浮式系船柱槽澆筑力學(xué)性能分析*

沈菊燕，周 燦，汪 宏

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430000；2.中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410011；4.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

船閘水工建筑物中，大體積混凝土二次澆筑施工方法發(fā)揮了極為重要的作用。該方法主要有兩個方面優(yōu)勢：一是防止船閘整體式現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)因閘墻和墻后回填料自重引起底板產(chǎn)生裂縫，比如整體塢式結(jié)構(gòu)船閘沿閘首縱軸線方向設(shè)置的施工寬縫、后澆帶等；二是滿足金屬結(jié)構(gòu)埋件安裝精度要求，比如人字門的蘑菇頭、支枕墊、浮式系船柱等埋件安裝與澆筑。同時，二期混凝土澆筑施工方法也存在一些弊端：1)增加了混凝土澆筑的全套工藝流程，施工繁瑣、質(zhì)量管控難度大；2)在混凝土澆筑結(jié)合面易滲漏，模板加固不當(dāng)容易產(chǎn)生錯臺、漏漿等質(zhì)量問題；3)二次混凝土澆筑施工工期長、成本投入大等[1-5]。

結(jié)合湘江永州—衡陽Ⅲ級航道湘祁二線船閘工程，以閘室浮式系船柱導(dǎo)軌埋件為研究對象，針對傳統(tǒng)的船閘結(jié)構(gòu)分兩期混凝土澆筑施工工藝中存在的問題，開展了相關(guān)調(diào)查研究。根據(jù)三峽永久船閘相關(guān)文獻(xiàn)[6]在浮式系船柱一次安裝工藝方面的研究，三峽船閘閘室墻為直立薄壁結(jié)構(gòu)，與湘祁二線船閘的衡重式結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別，其加固方式并不適用本工程。針對相關(guān)問題，文獻(xiàn)[7]首次提出衡重式結(jié)構(gòu)船閘浮式系船柱一次澆筑施工工藝；文獻(xiàn)[8-10]分析一次澆筑工藝模板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，同時對一次澆筑工藝與二次澆筑工藝施工效果進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，確定了一次澆筑工藝的可行性。

1 工程概況

湖南湘江永州—衡陽Ⅲ級航道工程湘祁二線船閘為1 000噸級船閘，船閘閘室有效尺度為180 m×23 m×4 m。閘室共布置16個浮式系船柱，間距19～23 m。浮式系船柱設(shè)計(jì)荷載為1 000噸級、兼顧2 000噸級的內(nèi)河貨船系纜力，設(shè)計(jì)系纜力為150 kN，其結(jié)構(gòu)由浮筒、上層系船架、滾動裝置及預(yù)埋件組成，浮筒、上層系船架采用鋼結(jié)構(gòu)焊接制作。滾動裝置由橫向、縱向各6個滾輪組成，滾輪在閘墻導(dǎo)槽內(nèi)隨水位升降而上下滾動。布置2層系船柱，層距1 690 mm。導(dǎo)槽埋件主要由導(dǎo)軌、護(hù)角、底檻、連接角鋼和限位裝置組成，埋件材料材質(zhì)Q235B，導(dǎo)軌和護(hù)角對稱布置，采用螺栓連接。

導(dǎo)槽混凝土強(qiáng)度為C35，預(yù)留導(dǎo)槽尺寸2.4 m×1.7 m×17.8 m。導(dǎo)槽為八邊形結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌在閘室墻迎水面一側(cè)，最大凈空1 700 mm，見圖1。

圖1 導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2 浮式系船柱導(dǎo)軌導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)浮式系船柱導(dǎo)軌導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)混凝土澆筑施工時，首先采用定型槽口模板(長2.4 m，寬1.7 m，高度與閘室墻混凝土分層高度一致)與閘室墻前沿迎水面模板相結(jié)合，預(yù)留后續(xù)導(dǎo)槽埋件安裝加固插筋，待閘室墻第一次混凝土澆筑完成后，對槽口處進(jìn)行鑿毛處理，安裝導(dǎo)槽埋件，再分層支立獨(dú)立模板體系二次澆筑導(dǎo)槽混凝土。

