向家壩水電站升船機船廂室段EL393.0m縱橫梁施工方案比選

楊發(fā)建 貴州黔水工程監(jiān)理有限責任公司

1.項目概述

向家壩水電站升船機船廂室段由筒體結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)、頂部機房、船廂結(jié)構(gòu)及其設(shè)備、平衡重系統(tǒng)、電氣控制設(shè)備等組成。承重筒體分為左上、左下、右上和右下共4個，EL382以下為獨立結(jié)構(gòu)，EL382～EL393設(shè)計了交通橋、縱梁、箱型梁、繩輪梁和橫梁等現(xiàn)澆聯(lián)系結(jié)構(gòu)，將四個筒體連接成整體，EL393.0m以上為頂部機房結(jié)構(gòu)。

1.1 結(jié)構(gòu)分塊

EL393縱橫梁分上、中、下塊共三塊施工，按照先上、下塊，然后中塊的總體程序施工，其中上、下塊施工順序為先左、右側(cè)筒體、然后橫梁，中塊施工順序為先交通橋、然后箱型梁、最后為橫梁（如圖1、圖2所示）。

圖1 上、下塊橫梁部位分層示意圖

圖2 中塊橫梁部位分層示意圖

1.2 工期安排

依據(jù)向家壩升船機船廂室段總體施工進度安排，縱橫梁施工計劃工期為2013年8月至2014年1月共6個月。

1.3 施工設(shè)備布置

根據(jù)升船機標段施工設(shè)備總體規(guī)劃，船廂室段共規(guī)劃布置6臺起吊設(shè)備，分別為3臺C7050建塔、1臺K80塔機、1臺M900塔機和1臺MQ900門機；4臺澆筑設(shè)備分別為2臺HGY32布料桿和2臺HGY38布料桿。其中1#C7050建塔、2#K80建塔固定式布置在船廂室左上筒體、左下筒體EL296m交通通道上，最大起吊重量15t；3#、4#C7050建塔固定式布置在船廂室右上筒體、右下筒體EL296m人行通道外側(cè)，最大起吊重量分別是15t和32t。

2.重難點分析

縱橫梁系跨度大、高度高，結(jié)構(gòu)荷載重。對支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求高。船廂室段EL393.0m橫梁、次梁及平臺均為現(xiàn)澆混凝土，梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工荷載大，設(shè)計安全可靠的支撐結(jié)構(gòu)體系是需重點研究解決的問題。

EL393.0m縱橫梁結(jié)構(gòu)施工程序復(fù)雜。按照設(shè)計圖紙要求，上、下塊橫梁與左側(cè)筒體間設(shè)計預(yù)留有1m后澆帶寬槽，要求后澆帶在左右兩側(cè)筒體變形基本穩(wěn)定后、氣溫穩(wěn)定在17.5℃左右時及時進行回填施工。為保證EL393.0m平臺縱橫梁結(jié)構(gòu)的整體性，各縱梁、橫梁和次梁結(jié)構(gòu)按照要求必須一次澆筑完成。

縱橫梁及現(xiàn)澆頂板施工難度大。EL 393 m 縱橫梁頂部設(shè)計為30cm厚現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且跨度大。

3.施工方案比選

升船機EL393縱橫梁及頂部板面設(shè)計均為現(xiàn)澆混凝土，跨越各個筒體間的橫梁結(jié)構(gòu)體系跨度大、鋼筋及混凝土結(jié)構(gòu)荷載重，施工大部分為懸空及臨邊高空作業(yè)，安全風險極大。結(jié)合及參照三峽升船機船廂室段縱橫梁的施工經(jīng)驗，主要對擬采用的貝雷架支撐、預(yù)制梁支撐、疊合梁支撐和鋼桁架支撐施工方案進行比選研究。

3.1 結(jié)構(gòu)可行性

3.1.1 貝雷架支撐

貝雷架支撐施工方案主要考慮采取在塔柱筒體墻面上預(yù)埋貝雷架支座埋件，支座與埋件連接安裝形成貝雷架支座，貝雷架支撐在支座上，貝雷架上部搭設(shè)鋼管支撐排架及橫梁模板，上部施工的各類荷載通過貝雷架傳遞到支座，從而形成良好的結(jié)構(gòu)支撐體系。該方案結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，三峽升船機船廂室段EL196m縱橫梁采用貝雷架支撐方案。

3.1.2 預(yù)制梁支撐

預(yù)制梁支撐方案在施工場地以外進行預(yù)制梁結(jié)構(gòu)的預(yù)制，預(yù)制結(jié)構(gòu)施工完成后用大型運輸機具運輸至施工現(xiàn)場，用吊運設(shè)備吊裝到各個部位。預(yù)制梁支撐相對于獨立的橫梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，但整體結(jié)構(gòu)性較差。按橫梁最大凈尺寸為13×1×2.5（跨度×寬度×高度），換算為起吊重量約81.3t，升船機船廂室段布置的建筑塔吊兩臺最大共同抬吊起吊能力僅為32t，因施工現(xiàn)場建筑塔吊滿足不了吊裝要求，該方案無實施的條件。

