多支高墩大型滑模關(guān)鍵技術(shù)計(jì)算方法的應(yīng)用研究

王純高，徐萬富，楊　雄

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第六工程有限公司，云南昆明650206)

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多支高墩大型滑模關(guān)鍵技術(shù)計(jì)算方法的應(yīng)用研究

王純高，徐萬富，楊雄

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第六工程有限公司，云南昆明650206)

摘要：藏木水電站進(jìn)水口攔污柵墩采用大型液壓滑模完成施工，模體一次同滑施工4個(gè)攔污柵墩，為西藏高原水電站工程建設(shè)中的首例。介紹了滑膜提升技術(shù)中重要參數(shù)的選擇，推導(dǎo)計(jì)算了有效壓頭影響系數(shù)，該系數(shù)對(duì)滑模模板高度、受力設(shè)計(jì)以及混凝土澆筑層厚的選擇具有參考作用，混凝土側(cè)壓力取規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值5.0～6.0 kN/m時(shí)對(duì)應(yīng)的有效壓頭影響系數(shù)為0.4～0.5；采用歐拉公式計(jì)算滑膜支撐桿受力時(shí)，相當(dāng)長(zhǎng)度系數(shù)取0.5～0.59。用科學(xué)的計(jì)算方法計(jì)算滑模提升施工中的設(shè)計(jì)參數(shù)，為攔污柵墩的順利施工提供了有力的技術(shù)支撐和保障。

關(guān)鍵詞：多支高墩；大型滑模；關(guān)鍵技術(shù)；計(jì)算方法；藏木水電站

藏木水電站是西藏自治區(qū)最大的水電開發(fā)項(xiàng)目，也是雅魯藏布江干流上規(guī)劃建設(shè)的第一座水電站。電站地處高寒高海拔地區(qū)，廠房壩段壩體前沿3 285～3 314 m高程為攔污柵墩結(jié)構(gòu)，中間設(shè)有16個(gè)攔污柵墩。閘墩為長(zhǎng)條形，墩頭為半圓形，攔污柵墩通過100 cm×100 cm的支撐梁與壩體相連。攔污柵墩長(zhǎng)5.2 m、寬2.5 m，閘墩間距5.3 m，單墩斷面9.7 m2，攔污柵墩設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。攔污柵墩采用整體滑模進(jìn)行連續(xù)施工，16個(gè)攔污柵墩按每4個(gè)墩為1個(gè)工位單元，分4次滑升澆筑，多個(gè)攔污柵墩并列同步滑升，模體結(jié)構(gòu)尺寸大。

基于滑模側(cè)壓力的作用范圍[1- 2]是在H=t0v之內(nèi)的分析，而有效壓頭高度h=α(t0v)，其中，t0為新澆筑混凝土的初凝時(shí)間；v為混凝土澆筑速度；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。藏木水電站工程攔污柵墩滑模技術(shù)通過推導(dǎo)計(jì)算有效壓頭影響系數(shù)α，把側(cè)壓力面荷載和線荷載有機(jī)地聯(lián)系起來。有效壓頭影響系數(shù)的利用對(duì)滑模模板高度、受力設(shè)計(jì)以及混凝土澆筑層厚的選擇具有參考作用。支撐桿受力歐拉公式一般是按理想直桿軸心受壓假設(shè)狀態(tài)推導(dǎo)出來的，其自由長(zhǎng)度修正系數(shù)μ值取決于邊界條件，與實(shí)際滑模支撐桿受力狀態(tài)畢竟存在差異[3- 5]，若要比較準(zhǔn)確地表達(dá)支撐桿的允許承載能力，必須對(duì)原歐拉公式中的相當(dāng)長(zhǎng)度系數(shù)進(jìn)行修正。本文以藏木水電站為例，介紹了滑膜提升技術(shù)中重要參數(shù)的選擇。

