣彭樓改擴建工程設(shè)計灌溉面積233.54萬畝，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為特大型。改擴建工程渠首段的主要建設(shè)內(nèi)容為彭樓渠首閘、渠首段引渠和彭樓穿堤閘，其中渠首閘工程位于彭樓險工27～28壩之間，閘軸線與工程連壩軸線夾角成60°，閘室后接一聯(lián)5孔的6節(jié)鋼筋混凝土箱形涵洞(6節(jié)×10m)；穿堤閘工程位于黃河北岸大堤樁號106+600處，閘軸線與黃河大堤垂直，閘室后接一聯(lián)5孔的鋼筋混凝土箱形涵洞(14節(jié)×10m)。

2 方案思路

2.1 緣由

范縣彭樓改擴建工程的渠首閘和穿堤閘的結(jié)構(gòu)基本相同，兩閘閘室出口的每節(jié)涵洞段的凈寬和凈高結(jié)構(gòu)尺寸均為3m×3.5m，頂板、底板、邊墻和中隔墻的厚度均為0.6m，每節(jié)長均為10m，為一聯(lián)5孔；不同之處只是節(jié)數(shù)不同，渠首閘涵洞共6節(jié)，穿堤閘涵洞共14節(jié)。

針對涵洞結(jié)構(gòu)的共同點，相關(guān)技術(shù)人員借鑒以往的施工經(jīng)驗，認(rèn)為可采用滿足涵洞結(jié)構(gòu)、同一鋼結(jié)構(gòu)尺寸的鋼內(nèi)模臺車進行施工，臺車不但要保證鋼內(nèi)模的可移動性，還要保證鋼內(nèi)模的整體性、強度和剛度等要求。應(yīng)用這一方法，能有效降低施工成本，全面壓縮施工工期。

2.2 方案確定

根據(jù)渠首閘和穿堤閘涵洞段斷面、結(jié)構(gòu)型式的一致性，理論上確定采用“三個臺車”方案：?依據(jù)圖紙設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸通過3D軟件在電腦中繪制出臺車模型，設(shè)計出可升降、可固定、可行走的“模擬臺車”；?對預(yù)設(shè)的“模擬臺車”設(shè)計出不同規(guī)格型號的待拼裝模板尺寸圖紙，并計算出鋼內(nèi)模臺車的混凝土荷載、移動荷載、強度、剛度、拉桿、支撐等數(shù)據(jù)，構(gòu)建“數(shù)字臺車”；?在模擬臺車和數(shù)字臺車基礎(chǔ)上工廠制作、加工、現(xiàn)場試拼、安裝和運行“實體臺車”。

3 移動臺車設(shè)計

3.1 模擬臺車

通過3D軟件繪制出完全符合施工設(shè)計圖紙結(jié)構(gòu)以及斷面尺寸的立體臺車，為臺車的模板設(shè)計提供基本理論數(shù)據(jù)，見圖1～圖3。

圖1 臺車橫斷面

圖2 模板斷面

圖3 支撐縱斷面

3.2 數(shù)字臺車

兩閘涵洞段過水的斷面尺寸為3m×3.5m，每節(jié)長度為10m，為一聯(lián)5孔的結(jié)構(gòu)型式，其中渠首段共計6節(jié)，穿堤閘共計14節(jié)，為確保2021年汛前具備下閘擋水條件，合理計算成本和效益，計劃渠首閘使用一套“一聯(lián)5孔”的定型鋼內(nèi)模移動臺車，穿堤閘使用兩套“一聯(lián)5孔”的定型鋼內(nèi)模移動臺車。在確定模擬臺車方案理論基礎(chǔ)前提下設(shè)計指導(dǎo)施工的模板設(shè)計圖紙。

3.2.1 鋼模板設(shè)計

根據(jù)單節(jié)涵洞斷面厚度、長度和寬度，為保證鋼內(nèi)模的強度和鋼度，確定鋼模板的板厚為5mm。

a.頂模板設(shè)計。頂板設(shè)計采用縱向兩排各7塊1.2m×1.5m的鋼模板并用螺栓進行拼接。

b.側(cè)模板設(shè)計。側(cè)板設(shè)計采用組合鋼模板，鋼模板規(guī)格有1.2m×1.5m、0.2m×1.5m，縱向均為7塊，同樣用螺栓進行拼接。

c.倒角模板設(shè)計。根據(jù)施工圖紙要求，涵洞洞身4個角為135°倒角，故臺車縱向兩側(cè)采用工廠加工組合式倒角鋼模板與頂板、側(cè)板連接，倒角組合鋼模為0.35m×1.5m、0.1m×1.5m，各為7塊縱向布置，用螺栓進行拼接。