3.1.3 疊合梁支撐

疊合梁支撐方案主要為將橫梁分為二層澆筑施工，梁體下部結(jié)構(gòu)的第一層在場外進行預(yù)制后，采用現(xiàn)場起吊設(shè)備進行安裝就位，上部第二層梁體采用現(xiàn)場備倉澆筑的方式。該支撐方案對橫梁整體荷載進行了拆分，解決了現(xiàn)場僅有的吊裝設(shè)備性能參數(shù)不能滿足吊裝需要的問題。因縱橫梁跨度大、寬度1m，在2臺建筑塔吊起吊能力（16t）范圍內(nèi)確定的預(yù)制梁體厚度僅為0.4m左右。經(jīng)初步計算，0.4m厚的預(yù)制梁體結(jié)構(gòu)不能滿足安全穩(wěn)定性要求，且梁分2層施工，結(jié)構(gòu)整體性差，不能滿足設(shè)計要求，所以該方案也無法實施。

3.1.4 鋼桁架支撐

鋼桁架施工方案即在橫梁底部或兩側(cè)安裝鋼桁架，兩端通過鋼支座固定在筒體混凝土壁面上，在鋼桁架上安裝防護平臺和梁底及梁側(cè)模板，橫梁和次梁一次澆筑成型，混凝土荷載通過鋼桁架傳梯至支座，然后由船箱室筒體承載，該施工方案的關(guān)鍵是支撐體系及支座系統(tǒng)設(shè)計。頂部現(xiàn)澆板采用先鋪設(shè)預(yù)制板、然后澆筑現(xiàn)澆板的方式施工，預(yù)制板架設(shè)在橫梁上。鋼桁架施工方案程序為：塔柱混凝土澆筑至梁底口→梁牛腿施工→鋼牛腿安裝、橫梁鋼桁架安裝→安全防護平臺安裝→次梁鋼桁架安裝→梁底模安裝、鋼筋綁扎→梁側(cè)模安裝→梁體混凝土澆筑→鋼桁架拆除。

鋼桁架設(shè)計為實腹式梯型結(jié)構(gòu)，所用的槽鋼或鋼板材質(zhì)均為Q235碳素鋼。上、下弦桿設(shè)計為雙槽鋼結(jié)構(gòu)，腹桿、豎桿設(shè)計為雙槽鋼或雙角鋼結(jié)構(gòu)，節(jié)點板設(shè)計為鋼板，各個節(jié)點的連接部位均采用焊接方式連接，經(jīng)施工單位委托的第三方采用節(jié)點法和有限元法兩種方法分別進行計算，桁架受壓的荷載強度、鋼度和穩(wěn)定性均能滿足設(shè)計要求，最大變形量為3cm左右。該方案結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好（如圖3所示）。

圖3 橫梁1#鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3.2 經(jīng)濟性分析

3.2.1 預(yù)制梁支撐

EL393m縱橫梁混凝土工程量約4500m，每m單價約800元。如采用預(yù)制梁施工方案，需在廠內(nèi)提前進行縱橫梁預(yù)制，經(jīng)過初步測算，預(yù)制梁場內(nèi)預(yù)制完成后運輸至工地現(xiàn)場，加上吊裝費用，預(yù)制件比施工現(xiàn)場現(xiàn)澆筑混凝土造價高出至少一倍以上，成本造價約360萬元。

3.2.2 疊合梁支撐

疊合梁施工方案中下部預(yù)制梁體的主要作用是替代下部支撐模板，如采用疊合梁施工方案，經(jīng)過計算，需提前預(yù)制0.4m厚的梁體結(jié)構(gòu)約600m，成本造價約50萬元，施工成本最低。

3.2.3 貝雷架支撐

初步計算向家壩升船機EL393m縱橫梁貝雷架使用量約需1200T以上，按市場價格每T約8000元計，貝雷架施工造價約960萬元，加上安裝、拆除及運輸?shù)馁M用，總費用已超過1000萬元，經(jīng)過分析，該方案經(jīng)濟性較差，施工成本最高。

3.2.4 鋼桁架支撐

初步計算向家壩升船機EL 393 m 縱橫梁鋼桁架用鋼量約520T，制造、加工及安裝費用約500萬元。相比較預(yù)制梁施工方案，該方案施工費用增加約140萬元。相比較貝雷架支撐施工方案，該方案可節(jié)約施工費用約500萬元。

