跨運(yùn)河桁架式梁拱組合體系鋼-混凝土渡槽伸縮裝置創(chuàng)新研究

張福強(qiáng)

（中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300）

0 引言

引江濟(jì)淮淠河總干渠項(xiàng)目渡槽采用鋼結(jié)構(gòu)桁架式梁拱組合結(jié)構(gòu)，主跨110m，是目前世界上跨度最大的鋼渡槽。國(guó)內(nèi)渡槽多為混凝土渡槽，其伸縮量受水位變化、溫度升降影響，但由于混凝土材料溫度性能好，其伸縮量一般較小[1-3]，對(duì)伸縮裝置要求不高。由于鋼材的溫度性能差，在溫度和水位變化下，鋼材的熱脹冷縮變化大[4-5]，普通的伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)于鋼結(jié)構(gòu)渡槽內(nèi)，因無(wú)法適應(yīng)鋼材的形態(tài)變化導(dǎo)致渡槽出現(xiàn)縫隙，造成滲水的問(wèn)題。另外，鋼渡槽與混凝土渡槽間隔設(shè)置的設(shè)計(jì)使兩者間形成伸縮裝置，而分縫的部位通常是水工結(jié)構(gòu)防滲的薄弱環(huán)節(jié)[6-7]。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文從裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)室水密試驗(yàn)、施工、充排水試驗(yàn)開(kāi)展研究，協(xié)調(diào)鋼-混凝土變形不同步問(wèn)題，在控制滲漏的同時(shí)滿足鋼結(jié)構(gòu)的大變位要求，同時(shí)評(píng)價(jià)該裝置的水密性能。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于江淮溝通段江淮分水嶺北側(cè)，為淠河總干渠渡槽段，地處合肥市蜀山區(qū)和肥西縣境內(nèi)。起止樁號(hào)46+000～48+000，總長(zhǎng)2.0km。河道設(shè)計(jì)輸水流量290m3/s，最高通航水位23.86m，最低通航水位17.40m，設(shè)計(jì)百年一遇防洪水位25.53m。淠河總干渠渡槽是引江濟(jì)淮工程中的控制性節(jié)點(diǎn)工程，與引江濟(jì)淮渠道立體交叉。渡槽分左右兩幅，單幅凈寬16m，總長(zhǎng)350m，分為進(jìn)口段（52m）、跨主河渠槽身段（246m）、出口段（52m）三部分，其中進(jìn)、出口段槽身為混凝土渡槽，跨主河渠槽身段為鋼渡槽，總用鋼量達(dá)到2.1 萬(wàn)t，是國(guó)內(nèi)首座鋼結(jié)構(gòu)通航渡槽。淠河總干渠渡槽中的鋼-混凝土渡槽之間伸縮裝置為U 型結(jié)構(gòu)，寬60cm，槽內(nèi)水深5.05m。

2 止水伸縮裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)及原理

引江濟(jì)淮工程淠河總干渠渡槽是大型渡槽，其槽身跨度、過(guò)水流量、水深及水荷載均較大。在動(dòng)水荷載情況下渡槽伸縮裝置的結(jié)構(gòu)性能直接影響渡槽安全運(yùn)行，同時(shí)伸縮裝置的滲漏將造成灌溉水資源的驚人浪費(fèi)。因此，設(shè)計(jì)出水密封效果良好的伸縮裝置對(duì)淠河總干渠渡槽的運(yùn)行十分重要。

針對(duì)本項(xiàng)目的大水深水下大位移伸縮裝置，在支撐條上方安置波紋型止水橡膠帶，水體重量和壓強(qiáng)通過(guò)止水橡膠帶轉(zhuǎn)移到支撐條上。當(dāng)伸縮裝置有縱向位移時(shí)，支撐條在滑移盒里面運(yùn)動(dòng)，止水橡膠帶本身發(fā)生形變，通過(guò)兩者共同作用實(shí)現(xiàn)縱向位移。同樣的原理，橫向位移和豎向變形分別通過(guò)波紋型止水橡膠帶的橫向和切向應(yīng)變實(shí)現(xiàn)。該水下伸縮裝置止水系統(tǒng)具有更加優(yōu)異的水密性和可靠性，伸縮裝置可在整個(gè)橋梁壽命周期內(nèi)不發(fā)生滲漏和腐蝕。

2.2 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

（1）槽身跨度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，渡槽可能產(chǎn)生較大縱向及橫向位移；縱向最大變形±175mm，橫向變形±15mm，豎向變形±15mm，允許側(cè)向扭轉(zhuǎn)以適應(yīng)鋼梁和混凝土梁；（2）渡槽為U 型布置，彎曲段伸縮裝置受水壓力荷載影響作用的應(yīng)力應(yīng)變情況與平直段的伸縮裝置并不相同；（3）渡槽過(guò)水流量、水深及水荷載均較大，水壓力引起的伸縮裝置形變可能直接影響止水的水封性能，需滿足豎向滿槽水深的水壓力以及渡槽內(nèi)部檢修車輛的局部荷載；（4）伸縮裝置各部件安裝工藝的不同可能影響伸縮裝置止水的水封性能；（5）耐久性不小于20 年，防腐、耐老化性能好，且可更換，方便養(yǎng)護(hù)。適用溫度-25℃～60℃。