3.2.2 支撐設(shè)計

a.鋼管支撐。為提高臺車的強度、剛度和穩(wěn)定性，臺車鋼內(nèi)模的支撐至關(guān)重要，設(shè)計采用φ50壁厚為3mm的鋼管支撐。橫斷面豎向設(shè)4排鋼管，橫向設(shè)3排鋼管，左右和上下側(cè)凈寬度為0.6m；縱斷面橫向支撐采用3排鋼管，縱向采用15排鋼管布置；臺車內(nèi)側(cè)橫斷面和縱斷面方向各設(shè)置剪刀撐4組進行加強加固。

b.升降頂絲設(shè)計及連接。臺車由鋼模板拼裝為整體形式，在使用鋼管進行“硬”支撐的前提下仍需要可松可緊的“軟”支撐，“軟”支撐設(shè)計為高強螺桿可旋轉(zhuǎn)頂絲，在臺車內(nèi)部中每道縱橫鋼管的兩端均設(shè)置頂絲，見圖4。

圖4 頂絲連接圖

頂絲作用為：?可使臺車頂模的高程有可控制性的調(diào)整支撐；?為使鋼管間保持整體和垂直度可微調(diào)緊固；?可抬起行走用的滾動腳輪；?作為臺車的主要荷載支撐。

c.椎體和拉桿。為保證臺車側(cè)面與涵洞洞身混凝土墻體外側(cè)鋼模板的強度和穩(wěn)定，不至于在澆筑混凝土?xí)r“跑模、漲模”，使用一般的對位螺桿滿足不了厚度為0.6m的混凝土的側(cè)壓力，故采用高強螺桿與錐體連接、雙鋼管配合壓板進行固定和對拉，見圖5。

3.2.3 移動設(shè)計

鋼內(nèi)模臺車設(shè)計初衷是快捷、高效、降成本，為達到這一目標(biāo)，當(dāng)涵洞頂?shù)幕炷翉姸冗_到75%以上時，能把臺車輕松地從成型的混凝土涵洞中移動到下一節(jié)待施工的涵洞位置處，首先要保證能脫模和移動。

a.滾動輪。整體臺車脫模后需要行走到下節(jié)涵洞作為內(nèi)模進行混凝土澆筑，臺車的移動有軌道式、電動式、液壓式、滾動式等方式，從低成本思路考慮，臺車設(shè)計采用φ300滾動式內(nèi)鐵外塑雙腳輪行走方式。

圖5 模板拉桿細(xì)部圖 (單位：mm)

b.輪梁設(shè)計。當(dāng)滾動輪行走時，輪梁承擔(dān)著臺車及內(nèi)部所有鋼管重量的作用，故輪梁設(shè)計為兩根通長為9m的100mm×100mm×5mm方管焊接到雙腳輪中軸上，見圖6。

圖6 輪梁縱橫斷面 (單位：mm)

3.2.4 承載力驗算

涵洞臺車的鋼模板分為頂模和左右側(cè)邊模，臺車的荷載主要有混凝土荷載、模板及其支架自重荷載、鋼筋和埋件的荷載、工作人員及澆筑設(shè)備工具荷載、振動混凝土的荷載、活荷載等，這些荷載主要通過頂模傳遞到臺車內(nèi)部各鋼管支架后由混凝土底板承載；邊模主要受側(cè)壓力的荷載，側(cè)壓力與澆筑混凝土的高度密切相關(guān)。

a.臺車邊模側(cè)壓力驗算。涵洞兩側(cè)模板的固定主要依靠高強度的螺桿(模板拉桿)緊固內(nèi)外側(cè)鋼管進行。

對側(cè)墻在混凝土澆筑時對鋼模板的最大側(cè)壓力進行計算，參照《建筑手冊設(shè)計概念腳本過程》中“現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)模板的設(shè)計”、《水閘施工規(guī)范》(SL 27—2014)和《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 10—2011)，計算公式為

(1)

式中：F0為澆筑混凝土?xí)r側(cè)壓力，kN/m2；γ為混凝土的重度，kN/m3；t0為新澆混凝土的初凝時間，h；當(dāng)缺乏試驗資料時，可采用t0=200/(T+15)計算；T為混凝土的溫度，℃；β1為外加劑影響系數(shù)，不加外加劑時取1.0，摻有緩凝作用的外加劑時取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當(dāng)坍落度小于3cm時取0.85，當(dāng)坍落度為5～9cm時取1.0，當(dāng)坍落度為11～15cm時取1.15；v為混凝土的澆筑速度，m/h。