由圖1可知，浮式系船柱導(dǎo)軌由左右兩側(cè)各3組錨筋(即支撐筋)通過與預(yù)埋插筋焊接加固實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。原設(shè)計(jì)方案采取二次混凝土澆筑施工，預(yù)留插筋并進(jìn)行二次安裝；改為一次澆筑后，最大的區(qū)別在于浮式系船柱的導(dǎo)槽與閘室墻混凝土澆筑施工同步成型，由于沒有預(yù)埋插筋的連接，整個支撐體系發(fā)生改變，須重新設(shè)計(jì)支撐定位。

通過研究力學(xué)性能，得出適合本工程的一次澆筑支撐定位方案總體思路為：設(shè)計(jì)一套可拆卸的異形模板，導(dǎo)軌作為異形模板的一部分，共同構(gòu)成導(dǎo)軌-模板體系，見圖2；導(dǎo)軌安裝高程以下設(shè)置1套鋼支架，由5根長1 500 mm的20號工字鋼組成，該鋼支架預(yù)埋在下層閘室墻混凝土中作為導(dǎo)軌-模板體系的支座。

圖2 導(dǎo)軌-模板體系(高程：m；尺寸：mm)

3 導(dǎo)軌-導(dǎo)槽模板結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌-模板體系的長度為3 150 mm，與閘室混凝土澆筑施工分層高度相適應(yīng)。體系由4部分組成，即導(dǎo)軌的定位裝置、模板、懸臂支架和調(diào)節(jié)法蘭螺栓。

模板由1塊500 mm×3 150 mm的平板模和兩塊異形模組成；為便于拆卸，模板間采用鉸鏈連接，用法蘭螺栓調(diào)整相鄰兩塊模板角度，用可調(diào)撐桿和懸臂支架進(jìn)行支撐加固；定位裝置包括4個M20螺桿、2塊定位鋼板，并按設(shè)計(jì)位置在模板上配孔固定。導(dǎo)軌與模板定位方式為：底部螺栓定位連接，中部(局部間隙處)采用法蘭螺栓將導(dǎo)軌拉緊并緊貼模板面，頂部通過模板上部設(shè)置的定位鋼板及法蘭螺栓調(diào)整至安裝位置。見圖3。拆模時先松開頂桿，吊走定位裝置；然后拆除與相鄰迎水面模板連接的角模；最后擰動可調(diào)撐桿，收縮模板。見圖4。

圖3 導(dǎo)軌-模板體系實(shí)物

圖4 導(dǎo)軌-模板體系拆模示意

4 導(dǎo)軌-導(dǎo)槽模板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

4.1 制約導(dǎo)軌-模板安裝精度的因素

安裝精度的總要求是：導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)各部分的形狀、尺寸、內(nèi)部空間和相對位置滿足設(shè)計(jì)要求，浮式系船柱能夠隨著水面升降而自由上浮下降，行程不卡阻。制約導(dǎo)軌-模板安裝精度的因素主要有3個方面：1)導(dǎo)軌-模板體系的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性；2)導(dǎo)軌-模板的模數(shù)要求；3)導(dǎo)軌-模板體系標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，能否達(dá)到裝拆方便、多次周轉(zhuǎn)的目的。

4.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)浮式系船柱導(dǎo)軌一次澆筑支撐定位方案，混凝土澆筑施工時制約一次導(dǎo)軌安裝精度的主要外部荷載包括：施工時人員及設(shè)備荷載、混凝土澆筑施工時的振搗震動、新澆筑混凝土施工的側(cè)壓力等。

4.2.1建模

混凝土澆筑過程中，最不利工況為不對稱卸料時吊罐碰撞、振搗棒振激、工作平臺上人員和設(shè)備荷載均集中在導(dǎo)軌-模板體系的一側(cè)，驗(yàn)算主要考慮如下荷載：