2.3 結(jié)構(gòu)性能及特點(diǎn)

（1）通過(guò)上蓋板、波型橡膠止水帶、止水帶壓板和托板、支撐滑移條、支撐條滑移盒等復(fù)合結(jié)構(gòu)，提升伸縮裝置的縱向移位功能，在滿足大位移需求的同時(shí)確保裝置的止水、水密性能；（2）通過(guò)上蓋板隔離方式，防止泥砂等垃圾堆積而影響裝置的伸縮功能，并提升止水帶受壓變形性能；（3）優(yōu)化裝置的材料和防腐方案，提升裝置的水下防腐性能；（4）伸縮裝置安裝部位為鋼梁與混凝土梁對(duì)接結(jié)構(gòu)，優(yōu)化伸縮裝置的安裝、錨固方案，提升裝置的可靠性和水密性能。

3 止水伸縮裝置試驗(yàn)室水密試驗(yàn)

止水裝置在應(yīng)用于實(shí)際工程之前，必須進(jìn)行嚴(yán)格的水密性能、防滲性能和變位性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證裝置的設(shè)計(jì)合理性。試驗(yàn)過(guò)程中的水位高低由設(shè)計(jì)最大水深5.05m 確定。裝置如圖1 所示。

圖1 止水伸縮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 水密性能試驗(yàn)

（1）將伸縮裝置安裝在試驗(yàn)裝置上，并恢復(fù)零位；（2）為確保試驗(yàn)裝置處于水平位置，需要向裝置內(nèi)充0.9m 深清水，淹沒(méi)伸縮縫；（3）靜置1h，觀察伸縮縫橡膠止水帶與壓板、齒板接觸處是否有水滲出。

3.2 防滲性能試驗(yàn)

（1）在水密試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，安裝試驗(yàn)裝置封條1、封板2、箱蓋，擰緊螺栓；（2）施加水壓，水柱高低從1m 開(kāi)始，每隔10min 以0.5m 的間隔逐級(jí)加大，直至水深5.05m；（3）每級(jí)均保壓靜置1h，觀察伸縮縫橡膠止水帶與壓板、齒板接觸處是否有水滲出。

3.3 變位性能試驗(yàn)

（1）在防滲試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，拆下蓋板和密封條1、密封條2 及兩側(cè)平壓板，彎板；（2）通過(guò)扳手轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)右箱沿止水伸縮縫縱向移動(dòng)+175mm、橫向移動(dòng)+15mm、豎向移動(dòng)+15mm 保持1h；（3）觀察伸縮縫橡膠止水帶與壓板、齒板接觸處是否有水滲出；（4）通過(guò)扳手轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)右箱沿止水伸縮縫縱向移動(dòng)-175mm、橫向移動(dòng)-15mm、豎向移動(dòng)-15mm，保持1h；（5）觀察伸縮縫橡膠止水帶與壓板、齒板接觸處是否有水滲出；（6）重復(fù)循環(huán)步驟（2）～（5），3 次。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

3.4.1 水密性能試驗(yàn)結(jié)論

在試驗(yàn)伸縮縫裝置內(nèi)充滿0.9m 清水靜置1h 后，伸縮縫橡膠止水帶與壓板、齒板接觸處等各部位均未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，滿足水密性要求。

3.4.2 防滲性能試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)伸縮縫裝置上部安裝好密封蓋板后，給裝置內(nèi)注水進(jìn)行加壓試驗(yàn)。

水位在1.0m、1.5m、2.0m、2.5m 和3.0m 期間，裝置的密封性能良好，未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

水位在3.5m 和4.0m 時(shí)，裝置兩側(cè)止水帶壓板處均出現(xiàn)2 處局部的滲漏，2～3s 時(shí)間滲漏1 滴水，其他部位未出現(xiàn)滲漏。將試驗(yàn)裝置的滲漏處拆開(kāi)對(duì)安裝平面進(jìn)行了打磨處理，重新安裝后再次進(jìn)行加壓試驗(yàn)，未再出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

水位在4.5m 和5.05m 時(shí)，裝置的密封性能均良好，未再現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

3.4.3 變位性能試驗(yàn)結(jié)論

分別對(duì)試驗(yàn)伸縮縫裝置的一側(cè)進(jìn)行-175mm 和+175mm 的水平位移，在位移后再次進(jìn)行注水加壓試驗(yàn)，水壓為5.05m，裝置的密封性能均良好，未再出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

