DZS40/500型造槽機結構設計優化

(1.湖北大禹水利水電建設有限責任公司，湖北 武漢 430061；2.宜昌市東風渠灌區管理局，湖北 宜昌 443000；3.宜昌市水利水電勘察設計院，湖北 宜昌 443000)

近年來隨著水利施工技術的不斷發展，大型化、集約化、自動化且安全性高的施工設備逐漸涌現，造槽機便是此間應運而生的一種兼具簡單、高效、自動、安全等特點的新型渡槽施工設備，在國內已先后被用于廣東東江—深圳的東深供水及南水北調等大型工程項目中的渡槽施工中。但已有應用實例皆為大型或特大型渡槽工程，東深供水工程渡槽內截面尺寸為7.0m×5.4m(寬×高)，跨度24m；南水北調中湍河渡槽工程單槽的內截面尺寸為7.23m×9.0m，跨度40m。目前根據水利建設完成情況的現狀和需求，一些跨度大、高度高的中小型渡槽的建設對造槽機這種大型設備敞開了大門，也對造槽機向小型化、靈活化的設備發展提出了新的要求。

本文正是基于這種背景，結合造槽機在中小型規模的普溪河渡槽新建過程中的實際使用工況，對期間針對問題和不足而采取的優化方案進行論述。

1 概 況

普溪河渡槽為宜昌市東風渠灌區總干渠上的重要建筑物，渡槽跨度40m，最大高度達62m，矩形封閉式箱梁槽身，為造槽機在大跨度、小截面、端部高應力、非標準預應力矩形封閉式簡支結構中的首次運用，為國內首例，被列為湖北省水利重點科研項目。普溪河預應力槽身截面如圖1所示。

圖1 普溪河預應力槽身橫剖面示意圖

2 DZ40/500造槽機的結構及工作原理

造槽機是應用于渡槽槽身結構混凝土原位逐跨現澆，配備可自動開合的定型模板，并具有自主行走過跨功能的一種大型施工設備。主要由支撐承重系統、模板系統、液壓行走系統和電氣系統組成。

支撐承重系統包括外梁和支腿。外梁由主梁、導梁、挑梁組成。主梁采用箱形組合梁，為單梁形式，是造槽機的主要承重結構；導梁與主梁直線連接，與主梁共同為造槽機移動過跨提供導軌；挑梁橫貫于主梁，為掛在其上的外肋及外模系統提供承重和橫向平移平臺。在主梁上共安裝有四個支腿，分為承重支腿與行走支腿。1號和4號為承重支腿，在非過跨工況支撐主梁，保證整個造槽機在施工期的穩定和安全，2號和3號支腿為液壓行走支腿，在前行過跨工況中起到支撐及推動整個系統移動的作用。

模板系統分為外模系統和內模系統。外模系統由對開的兩部分定型外模組成，通過外肋懸掛在挑梁上，閉合時形成封閉空間，為施工提供安全保障，行走過跨時需打開外模。內模系統獨立于外模系統，通過鋪設的導軌可自行進出作業，為針梁式結構，由四根吊桿與主梁相連，混凝土澆筑時懸浮在槽身內部適應主梁變形。如圖2所示。

造槽機主要行走過跨原理為：當一跨槽身完成后需先打開外模，然后將懸掛于主梁后端的2號支腿吊運至已完跨槽身前端頂部并支立，松開1、4號承重支腿由2、3號支腿接替，承托整個造槽機系統。通過配備在2、3號支腿上的液壓油缸推動造槽機向前滑行，前行13m后導梁前端到達前方墩上方，利用自身提升設備將1號支腿吊運至前方墩并就位支撐。此后的前行過程中外梁的受力狀態由前期的兩支點(3號、2號支腿)變為三支點(3號、2號、1號支腿)共同支撐，當前行至26m時，3號支腿將脫空，又回到兩支點(2號、1號支腿)支撐狀態，直至過跨作業完畢。

圖2 DZS40/500矩形渡槽造槽機結構示意

3 DZ40/500造槽機應用過程中的結構設計優化

由于造槽機還沒有被大范圍普及，目前全部為定制設備，需適應各個項目的各自特點，沒有通用形式，所以在進行針對性設計時難免會出現一些不足和有待優化之處。

本文提出的優化主要針對以下不足和問題：箱式導梁改為桁架形式帶來的局部結構應力集中；主梁下部非過跨主受力區域截面強度不足；內外梁剛度不一致，導致承載狀態下不能協調變形；外模系統外模頂口線可調桿件、支撐點不穩定，操作不便，影響外觀質量；內模倒角未設計蓋模，影響混凝土澆筑；防雷、安全防護不足等。