1滑模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

藏木水電站工程攔污柵墩滑模設(shè)計(jì)采用液壓整體鋼結(jié)構(gòu)滑升模板，選用單個(gè)提升力為6 t的滑升千斤頂，動(dòng)力裝置為ZYXT- 36型自動(dòng)調(diào)平液壓控制，整個(gè)滑模裝置由模板、圍圈、操作平臺(tái)、液壓提升系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。

1.1模板、圍圈、提升架

攔污柵墩滑模模板采用定型鋼模，面板采用厚5 mm鋼板，加勁肋為-50×5鋼板，同整體框骨架相連焊接固定。模板轉(zhuǎn)角部位的陰陽(yáng)角采用圓角處理，以便于滑升減少滑升阻力。模板高1.2 m，按上口小、下口大5 mm控制錐度，即模板上口小于設(shè)計(jì)尺寸2.5 mm，下口大于設(shè)計(jì)尺寸2.5 mm。整個(gè)滑模鳥瞰面積為212 m2，屬大型滑模。提升架制成“F”形鋼構(gòu)件。千斤頂安裝在提升架頂部，通過爬升桿支撐在混凝土間，將整個(gè)滑升荷重通過提升架、千斤頂傳遞給爬升桿，爬升桿采用φ48×3.5鋼管。全套模體質(zhì)量37.4 t，使用32臺(tái)液壓千斤頂同步滑升。 進(jìn)水口攔污柵墩滑模平面見圖1。

圖1　進(jìn)水口攔污柵墩滑模平面示意(單位：mm)

1.2操作平臺(tái)、輔助平臺(tái)

操作平臺(tái)是承受工作、物料、人員等活荷載的施工平臺(tái)，也是支撐模體的主要構(gòu)件。操作平臺(tái)采用整體框架鋼結(jié)構(gòu)。由于混凝土施工和模板滑升過程中，荷載較大，為保證其剛度和強(qiáng)度，操作平臺(tái)選用∠63×63×6、∠80×80×6角鋼加工制作成復(fù)式框架梁，平臺(tái)上鋪厚3 mm網(wǎng)紋鋼板。

輔助平臺(tái)是進(jìn)行預(yù)埋件處理、混凝土表面整修及養(yǎng)護(hù)的工作平臺(tái)，用φ20 mm圓鋼彎鉤懸掛在桁架梁上，在腳手架管上鋪厚3 mm網(wǎng)紋鋼板或厚5 mm馬道板形成，采用分段鋼木結(jié)構(gòu)懸吊布置，輔助平臺(tái)距混凝土墩壁150 mm。攔污柵墩滑模剖面結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　攔污柵墩滑模剖面結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

1.3液壓系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)

選用的千斤頂單個(gè)承載能力為6 t，按5 t計(jì)算允許承載能力，千斤頂爬升行程30 mm，全部千斤頂共分6組，每組用六通接頭管將千斤頂和ZYXT- 36型調(diào)平液壓控制臺(tái)連接，形成整體液壓系統(tǒng)。主、支管分別選用φ16 mm、φ8 mm的高壓油管。輔助系統(tǒng)主要包括混凝土內(nèi)預(yù)埋件埋設(shè)、控制測(cè)量和養(yǎng)護(hù)等裝置。在輔助平臺(tái)上面對(duì)混凝土表面設(shè)置一圈φ25 mmPVC塑料管進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，PVC塑料管預(yù)先均布鉆孔。

2滑模關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與計(jì)算方法的研究

2.1滑升模板裝置

滑模裝置模體主要由模板、圍圈和提升架組成，全套滑模模板采用固定尺寸的定型鋼模，同整體框骨架相連焊接固定。圍圈主要用來加固變化部位模板，同模板加勁肋焊接固定并和桁架梁上下邊梁焊接，使模板成為一個(gè)整體。滑升滑模模板裝置結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　滑升滑模模板裝置結(jié)構(gòu)示意

