浮式系船柱槽澆筑力學性能分析*

沈菊燕，周 燦，汪 宏

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430000；2.中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮江 212000；3.湖南省水運建設投資集團有限公司，湖南 長沙 410011；4.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212000)

船閘水工建筑物中，大體積混凝土二次澆筑施工方法發揮了極為重要的作用。該方法主要有兩個方面優勢：一是防止船閘整體式現澆混凝土結構因閘墻和墻后回填料自重引起底板產生裂縫，比如整體塢式結構船閘沿閘首縱軸線方向設置的施工寬縫、后澆帶等；二是滿足金屬結構埋件安裝精度要求，比如人字門的蘑菇頭、支枕墊、浮式系船柱等埋件安裝與澆筑。同時，二期混凝土澆筑施工方法也存在一些弊端：1)增加了混凝土澆筑的全套工藝流程，施工繁瑣、質量管控難度大；2)在混凝土澆筑結合面易滲漏，模板加固不當容易產生錯臺、漏漿等質量問題；3)二次混凝土澆筑施工工期長、成本投入大等[1-5]。

結合湘江永州—衡陽Ⅲ級航道湘祁二線船閘工程，以閘室浮式系船柱導軌埋件為研究對象，針對傳統的船閘結構分兩期混凝土澆筑施工工藝中存在的問題，開展了相關調查研究。根據三峽永久船閘相關文獻[6]在浮式系船柱一次安裝工藝方面的研究，三峽船閘閘室墻為直立薄壁結構，與湘祁二線船閘的衡重式結構有明顯區別，其加固方式并不適用本工程。針對相關問題，文獻[7]首次提出衡重式結構船閘浮式系船柱一次澆筑施工工藝；文獻[8-10]分析一次澆筑工藝模板結構力學性能，同時對一次澆筑工藝與二次澆筑工藝施工效果進行了經濟性比較，確定了一次澆筑工藝的可行性。

1 工程概況

湖南湘江永州—衡陽Ⅲ級航道工程湘祁二線船閘為1 000噸級船閘，船閘閘室有效尺度為180 m×23 m×4 m。閘室共布置16個浮式系船柱，間距19～23 m。浮式系船柱設計荷載為1 000噸級、兼顧2 000噸級的內河貨船系纜力，設計系纜力為150 kN，其結構由浮筒、上層系船架、滾動裝置及預埋件組成，浮筒、上層系船架采用鋼結構焊接制作。滾動裝置由橫向、縱向各6個滾輪組成，滾輪在閘墻導槽內隨水位升降而上下滾動。布置2層系船柱，層距1 690 mm。導槽埋件主要由導軌、護角、底檻、連接角鋼和限位裝置組成，埋件材料材質Q235B，導軌和護角對稱布置，采用螺栓連接。

導槽混凝土強度為C35，預留導槽尺寸2.4 m×1.7 m×17.8 m。導槽為八邊形結構，內嵌在閘室墻迎水面一側，最大凈空1 700 mm，見圖1。

圖1 導槽結構(單位：mm)

2 浮式系船柱導軌導槽結構

傳統浮式系船柱導軌導槽結構混凝土澆筑施工時，首先采用定型槽口模板(長2.4 m，寬1.7 m，高度與閘室墻混凝土分層高度一致)與閘室墻前沿迎水面模板相結合，預留后續導槽埋件安裝加固插筋，待閘室墻第一次混凝土澆筑完成后，對槽口處進行鑿毛處理，安裝導槽埋件，再分層支立獨立模板體系二次澆筑導槽混凝土。

由圖1可知，浮式系船柱導軌由左右兩側各3組錨筋(即支撐筋)通過與預埋插筋焊接加固實現精準定位。原設計方案采取二次混凝土澆筑施工，預留插筋并進行二次安裝；改為一次澆筑后，最大的區別在于浮式系船柱的導槽與閘室墻混凝土澆筑施工同步成型，由于沒有預埋插筋的連接，整個支撐體系發生改變，須重新設計支撐定位。

通過研究力學性能，得出適合本工程的一次澆筑支撐定位方案總體思路為：設計一套可拆卸的異形模板，導軌作為異形模板的一部分，共同構成導軌-模板體系，見圖2；導軌安裝高程以下設置1套鋼支架，由5根長1 500 mm的20號工字鋼組成，該鋼支架預埋在下層閘室墻混凝土中作為導軌-模板體系的支座。