1)混凝土澆筑施工時振搗對導(dǎo)軌-模板體系產(chǎn)生震動荷載，對于垂直安裝的導(dǎo)軌，震動荷載采用4 kN/m2，按照每倉混凝土澆筑高度3 m計(jì)算。

2)新澆筑混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力，按公式(1)[11]進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中：F為新澆筑混凝土對模板的最大側(cè)壓力(kN/m2)；ρc為混凝土的密度(t/m3)；t0為新澆混凝土的初凝時間(h)，按實(shí)測確定，當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時可采用t0=200/(T+15)計(jì)算，T為混凝土的溫度(℃)；β1為外加劑影響修正系數(shù)，不摻外加劑時取1.0，摻具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30 mm時，取0.85，坍落度為50～90 mm時，取1.00，坍落度為110～150 mm時，取1.15；v為混凝土澆筑高度(厚度)與澆筑時間的比值，即澆筑速度(m/h)；H為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度(m)，計(jì)算可得F=23.53 kN/m2。

3)考慮到實(shí)際采用容量為2 m3的吊罐入倉方式，混凝土澆筑施工卸料產(chǎn)生的水平?jīng)_擊荷載取8 kN/m2。

4)施工人員及設(shè)備產(chǎn)生的影響取2 kN/m2。

模板系統(tǒng)受力主要由可變荷載混凝土側(cè)壓力控制，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[12]第3.2.3節(jié)可知，由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中：γGj為第j個永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)；γQi為第i個可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，其中γQ1為主導(dǎo)可變荷載Ql的分項(xiàng)系數(shù)；γLi為第i個可變荷載考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)，其中γL1為主導(dǎo)可變荷載Ql考慮設(shè)計(jì)使用年限的調(diào)整系數(shù)；SGjk為按第j個永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gfk計(jì)算的荷載效應(yīng)值；SQik為按第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik計(jì)算的荷載效應(yīng)值，其中SQ1k為諸可變荷載效應(yīng)中起控制作用者；Ψci為第i個可變荷載Qi的組合值系數(shù)；m為參與組合的永久荷載數(shù)；n為參與組合的可變荷載數(shù)。取活載安全系數(shù)1.4、恒載安全系數(shù)1.2，則作用于模板表面的側(cè)壓力設(shè)計(jì)值為F=47.8 kN/m2。

根據(jù)浮式系船柱結(jié)構(gòu)尺寸，利用有限元軟件建立三維模型[13-14]，見圖5。結(jié)構(gòu)以3處豎向大背肋下口為固定支點(diǎn)(懸臂支架連接處)，混凝土施工荷載施加于模板板面，簡化后結(jié)構(gòu)見圖6。為方便計(jì)算、增大安全系數(shù)，不考慮鋼筋及軌道對模板結(jié)構(gòu)的加固作用。建模中，鋼材主要材料力學(xué)特性為：材料材質(zhì)Q235，抗拉、壓、彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215 MPa，彈性模量206 GPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=125 MPa。邊界條件：在3個[18肩背肋上對拉孔及下銷軸孔限制位移，中間的2個撐桿孔設(shè)置限制位移，模板邊框孔限制位移。

圖5 模板支撐系統(tǒng)三維模型

圖6 模板支撐系統(tǒng)三維簡化模型

荷載布置：由于三維建模影響，沒有按梯形力加載，偏于安全考慮全部按最大側(cè)壓力47.8 kN/m2垂直加載于模板面板上。

4.2.2有限元結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元結(jié)構(gòu)分析計(jì)算得出最大荷載時的變形量為3.659 mm，見圖7，≤L/400(=7.875 mm，L為單節(jié)導(dǎo)軌-模板體系的長度，3 150 mm)，滿足要求。施工最大荷載時對應(yīng)的應(yīng)力為181.847 MPa(≤215 MPa)，滿足要求，見圖8。

