弧形閘門牛腿支鉸預埋螺栓一次澆筑工法

(山東臨沂水利工程總公司，臨沂 276000)

弧形閘門是水閘建筑中常用的一種擋水結構，通過支臂傳導到支承鉸鉸座上受力，鉸座與建筑物上的埋設構件(螺栓)連接，并傳力于基礎上。閘墩牛腿是支鉸鉸座的固定結構物，承受力矩、剪力以及扭矩作用，屬于短懸臂梁結構，牛腿支鉸預埋螺栓位置的準確性和穩定性對后期弧形鋼閘門的啟閉運行至關重要。

1 施工方法對比分析

在水利工程閘墩牛腿支鉸常規施工中，首先進行閘墩牛腿混凝土一次澆筑，同時定位埋設牛腿支鉸預埋螺栓鋼套筒(鋼套筒直徑通常大于支鉸預埋螺栓2～3cm)，再在牛腿支鉸預埋螺栓與鋼套筒之間灌注填充料的方式進行定位并固定閘墩牛腿支鉸預埋螺栓。此類施工方法，不僅增加了鋼套筒灌漿固定螺栓的作業量，也加大了牛腿上下端固定鋼板及固定螺母二期填充料澆筑難度，且在澆筑完的閘墩牛腿上定位支鉸螺栓難度大，費用高，安全風險高，同時施工作業周期長，金屬結構安裝工期延長。

針對上述情況，工程施工過程中，對牛腿支鉸施工進行改進，首先根據設計圖紙尺寸制作模具鋼板，在工廠內將一組牛腿支鉸預埋螺栓焊接固定成螺栓組，再通過定型鋼模將牛腿支鉸螺栓組進行整體定位，與閘墩模板整體拼裝加固后校正，然后同閘墩混凝土進行整體一次澆筑。此方法不但減少了二期澆筑支鉸預埋螺栓的施工步驟，也能準確定位牛腿支鉸位置，使閘墩牛腿及牛腿支鉸預埋螺栓整體性更好。

2 適用范圍及工藝原理

2.1 適用范圍

本工法適用于水利水電工程中弧形閘門閘墩牛腿支鉸螺栓、人字門及船閘預埋螺栓施工，在水利、路橋、市政、建筑等其他具有類似結構特點的預埋構件混凝土工程施工中，具有推廣應用價值。

2.2 工藝原理

弧形鋼閘門牛腿支鉸是連接牛腿與弧形閘門的重要結構，弧形鋼閘門受到上游的水壓力通過支臂傳力給牛腿支鉸進而作用到閘墩牛腿，而支鉸支座軸心是整個閘門受力的合力中心點，因此閘墩支鉸的施工質量尤為重要。

根據設計圖紙中閘墩及牛腿的尺寸、位置，首先將牛腿支鉸預埋螺栓定位端通過模具鋼板進行固定，再利用鋼筋將另一端進行焊接固定，達到各支鉸預埋螺栓與模具鋼板整體穩固的效果。同時根據設計圖紙中各支鉸預埋螺栓的相對位置在牛腿定型鋼模板上進行機械鉆孔(孔徑比螺栓直徑大4mm，方便螺栓安裝)，并將固定好的支鉸預埋螺栓組與閘墩、牛腿定型鋼模板進行整體拼接固定，同時準確校正螺栓位置并加固完成后同閘墩牛腿進行混凝土一次澆筑施工。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程為：牛腿支鉸預埋螺栓定型模具鋼板加工→牛腿支鉸預埋螺栓整體固定→牛腿定型鋼模板預留孔加工處理→牛腿定型鋼模板安裝固定→牛腿支鉸預埋螺栓定位及固定→牛腿鋼筋安裝→牛腿定型鋼模板安裝固定→牛腿混凝土澆筑→牛腿定型鋼模板的拆模→混凝土養護。

3.2 操作要點

3.2.1 牛腿支鉸螺栓結構形式改進

牛腿支鉸螺栓由原來的直線形(見圖1)改進為尾部彎鉤狀的形式(見圖2)，使牛腿支鉸螺栓與牛腿混凝土結合性更強，同時彎鉤部位螺栓與牛腿鋼筋更好的錨固，加強了牛腿支鉸螺栓與閘墩牛腿的整體穩定性。

圖1 直線型牛腿支鉸螺栓設計圖紙

圖2 牛腿支鉸預埋螺栓改進設計圖紙 (單位:mm)

