玻璃鋼管在混凝土澆筑過(guò)程中抗浮實(shí)例

仇中為

(鎮(zhèn)江新華電建設(shè)勞務(wù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

1 工程概況

田灣核電站5、6號(hào)機(jī)組循環(huán)水進(jìn)排水管道結(jié)構(gòu)(GD溝)施工段內(nèi)襯玻璃鋼管道直徑3600mm(主)、2400mm(支)，玻璃鋼管道為圓形，循環(huán)水進(jìn)排水管溝結(jié)構(gòu)為方形。其中C、D、E、G段為上下雙層玻璃鋼管道，每段結(jié)構(gòu)分上下行支管，直徑2200mm。因受場(chǎng)地條件限制，此雙層內(nèi)襯玻璃鋼結(jié)構(gòu)需2次澆筑完畢(斜面分層)，第1次澆筑至-15.950m、第2次澆筑至-12.600m(頂部)(見(jiàn)圖1)。

2 施工難點(diǎn)

1)由于玻璃鋼管道直徑較大，且為全封閉結(jié)構(gòu)，在混凝土澆筑過(guò)程中，玻璃鋼管管道受混凝土浮力較大，玻璃鋼管道固定抗浮固定措施必須另行設(shè)計(jì)。

2)由于2011年部分回填已澆筑，未考慮玻璃鋼管道支架固定問(wèn)題，部分支架下埋件需先植筋后鋼板塞孔焊接。

3)由于一側(cè)回填已施工完畢，玻璃鋼管道下1/3區(qū)域無(wú)法有效振搗，易出現(xiàn)漏振現(xiàn)象，影響混凝土澆筑質(zhì)量

3 技術(shù)措施及計(jì)算

直徑3600mm主管固定支座按圖2布設(shè)，10號(hào)槽鋼口對(duì)口雙拼，槽鋼底部預(yù)埋件布置間距不大于2200mm，預(yù)埋件型號(hào)為ME202010，采用雙鋼帶焊

混凝土側(cè)壓力取小值33.6kN/m2;混凝土有效壓頭高度h=F/γc=1.4m。當(dāng)x＜2.2m時(shí)，P(x)=33.6kN/m2;當(dāng) x＞2.2m 時(shí)，P(x)=86.4-24x。

當(dāng)混凝土澆筑至玻璃鋼管頂(見(jiàn)圖3)，將數(shù)值帶入式(1)得出玻璃鋼管承受浮力為87.87kN/m。玻璃鋼管標(biāo)準(zhǔn)件單位長(zhǎng)度重力G’=ρ’gV，ρ’為玻璃鋼管密度，由廠(chǎng)家提供取2100kg/m3，故單位長(zhǎng)度F2=接，玻璃鋼管與固定支座、鋼帶間墊橡膠板(防止對(duì)玻璃鋼管的破壞)。原2011年回填區(qū)域，采用植筋鋼板塞孔焊接：HRB40直徑14mm鋼筋，6根，基本錨固長(zhǎng)度396mm。

3.1 有效浮力計(jì)算

計(jì)算玻璃鋼管道固定支座的抗浮能力需先計(jì)算出玻璃鋼管道在混凝土澆筑時(shí)的浮力。但混凝土非純液態(tài)，需另行設(shè)計(jì)計(jì)算模型［1］。通過(guò)建立模型微積分求導(dǎo)，得出具有普遍適用性的流態(tài)物質(zhì)對(duì)浸入物體的浮力計(jì)算式：

式中，S(x)為物體的截面積隨深度的變化曲線(xiàn);P(x)為混凝土側(cè)壓力;x為物體浸入深度。

在混凝土澆筑不同階段，玻璃鋼管所受浮力不同，需劃分澆筑階段分析，同時(shí)分別求出積分式及阿基米德定律數(shù)值，相互比較得出最大浮力。

1)微積分法742kg，則玻璃鋼管有效浮力F=80.87kN/m。

當(dāng)混凝土澆筑至管身一半以上1.4m時(shí)(見(jiàn)圖4)，將數(shù)值帶入公式(1)得出玻璃鋼管承受浮93.73kN/m，則玻璃鋼管有效浮力F=86.73kN/m。