圖7 最大荷載時的變形量

圖8 等效應(yīng)力

模擬所得變形值與實(shí)測變形趨勢大致一致，模板接縫及導(dǎo)槽處結(jié)構(gòu)模擬應(yīng)力值較大，符合實(shí)際施工狀態(tài)，可知該有限元模型具有良好的適用性。模板系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)施工模擬分析時的結(jié)構(gòu)總應(yīng)力值、變形量滿足要求，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度都能滿足規(guī)范及施工要求。

5 工程實(shí)例

湘祁二線船閘于2020年2月開始浮式系船柱混凝土澆筑施工，至10月澆筑完成。根據(jù)現(xiàn)場施工情況來看，一次澆筑的浮式系船柱導(dǎo)槽色澤均勻、整體性較好，但二次澆筑有較為明顯的色差和豎向施工縫，見圖9?？傮w來看一次澆筑工藝混凝土質(zhì)量及美觀性都顯著提高。

圖9 浮式系船柱導(dǎo)軌導(dǎo)槽混凝土外觀

經(jīng)檢測，浮式系船柱導(dǎo)槽二次施工改一次澆筑有以下幾方面優(yōu)勢：

1)安裝精度滿足規(guī)范[15]要求。經(jīng)檢測，導(dǎo)軌垂直度、導(dǎo)槽凈孔尺寸等各項(xiàng)指標(biāo)合格，檢測結(jié)果見表1。一次安裝加固不需拉結(jié)筋，墻面無孔洞，亦無需單獨(dú)修補(bǔ)，避免了修補(bǔ)砂漿與原混凝土澆筑施工色差的問題，同時也不存在二次混凝土澆筑的施工縫，整體效果好。

表1 浮式系船柱導(dǎo)槽及導(dǎo)軌安裝檢測結(jié)果

2)施工效率顯著提高。一次澆筑減少二次混凝土施工的前期鑿毛、清理及后期孔洞修補(bǔ)等工序，加快施工進(jìn)度。

3)有效降低施工成本。工序減少，進(jìn)而減少人工、機(jī)械設(shè)備及原材料的投入，縮短了工期。經(jīng)測算，采用一次澆筑浮式系船柱槽后每個柱槽降低工程成本約3.77萬元，見表2。湘江Ⅲ級航道4個船閘共計(jì)64個浮式系船柱，采用一次澆筑代替二次澆筑工藝可節(jié)省較多的工程費(fèi)用支出，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表2 浮式系船柱槽一次澆筑效益對比

4)施工安全性顯著增加。采用一次澆筑工藝，無需在狹小空間內(nèi)搭設(shè)高支架、加固模板等，提高了施工的安全性。

綜合比較結(jié)果：相對二次澆筑工藝，一次澆筑浮式系船柱槽極大提高了浮式系船柱槽混凝土澆筑質(zhì)量、加快了施工效率、有效降低了施工成本、增加了施工的安全性。

6 結(jié)語

1)通過分析安裝精度影響因素及有限元模擬，驗(yàn)證了模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力學(xué)性能滿足規(guī)范及施工要求、模型計(jì)算值與實(shí)測值相關(guān)性較好、導(dǎo)軌-模板體系變形形態(tài)以及計(jì)算誤差非常小。

2)根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有限元分析及實(shí)測結(jié)果，驗(yàn)證了船閘工程浮式系船柱槽二次澆筑工藝改為一次澆筑工藝導(dǎo)軌-模板體系設(shè)計(jì)的合理性，同時驗(yàn)證其模板結(jié)構(gòu)力學(xué)性能滿足實(shí)際施工要求。

3)船閘工程浮式系船柱槽一次澆筑導(dǎo)軌-模板體系可有效解決支撐定位、模板拆卸周轉(zhuǎn)等施工問題，滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范及施工等要求，對指導(dǎo)、優(yōu)化施工具有重要意義。