3.2.2 牛腿支鉸預埋螺栓定型模具鋼板加工處理

根據設計圖紙中牛腿支鉸螺栓的相對位置及尺寸進行選擇用來固定支鉸預埋螺栓的定型模具鋼板的尺寸，通過不同焊接厚度的鋼板受力試驗，最終選定厚度為10mm的鋼板作為模具鋼板材料進行加工，確保預埋螺栓組各螺栓之間的穩定性。根據支鉸螺栓設計尺寸及位置在模具鋼板上的對應位置進行機械鉆孔用來固定支鉸螺栓，為方便螺栓安裝，鉆孔直徑取值比螺栓大4mm，并預先在工廠車間將一個牛腿的預埋螺栓按坐標尺寸準確焊接在模具板上，使一個牛腿的支鉸螺栓能整體固定。

3.2.3 預埋螺栓位置牛腿定型鋼模板加工處理

根據圖1可知，定型鋼模板為預埋螺栓處的模板，需提前進行加工處理。按照預埋螺栓設計位置在模板中采用機械鉆孔的方法切割出相應的預留孔，以備預埋螺栓組的安裝固定。

3.2.4 確保牛腿模板安裝位置坐標準確性

根據設計圖紙在牛腿模板準確定位支鉸螺栓的位置，采用機械鉆孔的方法在相應位置進行鉆孔，在牛腿模板準確安裝固定后，再將提前加工固定好的支鉸螺栓組與牛腿模板進行拼裝結合，并在定型鋼模板每根外露支鉸螺栓上安裝兩個螺絲帽，擰緊螺絲帽確保支鉸螺栓組與牛腿定型鋼模板緊密牢固結合。固定牢固后，對牛腿鋼筋進行安裝，并在與支鉸螺栓接觸位置進行焊接加固，確保支鉸螺栓與牛腿鋼筋形成一個整體結構。最后，將牛腿剩余模板進行依次拼接安裝、加固。在牛腿混凝土澆筑完成后，利用鋼尺、垂球或水準儀、經緯儀等對牛腿底面標高及牛腿垂直度進行后期監測，監測結果見表1。

表1 牛腿底面標高及牛腿垂直度監測結果

根據《水電水利工程模板施工規范》(DL/T 5110—2013)中關于一般現澆結構模板安裝的允許偏差中規定：底模上表面標高允許偏差為0～5mm；局部垂直(全高大于5m)允許偏差為8mm。經后期監測，牛腿模板全滿足規范要求。

3.2.5 閘墩及牛腿模板單位面積內絲對拉螺栓使用根數計算

閘墩及閘墩牛腿的定型鋼模板之間都是用螺絲緊密連接，確保各模板之間不存在相對位移的現象，在閘墩牛腿定型鋼模板安裝完成后采用內絲對拉螺栓對閘墩兩側牛腿模板進行固定，確保閘墩牛腿與閘墩之間相對位置的準確性，從而保證牛腿處的支鉸預埋螺栓位置的準確性。內絲對拉螺栓的制作材料為φ14熱軋光圓鋼筋，可確保閘墩牛腿之間的定型鋼模板不變形。

根據《水利水電工程模板施工規范》(DL/T 5110—2013)，新澆筑混凝土對模板側面的壓力，采用內部振搗器時，最大側壓力可按式(1)和式(2)計算，并取其中的較小值：

F=0.22γct0β1β2v1/2

(1)

F=γcΗ

(2)

式中F——新澆筑混凝土對模板的最大側壓力，kN/m2；

γc——混凝土的重力密度，kN/m3；

t0——新澆筑混凝土的初凝時間，可按實測確定，當缺乏實驗材料時，可采用t0=200/(T+15)計算(T為混凝土的澆筑溫度，℃)，h；

β1——外加劑影響修正系數，不摻外加劑時取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時取1.2；

β2——混凝土坍落度影響修正系數，坍落度小于300mm時取0.85，坍落度為30～90mm時取1.0，坍落度大于90mm時取1.15；

v——混凝土的澆筑速度，m/h；

Η——混凝土側壓力計算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度，m。

經計算可知新澆筑混凝土對模板的最大側壓力為20.944kN/m2。

根據《水工混凝土鋼筋施工規范》(DL/T 5169—2013)中鋼筋主要機械性能相關內容可知：熱軋光圓鋼筋的屈服點為235MPa，即235000kN/m2。

通過計算可知，選用φ14的內絲對拉螺栓加固鋼模板每平方米0.58根既可以滿足施工要求，為充分保證施工中模板的穩定性，在內絲對拉螺栓加固模板時每平方米設1根對拉絲。