經(jīng)過經(jīng)濟成本分析，疊合梁施工方案最為經(jīng)濟，預(yù)制梁施工方案和鋼桁架施工方案次之，貝雷架支撐施工方案施工成本最高。

3.3 安全風險性

3.3.1 預(yù)制梁支撐

按橫梁最大凈尺寸為13＊1＊2.5（長＊寬＊高），換算起吊重量約為81.3t，起吊重量大，起吊高度高，安全風險極大，不適合升船機部位的施工。

3.3.2 疊合梁施工方案

該方案能解決橫梁整體預(yù)制吊裝方案梁體總量大、現(xiàn)有起重手段無法起吊的問題；但因縱橫梁跨度大、寬度1m，在2臺建筑塔吊抬吊能力（16t）范圍內(nèi)確定的預(yù)制梁體厚度僅為0.4m左右。經(jīng)初步計算，0.4m厚的預(yù)制梁體結(jié)構(gòu)不能滿足安全穩(wěn)定性要求。該方案為高空吊裝作業(yè)及高空預(yù)制件的安裝及加固，安全風險高，不可控的因素較多，所以該方案無法實施。

3.3.3 貝雷架支撐

經(jīng)統(tǒng)計計算，三峽升船機EL 196 m 縱橫梁貝雷架使用量約1900T，根據(jù)三峽升船機使用貝雷架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，向家壩升船機EL393m縱橫梁貝雷架使用量約需1200T以上，工程量巨大。

貝雷架支撐體系方案必須委托有專業(yè)資質(zhì)的第三方進行設(shè)計，支座安裝和拆除工程量大，架體為拼裝式構(gòu)件，拼裝節(jié)點多，拼裝和拆除過程繁瑣，施工程序復(fù)雜，且貝雷架及均為高空作業(yè)，且與底部施工相互干擾，安全風險高，管控難度非常大。

3.3.4 鋼桁架支撐

每榀鋼桁架在安裝施工前已焊接成為一個整體，且一根橫梁施工只需要兩榀鋼桁架，所以安裝拆除的工程量少，安裝快速。各橫梁鋼桁架安裝完成后，在鋼桁架之間搭設(shè)有安全防護的平臺，橫梁的上部施工與航槽底部形成了相對隔開的封閉環(huán)境，解決了橫梁上部與船廂室底部施工的干擾和安全問題。但鋼桁架安裝、拆除及安全防護平臺安裝過程中安全管控難度較大，安全風險較高。

3.4 施工工期分析

3.4.1 預(yù)制梁支撐

該方案梁預(yù)制施工過程不占直線工期，可加快施工進度，在設(shè)計結(jié)構(gòu)整體性不高的部位可推薦采用，該方案在施工工期方面占有較大優(yōu)勢。

3.4.2 疊合梁支撐

疊合梁施工時梁體第一層進行預(yù)制，該預(yù)制施工過程不占直線工期，但梁體吊裝就位、加固約需0.5個月時間，縱橫梁模板及鋼筋安裝約1個月，混凝土澆筑及養(yǎng)護期約1個月，第二層縫面處理、鋼筋、模板安裝、混凝土澆筑約1個月，混凝土拆模、外觀面修補約0.5個月，該工期能滿足施工要求。

3.4.3 貝雷架支撐

根據(jù)三峽工程中升船機船廂室段貝雷架的施工經(jīng)驗，貝雷架安裝工期約2個月，貝雷架上部排架搭設(shè)約0.5個月，縱橫梁、樓板鋼筋、結(jié)構(gòu)混凝土施工約1.5個月，混凝土養(yǎng)護期及混凝土外觀缺陷處理約1個月，模板及排架拆除約0.5個月，貝雷架拆除約2.5個月，共計約8個月，施工工期較長，根據(jù)向家壩升船機船廂室段總的施工計劃安排，該工期不能滿足施工要求。

3.4.4 鋼桁架支撐

施工速度快。鋼桁架、預(yù)制板以及安全防護平臺預(yù)先在場外加工成型，不占直線工期，利用現(xiàn)場的C7050建筑塔機和K80建筑塔機吊裝就位，單榀鋼桁架重量約5t左右，滿足吊裝要求且吊裝速度快，鋼桁架之間都為鋼結(jié)構(gòu)，加固處理時間也大大縮短。經(jīng)分析主要施工時間有：鋼桁架吊裝及加固約需0.5個月，縱橫梁模板及鋼筋安裝約1個月，混凝土澆筑及養(yǎng)護期約1個月，第二層縫面處理、鋼筋、模板安裝、混凝土澆筑約1個月，混凝土拆模、外觀面修補約0.5個月，拆除鋼桁架約0.5個月，共計約4.5個月。根據(jù)向家壩升船機船廂室段總的施工計劃安排，該工期能滿足施工要求。

4.結(jié)語

根據(jù)向家壩升船機實際施工情況，經(jīng)過綜合研究對比分析，鋼桁架施工方案是最優(yōu)的施工方案。該方案經(jīng)向家壩升船機建設(shè)單位組織召開的施工方案審查會審查，最終被確定為向家壩升船機船廂室EL393縱橫梁的施工方案。