當(dāng)混凝土澆筑至管身一半以上0.7m時(shí)(見(jiàn)圖5)，將數(shù)值帶入公式(1)得出玻璃鋼管承受浮力為117.26kN/m，則玻璃鋼管有效浮力F=110.26kN/m。

2)阿基米德定律

阿基米德原理適用于全部或部分浸入靜止流體的物體，但要求物體下表面必須與流體接觸。綜上得出當(dāng)混凝土澆筑至管身一半以上0.7m時(shí)，排出流體體積最大，浮力最大，取管身長(zhǎng) 1m計(jì)算：F=ρgv=117.86kN/m，則玻璃鋼管有效浮力F=110.86kN/m。

根據(jù)2種理論計(jì)算辦法，可知混凝土澆筑至管身一半以上1/2有效壓頭高度時(shí)，圓形玻璃鋼管道產(chǎn)生的有效浮力最大，具有普遍適用性。因此，最不利浮力取值110.86kN/m。

圖1 循環(huán)進(jìn)排水主、支管道布設(shè)示意

圖2 直徑3600mm主管固定支座示意

圖3 混凝土澆筑至玻璃鋼管頂

圖4 混凝土澆筑至管身一半以上1．4m

圖5 混凝土澆筑至管身一半以上0．7m

3.2 玻璃鋼管道支座體系抗浮驗(yàn)算

玻璃鋼管道支座體系構(gòu)成復(fù)雜，各構(gòu)件均對(duì)最終浮力有影響，需分別對(duì)各構(gòu)件單獨(dú)計(jì)算。本計(jì)算附加1.5的安全系數(shù)，以消除各構(gòu)件的組裝偏差。

3.2.1 鋼帶與支架焊接焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算

玻璃鋼管抗浮措施采用雙拼槽鋼支架，2根鋼帶分別與支架焊接收緊玻璃鋼管方式。

單根鋼帶與槽鋼焊接的方式：每條鋼帶兩端均與槽鋼焊接，每端焊縫為，2道豎向焊縫長(zhǎng)300mm，焊腳尺寸6mm;1道水平焊縫長(zhǎng)100mm，焊腳尺寸6mm(水平焊縫不計(jì)入驗(yàn)算)，焊縫均為角焊縫。

根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中側(cè)面角焊縫(作用力平行于焊縫長(zhǎng)度方向)公式7.1.3-2得：N=387.072kN，根據(jù)力學(xué)原理，1根鋼帶焊縫可承受N=774.144kN。

鋼帶布置取槽鋼支架榀間最大間距2.2m，取最不利浮力F為110.86kN/m，取安全系數(shù)為1.5，鋼帶拉力為365.838kN＜774.144kN，故只考慮豎向焊縫，安全系數(shù)取1.5的情況下，1根鋼帶焊縫強(qiáng)度仍滿(mǎn)足抗浮要求，2根鋼帶必定滿(mǎn)足要求，且安全儲(chǔ)備較大。

3.2.2 鋼帶自身強(qiáng)度驗(yàn)算

鋼帶為Q235B材質(zhì)，厚6mm，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》式 3.4.1-1抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值［σ］為215N/mm2，根據(jù) N/A≤［σ］，1根鋼帶可承受 N≤A［σ］=129.00kN。玻璃鋼管所受浮力取安全系數(shù)1.5，F(xiàn)浮約為 365.838kN，每根鋼帶所受拉力為91.46kN＜129.00kN。因此現(xiàn)場(chǎng)采用2根鋼帶抗拉，安全系數(shù)1.5的情況下，拉力符合要求，且安全儲(chǔ)備較大。

