對(duì)應(yīng)用工程力學(xué)理論實(shí)現(xiàn)施工技術(shù)方案優(yōu)化的探討分析

景小青

工程力學(xué)的定理、定律和結(jié)論是解決工程問(wèn)題的基礎(chǔ)，同時(shí)也為施工技術(shù)方案優(yōu)化提供了科學(xué)的理論依據(jù)。本文應(yīng)用工程力學(xué)相關(guān)理論知識(shí)對(duì)水利水電建筑工程施工技術(shù)方案的優(yōu)化過(guò)程予以探討與分析，以期進(jìn)一步提高施工企業(yè)技術(shù)方案的優(yōu)化水平，確保工程項(xiàng)目施工技術(shù)方案的科學(xué)性、安全性與可操作性，合理提升經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)為類似工程項(xiàng)目提供參考與借鑒。

應(yīng)用;工程力學(xué);技術(shù)方案優(yōu)化

某水電站大壩泄洪底孔不但要承擔(dān)提前發(fā)電期內(nèi)的汛期施工導(dǎo)流，而且要承擔(dān)降低庫(kù)水位及向下游供水的任務(wù)（庫(kù)水位降至EL.2339 m左右）;大壩臨時(shí)底孔的主要任務(wù)是承擔(dān)提前發(fā)電期內(nèi)的汛期施工導(dǎo)流，后期將對(duì)其進(jìn)行封堵。大壩臨時(shí)底孔與底孔的布置基本相同，均分為進(jìn)口段、有壓段及弧形工作門墩段。進(jìn)口底坎的高程為2320.0 m，進(jìn)口處設(shè)置平板事故檢修門，孔口尺寸為4.0 m×9.0 m;工作弧門的底坎高程為2320.0 m，孔口尺寸為4.0 m×6.0 m。

大壩臨時(shí)底孔與底孔的孔身段均未設(shè)置鋼襯，但孔口部位設(shè)計(jì)有鋼襯，其流道長(zhǎng)，深度大，而且頂板高度自上游至下游呈漸變形態(tài)。投標(biāo)方案中，頂板擬采用273×12 mm、間排距1 m×3 m的鋼管柱支撐，鋼管柱間設(shè)置∠75×7的剪刀撐，鋼管柱頂部鋪設(shè)Ι25的水平梁、Ι28的找平梁及散裝鋼模板，共同形成鋼平臺(tái)。投標(biāo)施工技術(shù)方案詳見圖1。

大壩底孔及臨時(shí)底孔流道總長(zhǎng)為73 m，其邊墻凈跨距為4 m，頂板及邊墻均設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土。沿流道跨距方向，頂板的鋼筋混凝土中設(shè)置有三層受力鋼筋，頂部為Φ28，底部為兩層Φ32，其平行間距均為20 cm，其豎向間距分別為30 cm、20 cm。

為確保大壩關(guān)鍵部位的施工工期，有效加快施工進(jìn)度，利用工程力學(xué)相關(guān)知識(shí)，對(duì)大壩底孔及臨時(shí)底孔的流道頂板鋼筋混凝土的投標(biāo)施工技術(shù)方案進(jìn)行科學(xué)而細(xì)致的優(yōu)化。特利用流道頂板鋼筋混凝土中的設(shè)計(jì)受力鋼筋與新增鋼筋形成桁架支撐系統(tǒng)，將流道頂板鋼筋混凝土的施工工藝改為吊模。施工技術(shù)方案優(yōu)化詳見圖2。

以混凝土的最大澆筑高度為2 m、桁架下弦桿跨度為4.35 m、沿流道長(zhǎng)為0.6 m，作為雙榀桁架支撐系統(tǒng)覆蓋范圍的計(jì)算單元，大壩流道側(cè)面剖視輪廓詳見圖3。

（1）現(xiàn)澆混凝土重量：以均布荷載計(jì)為=0.6 m×2 m×2500 kg/m×10 N/kg×1.25=37.5 kN/m（混凝土以2500 kg/m計(jì)，并考慮1.25的結(jié)構(gòu)安全保證系數(shù)）

（2）桁架自重：?jiǎn)卧：丝傊亓繛?49 kg，以均布荷載計(jì)為（已充分考慮架立鋼筋與鋼筋桁架中的上弦桿、下弦桿的連接強(qiáng)度，設(shè)計(jì)中的水平鋼筋需計(jì)入桁架自重，其重量包含設(shè)計(jì)鋼筋及鋼筋桁架中的上弦桿、下弦桿、腹桿及連接鋼筋）