3.1 箱式導梁改為桁架形式后局部應力集中的問題

本例中造槽機原設計為80m長箱梁結構，后優化縮短為67m長變截面箱形梁結構，主要包括長50m、截面尺寸為4m×2m的主梁段，長17m、截面尺寸為3m×2m的導梁段。但最終為降低造價將導梁又改為桁架結構，通過焊接拼接板并用高強螺栓與主梁連接。詳細構造見圖3。

圖3 主梁與導梁連接圖

在過跨期間，受3號支腿水平滑靴加工精度以及下部支撐混凝土頂面平整度的影響，加大了水平滑靴表面摩擦系數，當摩擦阻力比較大時，很小的法向力作用也能激勵出摩擦振動[1]。在實際作業中每個滑動周期的初期振動表現明顯。按照模態振動的理論來解釋，因摩擦力變化激起的高聲強級摩擦振動，其摩擦力變化時間τ對靜摩擦的作用相當于一種沖擊荷載。特別是在造槽機前行15～37.5m范圍內，在主梁與導梁變截面連接處會產生較大的沖擊應力，而當前行至30m時主梁與導梁接頭處彎矩最大，在考慮振動沖擊的最不利工況下，最大彎矩可達1120.85tf·m，超過設計彎矩347.85tf·m；前行至34m時，主梁與導梁接頭處剪力最大，在考慮振動沖擊的最不利工況下，最大剪力可達176.9tf，超過設計剪力54.9tf，存在極大的安全隱患。

過跨移位15～37.5m范圍內主梁與導梁節點剪力和彎矩對比見圖4。

圖4 過跨移位15～37.5m期間主梁與導梁結點剪力和彎矩對比

在上述工況下，加之主梁與導梁連接處的截面突變，導致在連接拼接板處因沖擊荷載產生的應力集中問題非常突出。

在實際案例中，當造槽機從16號槽身向17號槽身過跨作業時，前行至27m處時，桁架導梁與主梁連接處下部的拼接板焊接處局部焊縫出現裂紋破壞，在立即停止過跨作業后，對破壞部位進行了焊縫補強的補救措施。具體焊縫破壞情況見圖5。

圖5 過跨期間主梁與導梁結點焊縫開裂

鑒于此類情況，應考慮將主梁與桁架連接設計優化為漸變，將矩形箱梁結構優化設計成箱形漸變形式，增加主梁與桁架結構間連接的漸變段，由箱梁的空間面受力形式逐步過渡轉換為桁架桿件受力形式。

3.2 主梁下部非過跨主受力區域截面強度不足的問題

造槽機過跨時前移至13m后，呈現三支點聯合受力狀態，理想狀態下三支點頂部高程具有一致性，各支點內力分配與理論計算一致。為強化對應支撐區域主梁的截面強度，自導梁連接處在主梁內部向后19m的范圍，在主梁下部與滾輪、油頂支撐的對應區域設計了加強筋板和加厚腹板。

受造槽機主梁、導梁加工，安裝精度的限制，其下底面與各支撐面接觸部位存在一定高差，同一支撐位置左右兩側也無法保證絕對水平；加之下部混凝土澆筑面平整度誤差的影響，各支撐點頂部高程在過跨過程中難以達到理論同高狀態。各支點無法做到絕對水平，導致各支點間內力分布呈隨機紊亂狀態，形成局部應力集中，可能會出現某處內力遠大于主梁支撐部位設計強度的情況。特別是2號支腿一旦出現支墊超高，將導致3號支腿提前脫空，使2號支腿對應主梁下部未加強區域承受超設計荷載，另外由過跨振動形成的沖擊荷載將進一步增加發生局部失穩的可能性。

在實際使用過程中，發生了在主梁加強區域范圍外的箱梁局部腹板變形的事故。見圖6。

圖6 主梁下部非過跨主受力區域變形情況

解決方案：延長主梁下部受支撐區域截面加強范圍，將原加強區域延長至35m范圍，加強方式采取增加主箱梁下底支撐面與腹板內外側倒角筋板，同時在主箱梁下底面與其腹板下部內側第一道加強橫向筋板間、腹板內側豎向加強筋板中部增加豎向截面強化筋板。

建議：每次在造槽機移位過跨時，多次測量，盡量調平每組支腿支撐頂面高程，確保每組支腿均勻受力。并在2號支腿上部增設墊高警示刻度，防止支墊超高，出現3號支腿提前脫空現象。