3.2.3 立柱與埋件焊縫驗(yàn)算驗(yàn)算

立柱采用10號(hào)雙拼槽鋼與埋件焊接，焊縫尺寸10mm。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中正面角焊縫(作用力垂直于焊縫長(zhǎng)度方向)式7.1.3-1得出1塊埋件焊縫N≤he·lw·βf·ffw=358.4kN。取最不利浮力F為110.86kN，榀間最大間距2.2m，取安全系數(shù)1.5，則1榀承受最大浮力為365.838kN。

每榀3根槽鋼立柱，按極限狀態(tài)考慮：中間立桿不受力，兩側(cè)立桿受拉力。單根槽鋼立柱抗拉拔力［N立柱］=182.919kN＜358.4kN，在安全系數(shù)取1.5的情況下，槽鋼立柱焊縫抗浮滿(mǎn)足要求，且安全儲(chǔ)備較大。

3.2.4 預(yù)埋件植筋抗拉驗(yàn)算

取最不利浮力F為110.86kN，榀間最大間距2.2m，取安全系數(shù)1.5，則1榀承受最大浮力為365.838kN。每榀3根槽鋼立柱，每立柱下埋件含6根錨筋，則單根槽鋼立柱抗拉拔力最小不得小于［N立柱］＞121.946kN，單根植鋼筋抗拉拔力不得小于［N鋼筋］＞20.32kN。

本工程采用HRB400直徑14mm鋼筋，基本錨固長(zhǎng)度lb=afy=396mm。

抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值［N鋼筋］=fy·As=55.4kN＞20.32kN(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抗拉拔試驗(yàn)單根實(shí)測(cè)拉拔力分別為 60.0，63.4，62.1kN)。

實(shí)測(cè)結(jié)果大于計(jì)算結(jié)果原因：①核電C15混凝土強(qiáng)度基本達(dá)C20以上;②2011年澆筑混凝土強(qiáng)度發(fā)育時(shí)間長(zhǎng)。符合實(shí)際情況。

因此，每根立桿下埋件6根直徑14mm鋼筋，安全系數(shù)取1.5的情況下，抗拉拔力仍遠(yuǎn)大于玻璃鋼管浮力要求。

3.3 玻璃鋼管抗壓驗(yàn)算

玻璃鋼管受到混凝土壓力主要體現(xiàn)在混凝土澆筑至管身中間以下時(shí)，混凝土對(duì)管身的浮力，及混凝土澆筑至管身中間以上時(shí)，混凝土的重力在管身上的壓力。其中混凝土布料時(shí)產(chǎn)生的沖擊偶然荷載也不容忽視。

3.3.1 混凝土澆筑至管身中間以下時(shí)

根據(jù)前文中相關(guān)內(nèi)容，混凝土側(cè)壓力取小值F3=min(F1，F(xiàn)2)=33.6kN/m2;混凝土有效壓頭高度h=F/γc=1.4m。

據(jù)此，玻璃鋼管中下部分受到混凝土側(cè)壓力為33.6kN/m2＜70.0kN/m2(根據(jù)廠(chǎng)家資料《鋼筋混凝土增強(qiáng)回填》SN5000無(wú)內(nèi)部支撐時(shí)的最大灌漿壓力取值)，滿(mǎn)足要求。

3.3.2 混凝土澆筑至管身中間以上時(shí)

混凝土澆筑至管身中間以上時(shí)，隨著混凝土澆筑面的升高，混凝土對(duì)玻璃鋼管的壓力越大。當(dāng)混凝土澆筑至下層玻璃鋼管頂部以上1.4m時(shí)，下層玻璃鋼管頂部壓力達(dá)到最大，此壓力為混凝土壓強(qiáng)G=γcgh=33.6kN/m2＜70.0kN/m2，滿(mǎn)足要求。