（3）吊模材料自重：?jiǎn)卧：丝傊貫?68 kg，以均布荷載計(jì)為（包括螺帽、螺桿、鋼墊板、膠合板、散裝鋼模及鋼圍檁）

（4）施工人員及設(shè)備重量：?jiǎn)卧：酥亓繛?25 kg（以3人×75 kg/人+200 kg計(jì)），以均布荷載計(jì)為

（5）振搗混凝土所產(chǎn)生的動(dòng)荷載：以均布荷載計(jì)為=5 kN/m×0.6 m=3 kN/m

（6）卸料產(chǎn)生的動(dòng)荷載：

①動(dòng)荷載分析：澆筑混凝土的過(guò)程中，已限定混凝土吊罐的最大卸料高度應(yīng)控制在3m以內(nèi)，經(jīng)對(duì)混凝土吊罐卸料過(guò)程進(jìn)行實(shí)際分析，既不考慮混凝土相互間的粘滯力，也不考慮吊罐與混凝土卸料口間的粘滯力，假設(shè)卸料只受重力作用。同時(shí)，混凝土料的下落過(guò)程可近似看作流體運(yùn)動(dòng)，其實(shí)際沖擊力相比于固體自由落體運(yùn)動(dòng)要小，混凝土料下落接觸受料面后即刻產(chǎn)生錐形堆積，迅速增大受力面積，并隨著混凝土料下落量的不斷增多，受料面單位面積內(nèi)承受的動(dòng)荷載將逐漸減小。

為確保方案優(yōu)化后的受力結(jié)構(gòu)有足夠的安全可靠性，特將混凝土料類似于流體運(yùn)動(dòng)的均勻下落過(guò)程轉(zhuǎn)化為混凝土柱自由落體運(yùn)動(dòng)予以計(jì)算（以卸料口為正投影面、高1.5 m的圓形柱，下落高度設(shè)定為3 m），混凝土吊罐卸料動(dòng)力計(jì)算轉(zhuǎn)化詳見圖4。

首選A點(diǎn)為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，假定N與N為拉力，并規(guī)定壓力為“–”、拉力為“+”，建立A點(diǎn)處的平衡方程：

①桁架支撐系統(tǒng)中，腹桿的最大內(nèi)力為N=89.62 kN（如CD），為最大拉桿內(nèi)力，采用=0.83 m（有效的計(jì)算長(zhǎng)度）、28的鋼筋，依據(jù)軸心受力桿件的剛度計(jì)算公式，校驗(yàn)如下：

因腹桿中所有拉桿選用材料相同、計(jì)算長(zhǎng)度均相等，校核最大拉力所在桿滿足強(qiáng)度要求，故可知腹桿其余拉桿均滿足強(qiáng)度要求。

②桁架腹桿中壓桿（如AC）內(nèi)力最大為N=88.93 kN，采用28、=0.83 m，則如下：

根據(jù)公式①求得=118.6<[] =150（壓桿容許長(zhǎng)細(xì)比）;

根據(jù)公式②求得=114.5 N/mm<γ·f=184.5 N/mm。

因腹桿中所有壓桿選用材料相同、計(jì)算長(zhǎng)度均相等，校核最大壓力所在桿滿足強(qiáng)度要求，故可知腹桿中其余壓桿均滿足強(qiáng)度要求。

根據(jù)已經(jīng)求出腹桿中最大內(nèi)力壓桿的長(zhǎng)細(xì)比，應(yīng)確定該腹桿（如AC）為大柔度壓桿還是小柔度壓桿，之后選用相應(yīng)的壓桿穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)行校核。

查表得Ⅰ級(jí)鋼筋（HPB235）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=205 N/mm、彈性模量E=2.1×10N/mm，則壓桿柔度（長(zhǎng)細(xì)比）臨界值λ：（公式③）

由于N=90.64kN>N=88.93 kN，因此，通過(guò)校核結(jié)果可知，桁架支撐系統(tǒng)中的最大內(nèi)力腹桿（28壓桿）滿足壓桿穩(wěn)定性的要求，故其它腹桿（28）均滿足壓桿穩(wěn)定性的要求。

（2）校核弦桿。

①桁架支撐系統(tǒng)中的上弦桿與下弦桿的校驗(yàn)單元均為熱軋帶肋鋼筋（Ⅱ級(jí)、=0.44 m的Φ32）。桁架支撐系統(tǒng)中的上弦桿受到的最大軸向壓力為N=129.46 kN（如KM桿），且各桿均為壓桿，則：

故桁架系統(tǒng)中的上弦桿的校核結(jié)果滿足穩(wěn)定性的要求。

②因桁架支撐系統(tǒng)中的下弦桿均為拉桿，最大拉桿內(nèi)力為N=126.82 kN（如JL），采用=0.44 m的Φ32鋼筋，據(jù)公式①得出=55<[]=150;又依據(jù)公式②得出=157.8 N/mm<γ·f=270 N/mm。

由校核計(jì)算結(jié)果可知，桁架支撐系統(tǒng)中的下弦桿的強(qiáng)度滿足要求。

（3）校核吊點(diǎn)螺桿。

吊點(diǎn)螺桿的最大內(nèi)力為2P=38.4 kN，且均為受拉桿件，拉桿采用=0.464 m的20鋼筋，依據(jù)公式①得出=92.8<[] =250;依據(jù)公式②得出=122.3 N/mm<γ·f=184.5 N/mm，故吊點(diǎn)螺桿校核結(jié)果滿足強(qiáng)度要求。

