構皮灘升船機船廂空載原位頂升受力分析與研究

宋金育

(構皮灘水電站，貴州 遵義 550000)

構皮灘水電站通航建筑物工程由上下游引航道、3座鋼絲繩卷揚提升式垂直升船機和2級中間渠道(含通航隧洞、渡槽及明渠)等建筑物組成(升船機整體組成見圖1)。其中，第二級船廂采用全平衡式，船廂結構為鋼質槽形結構，由80根鋼絲繩懸吊，船廂通過鋼絲繩與外側平衡重相連，以達到全平衡的目的[1-3]。

圖1 第二級升船機整體面貌

船廂作為大型金屬結構，因形體尺寸較大、結構型式復雜，采用分塊單元形式，即按照運輸及吊裝限制條件進行廠內分塊制作[4]，將拼裝所需胎架根據(jù)要求布置在船廂室內，再將分塊單元落位在胎架上進行原位拼焊形成整體。施工過程中，在船廂拼焊形成整體后，由于胎架高程不足，發(fā)生了船廂結構無法正常連接鋼絲繩索結的現(xiàn)象，導致船廂無法正常安裝。因此，本文針對上述問題，提出了構皮灘升船機船廂空載原位頂升施工方案，將船廂頂升至預定高程，達到船廂和鋼絲繩能夠連接的目的。本文對施工流程和船廂受力特性等內容進行重點討論，并對存在的問題提出了修改建議。

1 船廂空載原位頂升方案設計

根據(jù)第二級船廂室的現(xiàn)狀，在船廂空載頂升方案設計時[5]，需設定如下兩個前提條件：

a.假定船廂側向剛度無窮大，即在頂升的過程中不會發(fā)生整體傾覆、扭轉。

b.假定船廂頂升支撐點同時工作時，忽略因人工操作和設備誤差而引起的加載不同步問題，即假定各個頂升點在頂升過程中是平穩(wěn)同步進行的，由此還可消除由基準面不平而引起的觀測誤差。

基于上述兩點假定，即可認為船廂在頂升的過程中能夠整體被提升，且不發(fā)生平面外任何扭轉和傾覆現(xiàn)象，船廂主縱梁始終保持在一個平面，從而重點關注船廂自身平面內的受力、變形和撓曲等問題。

1.1 方案設計

構皮灘第二級船廂初始落位于拼裝胎架上，船廂結構已經全部焊接完成，其中船廂下鎖定裝置已經完全焊接于船廂結構上。頂升方案設計思路為：借用船廂下鎖定裝置，通過操作液壓千斤頂并配合填塞鋼支墩和鋼墊板，逐步將船廂頂升至適當?shù)母叱?，再將船廂與鋼絲繩相連。

船廂原位頂升施工工藝流程為：施工準備→承船廂數(shù)次頂升過程實施→檢查承船廂變形及穩(wěn)定情況→承船廂最后一次頂升→承船廂頂升就位后進行變形量復測及鋼絲繩連接。

在船廂下設四個頂升點，每個頂升點下設有6個鋼墊墩(一)和4個鋼墊墩(二)，用于船廂頂升過程中的高度調整互換。每個頂升點配置一臺液壓泵站，采用一拖四分配閥形成4套液壓管路，控制4臺千斤頂，從而達到一臺泵站控制4臺千斤頂?shù)男Ч?，最大程度上保證頂升加載過程的同步性。船廂的頂升點布置見圖2。

圖2 船廂原位頂升點布置

1.2 技術特點

本文所涉及的項目工況為船廂結構原位頂升，根據(jù)所設計的方案，在技術上能夠實現(xiàn)船廂結構的同步抬升，并且在一定程度上能夠保證頂升過程中實現(xiàn)高程微調的目標。在達到目標高程后，作業(yè)人員通過液壓裝置將鋼支墩和鋼板墊塊塞入下鎖定梁處，循環(huán)操作千斤頂，從而實現(xiàn)船廂結構穩(wěn)定被提升。從技術特點上，本方案需重點關注同步性和平穩(wěn)性，以及船廂結構在頂升過程中的撓度問題。

1.3 實施步驟

1.3.1 施工準備

根據(jù)施工工藝流程，確定并組織承船廂頂升施工項目的人員，熟悉圖紙，掌握工藝及標準，對進入施工的相關人員進行技術交底以及安全作業(yè)培訓；申報消耗材料耗用計劃、機械及工器具使用計劃。

1.3.2 工作面檢查

施工前需要相關責任單位清理船廂室底板雜物，將頂升所需的工器具布置就位。承船廂頂升前，測量承船廂縱梁、底鋪板的水平度及垂直度，根據(jù)測點的布置情況，制定好測量方案，并做好原始記錄。