4 止水伸縮裝置施工技術(shù)

（1）該止水伸縮裝置為U 型，每個(gè)安裝單元根據(jù)渡槽結(jié)構(gòu)大小靈活設(shè)置，一般1m 為宜，縫寬30cm ≤a ≤60cm，在鋼槽側(cè)焊接支撐板，同步清理混凝土槽側(cè)槽口，將L 型螺栓與預(yù)埋U 形鋼筋焊接。

（2）將支撐伸縮條與支撐伸縮條焊接骨架鋼板以每個(gè)安裝單元為單位提前焊接，同步插入變寬支撐條滑移盒，底板處只伸縮不變寬，側(cè)壁考慮外傾變寬，鋼槽側(cè)支撐伸縮條焊接骨架鋼板與支撐板焊接，混凝土槽側(cè)將支撐條滑移盒臨時(shí)固定到L 型螺栓，檢測(cè)安裝平整度，控制在2mm 范圍內(nèi)，澆筑C50 微膨脹鋼纖維細(xì)石混凝土。

（3）鋼槽側(cè)使用全螺紋六角頭螺栓安裝止水帶下托板，混凝土槽側(cè)將下托板插到已安裝完成的L型螺栓上，并通過(guò)螺母緊固。

（4）在支撐伸縮條上畫線擺放不銹鋼支撐筋和支撐海綿，在止水帶安裝底板和下托板的凹槽內(nèi)安裝遇水膨脹橡膠條。

（5）安裝全斷面橡膠止水帶，止水帶壓板通過(guò)螺紋連接將橡膠止水帶緊緊壓住，形成閉水條件。

（6）澆筑環(huán)氧樹(shù)脂混凝土，其中鋼槽側(cè)提前貼遇水膨脹橡膠條作為密封條。

（7）在C50 微膨脹鋼纖維細(xì)石混凝土和環(huán)氧樹(shù)脂混凝土交界面不小于2cm 寬的凹槽，并深入細(xì)石混凝土中2cm，將凹槽洗凈注入聚硫密封膠。

（8）磨平環(huán)氧樹(shù)脂混凝土，將聚四氟乙烯滑板按單元粘貼在不銹鋼蓋板上，裝好密封橡膠墊，通過(guò)螺紋連接分單元安裝好上蓋板。

（9）通過(guò)托板將不銹鋼止水帶分別壓靠在鋼槽側(cè)和混凝土槽側(cè)。

5 止水伸縮裝置場(chǎng)內(nèi)充、排水試驗(yàn)

本次充水試驗(yàn)的最高試驗(yàn)水位按設(shè)計(jì)水位47.55m（水深4m）加大10%考慮，經(jīng)計(jì)算確定最高試驗(yàn)水位為47.95m，對(duì)應(yīng)水深為4.4m。按照300 年一遇洪水校核水標(biāo)準(zhǔn)，充水至48.60m，對(duì)應(yīng)渡槽水深為5.05m。詳細(xì)的充排水方案見(jiàn)表1。在充水水位至5.05m 時(shí)達(dá)到最大變化量，最大變化量為2.05mm，遠(yuǎn)未超過(guò)最大變形技術(shù)要求；在5.05m 卸荷以后，伸縮裝置變形具有收斂趨勢(shì)。

充水試驗(yàn)期間，巡查發(fā)現(xiàn)混凝土渡槽滲水共10處，進(jìn)口段7 處、出口段3 處；渡槽排水后，再次對(duì)混凝土渡槽迎水側(cè)進(jìn)行巡視，共發(fā)現(xiàn)混凝土渡槽分縫滲水共9 處，進(jìn)口段8 處、出口段1 處。以上缺陷均為施工質(zhì)量問(wèn)題，可通過(guò)灌漿后封閉進(jìn)行處理，未發(fā)現(xiàn)影響渡槽結(jié)構(gòu)安全的質(zhì)量問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

采用波紋型橡膠止水帶，止水帶兩側(cè)固定在兩側(cè)的渡槽上，橡膠止水帶起密封作用，波紋狀結(jié)構(gòu)能滿足渡槽的伸縮要求。波紋型止水帶下按一定間距設(shè)置了齒條，支撐橡膠止水帶，起承受渠道水壓作用。采用橡膠止水帶的波紋結(jié)構(gòu)解決了渡槽水平方向的位移要求，利用橡膠止水帶可壓縮變形的性能，解決了渡槽上下左右方向的變位要求，同時(shí)兼具過(guò)水密封性的要求。

該結(jié)構(gòu)已在引江濟(jì)淮（安徽段）項(xiàng)目上安裝使用，2021 年5 月1 日淠河總干渠渡槽順利通水，使用效果良好，可為同類渡槽建設(shè)提供參考依據(jù)