桁架弦桿與腹桿的連接方式采用搭接雙面滿焊，搭接長(zhǎng)度為20 cm，為保證足夠的搭接焊縫長(zhǎng)度和強(qiáng)度，特將腹桿在弦桿兩側(cè)交錯(cuò)焊接，兩腹桿拐頭與弦桿搭接相交部分（長(zhǎng)度為5 cm）不施焊，避免焊接損傷弦桿母材，故單拐實(shí)際焊縫長(zhǎng)度為30 cm（15 cm×2面），詳見圖6。

弦桿與腹桿鋼筋焊接以直角焊縫計(jì)算，得焊角尺寸h=23 mm，則焊角有效計(jì)算高度h=0.7h=16 mm;同時(shí)，為考慮焊縫的施工缺陷，有效計(jì)算長(zhǎng)度l以實(shí)際焊縫長(zhǎng)度的80%（即240mm）作為計(jì)算長(zhǎng)度，查表得Q235鋼的焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為160 N/mm，則根據(jù)以下公式得：

已求得桁架各桿內(nèi)力最大值N=129.46 kN<max

吊模支撐系統(tǒng)主要由桁架受力弦桿、腹桿與垂直于桁架平面的剛性材料固接，形成整體空間框架結(jié)構(gòu)，其實(shí)際強(qiáng)度及穩(wěn)定性指標(biāo)高于單榀平面桁架。因此，經(jīng)校核計(jì)算可知，主壩臨時(shí)底孔與底孔的流道頂板大體積混凝土采用優(yōu)化后的桁架支撐與吊模工藝，其承載力完全滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求，優(yōu)化方案科學(xué)、合理、可行。

因大壩底孔與臨時(shí)底孔的流道頂板混凝土由兩段坡面漸變段接續(xù)組成，鋼管柱漸變高度為6.1m-8.3m，需將型鋼運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，由纜機(jī)入倉(cāng)，在已成型的大壩底孔與臨時(shí)底孔的流道底部，由大量工人加工成單榀支撐后，由倉(cāng)面吊并全程配合人工進(jìn)行吊裝。

①因施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境較復(fù)雜，且存在交叉作業(yè)，施工干擾大，鋼管柱支撐下料精度把控難度較大，無(wú)法保證施工質(zhì)量，制安耗時(shí)。

②受力結(jié)構(gòu)屬于被動(dòng)支撐，且整體支撐結(jié)構(gòu)較大，不僅拆模困難，而且對(duì)拆模前的混凝土強(qiáng)度有較高的要求。

鋼筋桁架支撐（）

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單榀鋼筋桁架的自重僅208.6kg，較單榀鋼管柱體積小、重量輕，且可在后方加工廠內(nèi)批量制作，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，采用纜機(jī)入倉(cāng)至已成型的大壩底孔與臨時(shí)底孔的流道兩邊墻頂部，由倉(cāng)面吊臨時(shí)輔助5名施工人員即可進(jìn)行循環(huán)安裝。

①在加工廠內(nèi)批量制作，不僅加工精度有保證，而且通過(guò)“三檢一驗(yàn)”，有效保證了每榀鋼筋桁架的加工質(zhì)量。

②施工現(xiàn)場(chǎng)安裝所需的人工與機(jī)械較少，施工成本與安裝工期可控。

③受力結(jié)構(gòu)屬于主動(dòng)支撐，整體支撐結(jié)構(gòu)較小，不僅便于拆模，而且待混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%時(shí)即可拆模，有效加快了施工進(jìn)度。

針對(duì)某水電站大壩泄洪臨時(shí)底孔與底孔的流道頂板大體積混凝土施工技術(shù)，經(jīng)充分應(yīng)用工程力學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)，及合理選材、科學(xué)校驗(yàn)，最終采用優(yōu)化后的鋼筋桁架支撐與吊模工藝，該工藝既實(shí)現(xiàn)了提質(zhì)增效的目標(biāo)，也充分體現(xiàn)了施工企業(yè)的實(shí)踐能力。在遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計(jì)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，積極推陳出新，有效提升施工企業(yè)的整體技術(shù)水平，因此帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 孫訓(xùn)方，方孝淑，等著.材料力學(xué)（1）[M].第6版.北京：高等教育出版社，2019.

[2] 包頭鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)編著.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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The theorems， laws， and conclusions of engineering mechanics are important foundations for solving practical engineering problems， and also provide a scientific theoretical basis for the optimization of construction technical solutions. The article analyzes and summarizes the process of successfully applying the theoretical knowledge of engineering mechanics to optimize the construction technical scheme of water conservancy and hydropower construction projects. The purpose is to further improve the optimization level of optimization technical schemes of construction enterprises and ensure the scientificity， safety and security of construction project technical schemes. Operability， reasonable increase of economic benefits， and the same time provide reference for similar engineering projects.

application; engineering mechanics; technical solution optimization