1.3.3 船廂頂升

第二級船廂與鋼絲繩索結高程相差約1632mm，由于千斤頂行程有限，加之考慮頂升過程中的穩(wěn)定性、船廂受力等因素，采用分次加載頂升的辦法。具體如下。

1.3.3.1 第1次頂升

首次頂升時，先緩慢試頂起一部分(約5～10mm)，仔細檢查液壓千斤頂無異常后，再繼續(xù)進行頂升。

1.3.3.2 第2～11次頂升

首次頂升檢查船廂整體情況后，后續(xù)每次頂升時，頂升高程控制在150mm左右，是因為千斤頂行程大約在150mm。

1.3.3.3 第12次頂升

最后一次頂升時，根據(jù)每次頂升過程中記錄的數(shù)據(jù)，計算出最后一次頂升所需要的行程，操作時要統(tǒng)一協(xié)調，確保最后一次頂升到位。

1.3.3.4 鎖定狀態(tài)

在船廂頂升至設計高程且完成船廂與鋼絲繩的連接后，船廂底部頂升的液壓千斤頂需保持保壓狀態(tài)，并進行船廂位置偏差復查。

1.3.3.5 最終檢查

為防止完成鋼絲繩連接后，解除液壓千斤頂過程中，船廂發(fā)生上下游搖擺，船廂頂升到位后需繼續(xù)保持液壓千斤頂?shù)捻斏隣顟B(tài)，此時需在船廂上四條夾緊軌道處布置夾緊鎖定裝置。船廂主要測點分布見圖3。

圖3 船廂測點布置

2 受力分析

由圖2可知，船廂結構受力形式為簡支梁，在船廂自重作用下，頂升點兩側承受負彎矩，船廂中部承受正彎矩，船廂結構在自重荷載作用下的受力形式見圖4。

圖4 船廂結構受力

2.1 整體受力分析

第二級船廂承船廂為鋼質槽形結構，主縱梁為貫通的箱形梁結構，為豎向主要抗彎構件。底鋪板采用次縱梁用鋪板連接形式，次縱梁從廂頭位置開始間隔布置，最終由鋪板連接形成一個平面。因此在整體分析時，根據(jù)受力性能選擇相應截面計算。

由船廂結構受力特性可知，主縱梁跨中彎矩最大，相應的撓度最大。因此選取跨中截面進行最大撓度計算。廂頭作為外伸梁，取其自由端作為撓度最大點進行計算。主縱梁和廂頭荷載工況下的撓度計算結果見表1。

表1 撓度計算結果

由表1可知，在自重荷載作用下，廂頭因設備層截面剛度較大，所產生的位移為3.3mm；主縱梁跨中部位所產生的撓度為49.1mm(主縱梁兩支點的距離為43m，故撓度比為1 ∶1100)，滿足《鋼結構設計標準》(GB/T 50017—2017)[6]附錄B中主梁撓度容許值(容許撓度比為1 ∶500)的要求。

2.2 局部受力分析

在進行局部受力分析時，僅對支墩處進行局部受壓分析，因其余部位無接觸，故不做受力計算。

已知船廂目前在安裝階段的重量為960t，根據(jù)頂升點鋼支墩的布置原則和部位可知：

a.單個鋼支墩(一)承壓力：P1=960t/(4×6)=40t=400000N，鋼支墩(一)承壓面積S1=350mm×500mm=175000mm2，鋼支墩(一)抗壓壓強=P1/S1=400000N/175000mm2=2.29MPa<σ=235MPa。

b.單個鋼支墩(二)承壓力：P2=960t/(4×4)=60t=600000N，鋼支墩(二)承壓面積S2=350mm×350mm=122500mm2，鋼支墩(二)抗壓壓強=P2/S2=600000N/122500mm2=4.9MPa<σ=235MPa。

經計算可知，頂升點處鋼支墩的局部受壓應力滿足要求。

3 船廂頂升實際觀測數(shù)據(jù)分析

在頂升過程中，根據(jù)測點的布置情況，重點關注主縱梁兩端懸臂段和跨中段的數(shù)據(jù)實測值。本次測量共分為5次，對設置的觀測點進行觀測并實時記錄數(shù)據(jù)。船廂在頂升過程中的實時測量結果見表2。

表2 沉降觀測值

通過實際觀測數(shù)據(jù)可知：

a.廂頭部位(測點1、測點3、測點4、測點6)的實際撓度值與理論計算接近，說明廂頭部位的計算簡化較為合理，即應考慮設備層空間大帶來的抗彎剛度增大的情況。

b.主縱梁跨中部位(測點2、測點5)的實際撓度值比計算值偏小，主要是因為理論計算時僅取跨中一個截面的抗彎性能，而未考慮船廂縱向整體協(xié)同工作能力，說明計算結果偏于安全，留有一定的安全余量。

測量次數(shù)“5*”是指在頂升完成，將鋼絲繩連接到船廂上鋼絲繩孔后的狀態(tài)，即撓度值由負轉正，說明在64根鋼絲繩的作用下，船廂整體的變形與放置于胎架上基本相同，船廂整體受力平穩(wěn)，結構設計合理，受力明確。

4 結 論

實踐表明，按照本文所提出的船廂原位頂升方案所規(guī)定的操作流程，船廂能夠被頂升到預定高程位置處，該方案具有較強的可操作性。同時，理論計算表明，船廂的撓度和受力均滿足要求，頂升實施過程安全、平穩(wěn)，能夠為類似工程提供參考經驗。