3.2.6 確保閘墩立模垂直度

在閘墩立模施工中采用閘墩定型鋼模板的方法進行施工，由各個部位的定型鋼模板依次拼接組合固定而成，定型鋼模板自帶鋼梁起到加強模板自身整體剛度的作用，也能加強模板間的穩固性。整個閘墩模板立模完成后，在閘墩兩側模板指定位置通過鋼絲繩連接到提前預埋在閘底板的錨固筋上，通過調節鋼絲繩調整閘墩模板的垂直度，加強了閘墩模板的穩定性。

3.2.7 牛腿定型鋼模板封頂安裝

在牛腿定型鋼模板上距模板兩端0.5m處各預留一個振搗孔，以備后期混凝土澆筑振搗使用。

3.2.8 閘墩及牛腿整體混凝土澆筑過程控制

閘墩及牛腿混凝土采用一次澆筑的方式，在澆筑過程中，采用分層法進行澆筑，保證整個澆筑過程中質量可控。為滿足牛腿受力需要，牛腿混凝土比閘墩混凝土一般高1～2個等級，當混凝土澆筑到牛腿部位時調整配合比單獨對牛腿進行澆筑，當充分滿足牛腿混凝土斷面后再調回原配比繼續閘墩其他位置的澆筑。澆筑牛腿時，利用插入式振動棒插進預留孔進行混凝土振搗，同時采用附著式振動器在牛腿模板外側進行適當的振搗，確保牛腿混凝土振搗密實。牛腿混凝土澆筑完成后及時將模板預留振搗孔用木模板進行封堵，防止澆筑牛腿上部閘墩混凝土時混凝土溢出。

3.2.9 牛腿定型鋼模板的拆模

在牛腿混凝土澆筑過程中，同時預留混凝土試塊，并在同等條件下進行養護，由于牛腿部位屬于懸挑梁結構，承重模板及支架拆除時混凝土強度標準值為懸臂梁構件跨度不大于2m時，混凝土強度達到標準值的75%，可以進行模板拆除。

4 牛腿支鉸預埋螺栓一次澆筑施工技術優點

4.1 支鉸預埋螺栓與牛腿混凝土的結合性強

通過牛腿支鉸預埋螺栓與閘墩牛腿一次澆筑的施工方法，可以有效避免牛腿混凝土與預埋螺栓之間施工冷縫的出現，避免了二期埋設造成的不牢固和結構強度不足的現象，增強了整體性，保證了閘墩牛腿的施工質量。

4.2 確保預埋螺栓定位準確

通過加工定型鋼模具板固定支鉸預埋螺栓，以及閘墩及牛腿定型鋼模板依次拼接安裝的方法準確定位支鉸預埋螺栓的空間位置，確保后期弧形閘門支臂安裝的準確性，減少了整個放線控制的繁瑣過程。

4.3 縮短施工工期，節約施工成本

選用牛腿支鉸預埋螺栓一次澆筑的施工方法，減少了二期澆筑支鉸預埋螺栓的施工過程，簡化了施工步驟，降低了施工成本。在閘墩單項工程施工工期中縮短了二期澆筑的施工工期，加快了施工進度。

5 工程應用情況

在沂河河灣水源工程施工中應用牛腿支鉸預埋螺栓一次澆筑的施工工法,有效簡化了施工步驟，縮短了工期，為汛前完成施工提供了必要條件；同時節約了材料使用和設備租賃，降低了工程消耗，累計節約資金58.14萬元，取得了良好的經濟效益。

在費縣石溝攔河閘除險加固工程中應用此工法充分解決了牛腿支鉸螺栓二期施工繁瑣、定位難的問題；通過牛腿支鉸預埋螺栓一次澆筑，使得牛腿支鉸施工更加簡便、快捷，累計節約資金27.84萬元，取得了良好的經濟效益。

本工法可廣泛應用于水利、路橋、市政、建筑等其他具有類似結構特點的預埋構件混凝土工程施工中，具有很好的推廣應用價值。

6 結 語

本工法的創新促進了牛腿支鉸預埋螺栓施工工法進步，通過牛腿支鉸預埋螺栓一次澆筑的方法，減少了二期混凝土施工過程，在閘墩單項工程施工工期中縮短了二期混凝土施工的工期，降低了施工成本，且有效避免了牛腿混凝土與預埋螺栓之間施工冷縫的出現，增強了整體性。保證了牛腿支鉸螺栓的施工質量，加快了閘墩的施工進度，是一項值得推廣應用的工法。