2.2模板的制作錐度

為便于提升脫模，模板按一定錐度設(shè)計(jì)，模板的上下口制成具有斜度為0.10%～0.20%高度的標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)混凝土成品尺寸，呈上口小、下口大的錐形。為確保混凝土出模外觀，內(nèi)模錐度適當(dāng)大于外模錐度。內(nèi)模板上口直徑為d+0.10%H，下口直徑為d-0.20%H，外模板上口直徑為D-0.1%H，下口直徑為D+0.15%H，其中，d為內(nèi)模板設(shè)計(jì)直徑；D為外模板設(shè)計(jì)直徑；H為滑升模板的高度。

2.3滑模高度的確定

根據(jù)模板滑升速度計(jì)算公式，按照模板內(nèi)最先澆筑的第1層混凝土達(dá)到出模強(qiáng)度，計(jì)算滑升模板的高度為1.2m。

2.4有效壓頭影響系數(shù)

混凝土對(duì)模板最大側(cè)壓力是滑模設(shè)計(jì)的基本面荷載。混凝土側(cè)壓力計(jì)算分布圖形見圖4。

圖4　混凝土側(cè)壓力計(jì)算分布圖形

最大側(cè)壓力P為

P=γh

(1)

式中，h為計(jì)算高度，即有效壓頭高度；γ為混凝土重力密度。

化簡(jiǎn)可得側(cè)壓力合力作用點(diǎn)的x位置為

(2)

2.5混凝土出模強(qiáng)度

規(guī)范規(guī)定混凝土的出模強(qiáng)度控制在0.2～0.4 MPa，為滿足滑升條件，根據(jù)混凝土強(qiáng)度上升曲線見圖5，混凝土的出模強(qiáng)度能夠達(dá)到0.2 MPa的時(shí)間平均在4 h左右[7]。

圖5　混凝土強(qiáng)度上升與澆筑持續(xù)時(shí)間、溫度的關(guān)系

2.6支承桿相當(dāng)長(zhǎng)度系數(shù)

依據(jù)規(guī)范支承桿的允許承載力可用下式計(jì)算：

(3)

式中，[P]為支承桿的允許承載力；α為工作條件系數(shù)，取0.7～1.0；E為支承桿彈性模量；J為支承桿截面慣性距；K為安全系數(shù)，取值應(yīng)不小于2.0；L為支承桿脫空長(zhǎng)度。

在實(shí)際工程中大多采用[8- 9]

(4)

式中，P為支承桿的允許承載力；E支撐桿彈性模量；I為支撐桿的截面慣性矩；K為安全系數(shù)，取K=2；μ為長(zhǎng)度系數(shù)；μl為計(jì)算長(zhǎng)度。

2.7千斤頂數(shù)量選取

選取能承載可上升和下降是滾珠式升降千斤頂，使滑模滑升不同步的問題從根本上有了改觀。藏木水電站工程滑模系統(tǒng)采用的是松卡式液壓千斤頂。液壓系統(tǒng)所需爬升千斤頂數(shù)量和支撐桿數(shù)量經(jīng)計(jì)算確定選取32組。全套模體自重37.4 t，使用32臺(tái)液壓千斤頂同步滑升，此是藏木水電站滑模施工的亮點(diǎn)之一。單墩千斤頂平面布置見圖6。

圖6　單個(gè)攔污柵墩設(shè)置8個(gè)千斤頂布置示意

2.8滑升動(dòng)力功率計(jì)算

液壓滑模提升系統(tǒng)由動(dòng)力系、荷重系及控制調(diào)整系3大部分組成，其作用原理以液壓泵站為動(dòng)力源、群集千斤頂為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過控制閥門改變液壓油的流向，從而推動(dòng)千斤頂完成滑模滑升。事實(shí)上，千斤頂?shù)捻斏俣萔一般為10～35 mm/min，最大頂升速度應(yīng)不超過 60 mm/min。當(dāng)?shù)弥；龝r(shí)總荷載F(包括滑模結(jié)構(gòu)自重、施工荷載和摩阻力之和)后，可按下式計(jì)算電動(dòng)機(jī)所需功率