3.3 造槽機內外模板系統協調變形不一致的問題

內模系統主要由內模板、內梁、走行臺車、50t千斤頂等組成。內梁主要承受內模系統的自重以及澆筑過程中混凝土產生的側壓力，為桁架結構，共分3節，節間采用螺栓法蘭連接。內梁中部通過4道吊桿與主梁連接，兩端分別由千斤頂將內模系統支撐，千斤頂支點位于上下游墩帽上。內模系統的澆筑狀態如圖7所示。

圖7 造槽機上下端2支點、中部4吊點示意

由于內梁上下游端部受到固定支撐且整體剛度較強，造成內模軸線不能適應主梁及外模的預拱曲線，導致內外模的變形過程不能協調一致。造成的不良后果會導致澆筑完成的槽身頂板及底板混凝土厚度及鋼筋保護層不能整體一致，進一步影響槽身底板設計縱坡(如圖8所示)，使槽身過水流態發生變化，不能滿足設計要求。嚴重時會影響槽身使用壽命甚至危及槽身結構安全。

圖8 槽身縱坡曲線示意

為了實現協調變形，通過增加連接限位桿件將內梁上下游兩端由原來50t千斤頂支撐在墩帽上的方式，改為由吊桿直接與主梁連接，使內梁能完全感應外梁的變形過程。內梁受力方式由上下端2支點、中部4吊點(見圖9)優化為上下端2吊點、中部4吊點(見圖9)的方案，將內梁完全懸掛于主梁底部形成整體。

圖9 造槽機上下端2吊點、中部4吊點示意

3.4 外模系統外模頂口線可調桿件

為了確保造槽機外模上頂口線的線型，最初設計為通過頂絲調節外側模上口縱向線條。外側模上部共配置了48個獨立的頂絲，分別架設于上部行走平臺外檐與外肋之間，但未設計頂絲固定和拉回裝置。首跨施工效果表明：頂絲調節模板線條時，很難協調一致，效果不明顯；并且因無固定裝置，混凝土澆筑時的施工振動容易導致頂絲掉落，造成跑模并給下方通過的人車帶來了安全隱患。

優化方案為分別在外模頂口、外肋上焊接固定耳板座，設可調撐桿進行調節。分別用48個可調撐桿替換所有上口頂絲，并且為了增加可調撐桿穩定性將其按45°角布置。其可操作性簡單，牢固安全可靠，線條順直易于控制。

3.5 內膜系統倒角蓋模的問題

為便于內模系統自動收縮折疊，內模倒角底部未設計防翻漿蓋模。但為了解決從側墻底部倒角處發生翻漿的問題，待底板澆筑完畢后在倒角模板外側增加蓋模。蓋膜一側嵌入倒角模板底邊20mm左右，外側采用鋼管，利用桁架撐壓模板，撐壓力度以模板與混凝土面剛好完全接觸即可。蓋模的寬度過窄會影響效果，過寬又會導致倒角內混凝土振搗后氣泡不能排出，最后確定蓋模寬度以400mm為宜。

3.6 高空避雷及防護的問題

造槽機屬于大型鋼結構移動模架，在設計、制造及安裝過程中，未考慮到避雷裝置的設計、安裝，對造槽機雷雨季節施工的人員及設備帶來重大安全隱患，為實現全天候作業增設了高空避雷裝置和能夠方便開合的上部頂棚。

4 結 語

a.造槽機應考慮因摩擦振動所引起的沖擊荷載對結構的不利影響，同時對結構中的主承重構件與非主承重構件進行連接設計時，應充分考慮必要的截面漸變，減小因截面突變所帶來的應力集中問題，特別是對箱梁立體空間受力結構轉換為桁架桿件受力模型，可以考慮將三維受力截面通過面受力漸變為桿件受力。

b.大跨度承載箱形梁式構件在移位工況中，應盡量避免出現超過3組支點同時支撐的工況，避免因各種無法預估的干擾因素而無法達到理論狀態造成截面局部失穩。

c.大跨度箱形混凝土澆筑主受力造槽機支撐構件，受跨度大、荷載大、撓度大等的影響，應分別計算主支撐構件與內模支撐構件隨著混凝土澆筑荷載增加產生的撓度。當受大跨度小截面箱梁結構影響，無法將內梁與主梁做到同樣剛度時，須采用吊桿將主梁與內梁連成整體，保持同步變形，避免混凝土凝結期出現不良裂縫，影響結構使用壽命。

以上為針對造槽機在普溪河渡槽施工中的實際使用情況及出現的問題所采取的優化措施或改進方案，可為后期類似的中小型項目中造槽機的設計提供參考和借鑒。