通過分析計算可知，涵洞側(cè)墻的側(cè)壓力滿足設(shè)計值，同時臺車側(cè)?；炷恋臐仓叨葍H為3.5m，側(cè)壓力受力較小，只要拉桿剛度和錨固件的質(zhì)量可靠，基本可對沖臺車的側(cè)壓力影響。

b.臺車頂模壓力驗算。在涵洞頂混凝土澆筑時混凝土的自重、頂板鋼筋的重量及可變荷載等靠臺車模板支撐，模板的整體強度即有頂板和內(nèi)支撐的鋼管來承受，以保證模板在工作時有可靠的穩(wěn)定性。

臺車模板沿水流方向看是個長方體，涵洞是一聯(lián)5孔的結(jié)構(gòu)型式，即一套涵洞模板由5臺臺車組合而成，這里只對其中一孔的單個臺車進行受力分析。模板頂混凝土厚度為0.6m，臺車的頂模為10m×2.5m，通過前述“鋼管支撐”的設(shè)計是加密布置，其力學(xué)模型以頂部長1.5m、寬2.5m這部分模板進行分析和強度校核，其受力簡圖見圖7。

圖7 臺車頂模板受力簡圖 (單位：mm)

利用有限元理論進行分析，有限元分析是通過電算進行的，這里按一根梁進行分析，簡化后梁單元力學(xué)模型按簡支梁處理，因為兩邊有鋼管立柱支撐。通過分析計算可知，整個模板的強度和剛度是足夠的。

4 實體臺車和施工過程控制

4.1 移動臺車行走基面

在臺車拼裝前首先對“一聯(lián)5孔”涵洞的基礎(chǔ)進行全面施工，基礎(chǔ)是臺車行走，上部結(jié)構(gòu)、回填土方承載的基面。本工程的基礎(chǔ)是C30混凝土，基面的質(zhì)量和平整度是臺車能否順利行走的前提，另外，基礎(chǔ)質(zhì)量也是整個涵洞高程控制的標(biāo)尺，是混凝土質(zhì)量的必控項。

4.2 移動臺車的拼裝

臺車的拼裝按施工放線和鋼筋綁扎、側(cè)板安裝、鋼輪及輪梁安裝、鋼管支撐搭設(shè)、頂板安裝、整體定位和校正等順序進行。

4.2.1 施工放線和鋼筋綁扎

施工放線不但是整個工程的關(guān)鍵也是對臺車設(shè)計尺寸是否精確的考量，模板為澆筑鋼筋混凝土提供可靠成型的工具，側(cè)模安裝前需進行鋼筋的安裝和驗收。

4.2.2 側(cè)板安裝

在側(cè)板安裝前先在加工廠進行試拼裝，試拼滿足臺車設(shè)計要求后分三組(每組3m)吊入基礎(chǔ)面再分組拼裝。

4.2.3 鋼輪及輪梁的安裝

為保證臺車的整體移動，行走的鋼輪和輪梁的質(zhì)量必須可靠，鋼輪為φ300內(nèi)鐵外塑雙腳輪，輪梁為100mm×100mm×5mm、長10m的方鋼，一條輪梁帶兩組鋼輪，一孔涵洞的臺車共有兩條輪梁。

4.2.4 臺車內(nèi)支撐

臺車的鋼管內(nèi)支撐采用φ50、壁厚為3mm的鋼管，為滿堂紅鋼管腳手架，設(shè)置縱、橫向剪刀撐若干。

4.2.5 頂模的安裝

頂模是涵洞上部混凝土主要受力面板，拼裝的穩(wěn)固、平整可減少下部鋼管支撐的調(diào)整幅度，也可使頂模均衡承載永久荷載、活荷載等，對提高洞頂混凝土質(zhì)量起到重要作用。

4.2.6 高強螺桿與頂絲

對待行走的臺車只有松開所有固定螺桿和頂絲才能使臺車移動，故固定螺桿和頂絲是整個臺車模板“縮徑”、頂固和升降的關(guān)鍵所在，螺桿和頂絲不但能緊固(松懈)架桿、模板，保證臺車模板的整體性，還起到升降臺車的作用，底部的頂絲在澆筑混凝土?xí)r旋升鋼輪，使鋼輪懸空不受力，當(dāng)需要移動臺車時，可松降頂絲使鋼輪著地，利于行走。

4.2.7 臺車的移動

涵洞的側(cè)墻和頂板混凝土澆筑完成后，待混凝土強度達到75%時，可推動臺車至下節(jié)涵洞位置處作為整體內(nèi)模繼續(xù)循環(huán)使用，見圖8。