圖2 導軌-模板體系(高程：m；尺寸：mm)

3 導軌-導槽模板結構體系設計

導軌-模板體系的長度為3 150 mm，與閘室混凝土澆筑施工分層高度相適應。體系由4部分組成，即導軌的定位裝置、模板、懸臂支架和調節法蘭螺栓。

模板由1塊500 mm×3 150 mm的平板模和兩塊異形模組成；為便于拆卸，模板間采用鉸鏈連接，用法蘭螺栓調整相鄰兩塊模板角度，用可調撐桿和懸臂支架進行支撐加固；定位裝置包括4個M20螺桿、2塊定位鋼板，并按設計位置在模板上配孔固定。導軌與模板定位方式為：底部螺栓定位連接，中部(局部間隙處)采用法蘭螺栓將導軌拉緊并緊貼模板面，頂部通過模板上部設置的定位鋼板及法蘭螺栓調整至安裝位置。見圖3。拆模時先松開頂桿，吊走定位裝置；然后拆除與相鄰迎水面模板連接的角模；最后擰動可調撐桿，收縮模板。見圖4。

圖3 導軌-模板體系實物

圖4 導軌-模板體系拆模示意

4 導軌-導槽模板結構力學性能分析

4.1 制約導軌-模板安裝精度的因素

安裝精度的總要求是：導槽結構各部分的形狀、尺寸、內部空間和相對位置滿足設計要求，浮式系船柱能夠隨著水面升降而自由上浮下降，行程不卡阻。制約導軌-模板安裝精度的因素主要有3個方面：1)導軌-模板體系的剛度、強度和穩定性；2)導軌-模板的模數要求；3)導軌-模板體系標準化、系列化，能否達到裝拆方便、多次周轉的目的。

4.2 數值模擬分析

根據浮式系船柱導軌一次澆筑支撐定位方案，混凝土澆筑施工時制約一次導軌安裝精度的主要外部荷載包括：施工時人員及設備荷載、混凝土澆筑施工時的振搗震動、新澆筑混凝土施工的側壓力等。

4.2.1建模

混凝土澆筑過程中，最不利工況為不對稱卸料時吊罐碰撞、振搗棒振激、工作平臺上人員和設備荷載均集中在導軌-模板體系的一側，驗算主要考慮如下荷載：

1)混凝土澆筑施工時振搗對導軌-模板體系產生震動荷載，對于垂直安裝的導軌，震動荷載采用4 kN/m2，按照每倉混凝土澆筑高度3 m計算。

2)新澆筑混凝土產生的側壓力，按公式(1)[11]進行計算

(1)

式中：F為新澆筑混凝土對模板的最大側壓力(kN/m2)；ρc為混凝土的密度(t/m3)；t0為新澆混凝土的初凝時間(h)，按實測確定，當缺乏試驗資料時可采用t0=200/(T+15)計算，T為混凝土的溫度(℃)；β1為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為混凝土坍落度影響修正系數，當坍落度小于30 mm時，取0.85，坍落度為50～90 mm時，取1.00，坍落度為110～150 mm時，取1.15；v為混凝土澆筑高度(厚度)與澆筑時間的比值，即澆筑速度(m/h)；H為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)，計算可得F=23.53 kN/m2。

3)考慮到實際采用容量為2 m3的吊罐入倉方式，混凝土澆筑施工卸料產生的水平沖擊荷載取8 kN/m2。

4)施工人員及設備產生的影響取2 kN/m2。

模板系統受力主要由可變荷載混凝土側壓力控制，根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[12]第3.2.3節可知，由可變荷載控制的效應設計值，應按下式進行計算：

(2)

式中：γGj為第j個永久荷載的分項系數；γQi為第i個可變荷載的分項系數，其中γQ1為主導可變荷載Ql的分項系數；γLi為第i個可變荷載考慮設計使用年限的調整系數，其中γL1為主導可變荷載Ql考慮設計使用年限的調整系數；SGjk為按第j個永久荷載標準值Gfk計算的荷載效應值；SQik為按第i個可變荷載標準值Qik計算的荷載效應值，其中SQ1k為諸可變荷載效應中起控制作用者；Ψci為第i個可變荷載Qi的組合值系數；m為參與組合的永久荷載數；n為參與組合的可變荷載數。取活載安全系數1.4、恒載安全系數1.2，則作用于模板表面的側壓力設計值為F=47.8 kN/m2。