(5)

式中，N為電動(dòng)機(jī)功率；F為滑模滑升時(shí)總荷載；V為千斤頂最大同步頂升速度；η1為千斤頂?shù)牡臋C(jī)械效率，一般為0.6～0.8；η2為液壓傳動(dòng)效率0.8～0.85；η3為油泵的效率，一般為0.6～0.8；η4為電動(dòng)機(jī)的效率，取0.8～0.85。

2.9附屬物件聯(lián)接形式

攔污柵墩常預(yù)先埋設(shè)埋件為后期柵槽軌道安裝提供焊接連接支撐。為保證模體滑升時(shí)不受預(yù)埋件阻礙，可采用三種方法設(shè)置預(yù)埋件：彎曲預(yù)埋鋼筋90°，后期再做調(diào)直處理；埋入混凝土內(nèi)插筋預(yù)先安裝套筒，備后期軌道連接筋連接；預(yù)埋鐵板凳，后期與軌道焊接。

攔污柵閘墩預(yù)留梁窩，采用快易收口網(wǎng)施工方法替代傳統(tǒng)木模板，在梁窩內(nèi)預(yù)埋支撐梁鋼筋，獲得了一個(gè)合適的楔接表面，澆筑時(shí)混凝土漿通過快易收口網(wǎng)的孔隙滲出，澆筑完成后快易收口網(wǎng)不予拆除，也不用鑿毛，快易收口網(wǎng)一直嵌在混凝土里；梁窩內(nèi)表呈凹凸波紋狀[10]。由于預(yù)留梁窩的作用，把攔污柵墩支撐梁與攔污柵墩相對(duì)脫開，支撐梁爾后便可采用常規(guī)的現(xiàn)澆方案進(jìn)行施工。

3結(jié)論

藏木水電站工程采用模體尺寸長(zhǎng)28.2 m、寬7.5 m，鳥瞰面積為212 m2，模體一次同滑施工4個(gè)攔污柵墩，電站進(jìn)水口攔污柵墩采用液壓滑模完成施工，創(chuàng)雪域高原水電站工程建設(shè)歷史之最。滑模施工技術(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程理論方法的應(yīng)用，把模板裝置、提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與混凝土的特性有機(jī)地結(jié)合起來，可以保證施工安全。

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(責(zé)任編輯王琪)

Research on the Calculation Methods of Key Technologies for Large Multi-supporting High Pier Slipform

WANG Chungao, XU Wanfu, YANG Xiong

(China Gezhouba Group Sixth Engineering Co., Ltd., Kunming 650206, Yunnan, China)

Abstract:The piers of intake trash rack in Zangmu Hydropower Station are constructed by large hydraulic slipform, and four piers are constructed in one slipform lifting process which is first applied in the construction of hydropower project in Tibet Plateau. The selection of important parameters for slipform is introduced. The effective pressure head impact factor is derived which provide basis for the selection of slipform height, stress and concrete pouring layer height. The effective pressure head impact factor will be 0.4- 0.5 when the lateral pressure of concrete is valued as 5.0- 6.0 kN/m according to Specification. The equivalent length factor will be valued as 0.5- 0.59 when the stress of supporting poles is calculated by using Euler formula. The design parameters calculated by using scientific methods for slipform provide a strong technical supporting for the construction of trash rack piers．

Key Words:multi-supporting high pier; large slip form; key technology; calculation method; Zangmu Hydropower Station

中圖分類號(hào)：TU755.22(275)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0559- 9342(2016)01- 0062- 04

作者簡(jiǎn)介：王純高(1959—)，男，湖北仙桃人，教授級(jí)高工，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)建造師，主要從事金結(jié)機(jī)電工程技術(shù)管理工作．

收稿日期：2015- 09- 05