3.3.3 偶然沖擊荷載

根據(jù)前文對(duì)玻璃鋼管道剛度、抗彎、擾度的驗(yàn)算內(nèi)容可知：玻璃鋼管無(wú)內(nèi)襯時(shí)，混凝土對(duì)玻璃鋼管側(cè)壓力滿(mǎn)足要求。實(shí)際情況中，混凝土澆筑時(shí)，振動(dòng)棒會(huì)對(duì)玻璃鋼管產(chǎn)生沖擊力，根據(jù)JGJ162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》表4.1.2可知：溜槽、串筒或套管下料時(shí)，沖擊荷載取2kN/m2。本工程玻璃鋼管內(nèi)采用鋼管米字撐抵消混凝土沖擊荷載，米字撐2m一檔。

計(jì)算模型建立：將玻璃鋼管切割展開(kāi)，近似為普通模板壓力計(jì)算。玻璃鋼管作為混凝土模板厚31mm;內(nèi)楞使用 40mm×90mm木方 2個(gè)，間距1.413m;外楞采用鋼管φ48mm×3.5mm按1.413m×2.000m布置(見(jiàn)圖6)。

圖6 玻璃鋼管模型

3.3.4 玻璃鋼管驗(yàn)算

1)剛度驗(yàn)算

取小值 F3=min(F1，F(xiàn)2)=33.6kN/m2，取玻璃鋼管寬4.239m為計(jì)算單元，按3跨連續(xù)梁計(jì)算，跨度1.413mm，作用于模板上的線(xiàn)荷載設(shè)計(jì)值：q=142.43kN/m。

根據(jù)廠(chǎng)家資料《玻璃鋼加筋剛度計(jì)算》：管壁彎曲模量Eb=25056MPa;管壁加筋處彈性模量Er=27000MPa，本計(jì)算取不利模量E=25056MPa。玻璃鋼管廠(chǎng)家許可的管道垂直變形為108mm，最大允許長(zhǎng)期垂直變形(直徑)為195.12mm。廠(chǎng)家許用屈服壓力為1.788×103kN/m2。

2)抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

最大彎矩Mmax=0.1ql12=28.44kN·m;玻璃鋼管道截面模量W=0.32m3;抗彎強(qiáng)度σ=M/W=88.875kN/m2＜玻璃鋼管抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值［fm］=1.788 ×103kN/m2，滿(mǎn)足要求。

3)撓度驗(yàn)算

玻璃鋼管道慣性矩I=0.58m4，最大撓度μmax=0.062mm＜108.000mm，滿(mǎn)足要求。

3.3.5 內(nèi)楞木方驗(yàn)算

1)抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算 q=2×1.413=2.826kN/m，最大彎矩Mmax=0.1ql12=1.13kN·m，2根40mm×90mm木方截面模量 W=10.8×10-5m3，則 σ=Mmax/W=10.77×103kN/m2＜［fm］=13.00×103kN/m2，滿(mǎn)足要求。

2)撓度驗(yàn)算 2根40mm×90mm木方慣性矩I=4.86 ×10-6m4，最大撓度 μmax=6.3mm ＜min(2000/150，10)=10mm，滿(mǎn)足要求。

3.3.6 頂撐鋼管驗(yàn)算

1)立桿軸向壓力設(shè)計(jì)值計(jì)算，N鋼管 =5.652kN。

2)立桿的穩(wěn)定性計(jì)算σ=N/φA=31.5N/mm2＜［f］=205N/mm2;滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上設(shè)計(jì)計(jì)算及采取的措施在技術(shù)上有效保證了內(nèi)襯玻璃鋼管的管廊結(jié)構(gòu)在混凝土澆筑時(shí)的穩(wěn)定。在田灣核電站5、6號(hào)機(jī)組循環(huán)水進(jìn)排水管道結(jié)構(gòu)(GD溝)混凝土澆筑過(guò)程中的實(shí)際運(yùn)用，達(dá)到預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］李明輝.混凝土澆筑過(guò)程中對(duì)模板浮力的研究［J］.施工技術(shù)，2011，40(6) ：61-63.

［2］建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范：JGJ162—2008［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］建筑施工扣件式鋼管腳手架 安全技術(shù)規(guī)范：JGJ130—2011［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.