圖8 臺車移出

5 應(yīng)用效果

臺車的使用重在早規(guī)劃、早設(shè)計，循環(huán)使用是降成本、提效益的關(guān)鍵，整體可移動性是趕工期的重點。

本工程從設(shè)計、定制、試拼、安裝、運行都做了充足的準(zhǔn)備，渠首閘工程6節(jié)涵洞、穿堤閘工程14節(jié)涵洞，結(jié)構(gòu)型式和斷面尺寸一致，共20節(jié)涵洞，為趕工期、降成本共制作移動臺車3套，每套臺車(一聯(lián)5孔)材料費用為35萬元，3套臺車的制作成本約105萬元。

5.1 運行對比

渠首閘和穿堤閘工程閘室出口段為漸變涵洞段，該漸變段的結(jié)構(gòu)型式與涵洞段尺寸有所不同，故只能作為單節(jié)進行單獨組裝，為趕工期，施工過程中又增加兩套單節(jié)鋼模板為非移動式鋼內(nèi)模(簡稱固定臺車)。

移動臺車與固定臺車的主要區(qū)別在于所使用的人工費和拼裝時間的不同，固定臺車所用材料與移動臺車基本相同，只是缺少移動裝置，這里按一套移動臺車的材料成本進行對比分析。初期移動臺車的安裝與固定臺車安裝所用人工和時間大致相同，后期的移動臺車就體現(xiàn)出完全不同的工作效率和運行成本。

5.1.1 固定臺車施工

固定臺車也為“一聯(lián)5孔”的結(jié)構(gòu)型式，經(jīng)測算，固定臺車從模板拼裝、內(nèi)模鋼管安裝、頂絲調(diào)整、結(jié)構(gòu)尺寸校核到具備驗收和澆筑混凝土條件等用時25天，需要20人完成，材料費為35萬元。

5.1.2 移動臺車施工

對渠首閘和穿堤閘三套臺車的運行進行測算，每套移動臺車從已澆筑混凝土涵洞內(nèi)推到下節(jié)待施工的涵洞中，安裝、固定、調(diào)試完成約2天，只需10人即可完成，材料費為35萬元。

5.2 成本分析

5.2.1 人工成本

a.固定臺車用工。如果采用上述固定臺車施工的方式，人工20人，用時25天，為便于對比分析，暫按18節(jié)涵洞施工考慮，合計用工450個工日，人工工資300元/天，人工成本12.5萬元。

b.移動臺車用工。從上面的測算分析可知，每套臺車拆、安、調(diào)的工序完成用工10人，渠首閘和穿堤閘共20節(jié)涵洞，除初期安裝的前2節(jié)(渠首閘和穿堤閘各1節(jié))外，使用臺車施工的共18節(jié)，每套臺車用時10天，合計用工180個工日，人工工資300元/天，人工成本5.4萬元。

5.2.2 工期成本

a.固定臺車鋼模板安裝完成約25天，按18節(jié)涵洞、3套鋼模板計算，工期為150天，約5個月才能完成所有涵洞模板的安裝工作，從合同計劃工期完成和黃河防汛角度分析是不可行的。

b.一套移動臺車安裝完成僅需2天即可完成，同樣按18節(jié)涵洞、3套臺車計算，12天即可完成移動臺車的安裝工作，較固定臺車模板安裝縮短工期138天。

5.3 效益分析

本工程在涵洞工程施工階段共用150余人，人工成本為4.5萬元/天，間接成本(管理費用、生活費、電費、租賃費、機械費等)約1萬元/天，平均綜合成本5.5萬元/天。按上述分析，固定臺車的工期成本為150×5.5=825萬元，移動臺車的工期成本為12×5.5=66萬元，按工期縮短138天計算，工期成本可減少759萬元，總成本減少795萬元，見表1。

6 結(jié) 語

移動臺車以“模擬臺車”內(nèi)的鋼模板、支撐、頂絲、拉桿、滾動膠輪等立體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計出各個組合模板的尺寸、支撐方式、頂絲等組件的大樣圖尺寸，形成能指導(dǎo)施工的“數(shù)字臺車”，以“數(shù)字臺車”為依托對“實體臺車”進行拼裝組合、架設(shè)、安裝。本工程采用“三個臺車”理念組織施工，起到了降成本、增效益、縮短工期的作用，具有安全、高效、低成本、混凝土澆筑后內(nèi)外質(zhì)量有保證等特點，有廣闊的推廣應(yīng)用價值和前景。

表1 效益分析

工程所用的移動臺車目前的模板拼裝、加固、支撐和臺車移動主要以人工操作為主，以機械為輔助，自動化程度偏低，隨著混凝土施工技術(shù)的不斷成熟，運用現(xiàn)代科技手段將形成更為完善、先進，自動化程度更高的“移動臺車”。