根據浮式系船柱結構尺寸，利用有限元軟件建立三維模型[13-14]，見圖5。結構以3處豎向大背肋下口為固定支點(懸臂支架連接處)，混凝土施工荷載施加于模板板面，簡化后結構見圖6。為方便計算、增大安全系數，不考慮鋼筋及軌道對模板結構的加固作用。建模中，鋼材主要材料力學特性為：材料材質Q235，抗拉、壓、彎強度設計值f=215 MPa，彈性模量206 GPa，抗剪強度設計值fv=125 MPa。邊界條件：在3個[18肩背肋上對拉孔及下銷軸孔限制位移，中間的2個撐桿孔設置限制位移，模板邊框孔限制位移。

圖5 模板支撐系統三維模型

圖6 模板支撐系統三維簡化模型

荷載布置：由于三維建模影響，沒有按梯形力加載，偏于安全考慮全部按最大側壓力47.8 kN/m2垂直加載于模板面板上。

4.2.2有限元結構分析計算結果

根據有限元結構分析計算得出最大荷載時的變形量為3.659 mm，見圖7，≤L/400(=7.875 mm，L為單節導軌-模板體系的長度，3 150 mm)，滿足要求。施工最大荷載時對應的應力為181.847 MPa(≤215 MPa)，滿足要求，見圖8。

圖7 最大荷載時的變形量

圖8 等效應力

模擬所得變形值與實測變形趨勢大致一致，模板接縫及導槽處結構模擬應力值較大，符合實際施工狀態，可知該有限元模型具有良好的適用性。模板系統在結構施工模擬分析時的結構總應力值、變形量滿足要求，即結構強度、剛度都能滿足規范及施工要求。

5 工程實例

湘祁二線船閘于2020年2月開始浮式系船柱混凝土澆筑施工，至10月澆筑完成。根據現場施工情況來看，一次澆筑的浮式系船柱導槽色澤均勻、整體性較好，但二次澆筑有較為明顯的色差和豎向施工縫，見圖9。總體來看一次澆筑工藝混凝土質量及美觀性都顯著提高。

圖9 浮式系船柱導軌導槽混凝土外觀

經檢測，浮式系船柱導槽二次施工改一次澆筑有以下幾方面優勢：

1)安裝精度滿足規范[15]要求。經檢測，導軌垂直度、導槽凈孔尺寸等各項指標合格，檢測結果見表1。一次安裝加固不需拉結筋，墻面無孔洞，亦無需單獨修補，避免了修補砂漿與原混凝土澆筑施工色差的問題，同時也不存在二次混凝土澆筑的施工縫，整體效果好。

表1 浮式系船柱導槽及導軌安裝檢測結果

2)施工效率顯著提高。一次澆筑減少二次混凝土施工的前期鑿毛、清理及后期孔洞修補等工序，加快施工進度。

3)有效降低施工成本。工序減少，進而減少人工、機械設備及原材料的投入，縮短了工期。經測算，采用一次澆筑浮式系船柱槽后每個柱槽降低工程成本約3.77萬元，見表2。湘江Ⅲ級航道4個船閘共計64個浮式系船柱，采用一次澆筑代替二次澆筑工藝可節省較多的工程費用支出，經濟效益明顯。

表2 浮式系船柱槽一次澆筑效益對比

4)施工安全性顯著增加。采用一次澆筑工藝，無需在狹小空間內搭設高支架、加固模板等，提高了施工的安全性。

綜合比較結果：相對二次澆筑工藝，一次澆筑浮式系船柱槽極大提高了浮式系船柱槽混凝土澆筑質量、加快了施工效率、有效降低了施工成本、增加了施工的安全性。

6 結語

1)通過分析安裝精度影響因素及有限元模擬，驗證了模板結構設計力學性能滿足規范及施工要求、模型計算值與實測值相關性較好、導軌-模板體系變形形態以及計算誤差非常小。

2)根據結構力學性能有限元分析及實測結果，驗證了船閘工程浮式系船柱槽二次澆筑工藝改為一次澆筑工藝導軌-模板體系設計的合理性，同時驗證其模板結構力學性能滿足實際施工要求。

3)船閘工程浮式系船柱槽一次澆筑導軌-模板體系可有效解決支撐定位、模板拆卸周轉等施工問題，滿足設計、規范及施工等要求，對指導、優化施工具有重要意義。