劉新清，何 煒

（中國葛洲壩集團(tuán)股份有限公司三峽分公司，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽垂直升船機(jī)是三峽水利樞紐的永久通航設(shè)施之一，設(shè)計過船規(guī)模為3 000噸級，最大提升高度為113m，具有提升高度大、提升質(zhì)量大、水位變幅大和水位變化快的特點，技術(shù)難度和建設(shè)規(guī)模居當(dāng)今世界之首。三峽升船機(jī)船廂室段塔柱為薄壁墻體結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)水平面內(nèi)呈雙重對稱布置，在每個塔柱的上、下游布置有剪力墻。上、下游塔柱與剪力墻之間通過縱梁實現(xiàn)縱向連接，左右兩側(cè)塔柱通過塔柱頂部的橫梁實現(xiàn)橫向連接[1～3]。

升船機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)混凝土外觀質(zhì)量要求高，規(guī)模巨大，技術(shù)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特殊，施工時為高空作業(yè)，受起吊能力、技術(shù)要求限制，經(jīng)綜合分析比較，決定采用貝雷架結(jié)合模板排架系統(tǒng)支撐施工。貝雷架采用B321型貝雷架拼裝而成，模板排架系統(tǒng)搭設(shè)在貝雷架上部，每榀貝雷架兩端均坐落在塔柱墻面的鋼支座上。B321型貝雷架由Q345型鋼制作，由上下弦桿、豎桿和斜桿等拼裝而成，弦桿由10號槽鋼組成，腹桿系由8號工字鋼組成。鋼支座系統(tǒng)主要由鋼箱梁、鋼支座及埋件組成。鋼支座對稱布置在船廂室兩側(cè)的塔柱墻壁上，垂直于水流方向，通過高強(qiáng)螺栓組與埋件結(jié)構(gòu)連接。鋼支座與貝雷架之間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)箱梁。

升船機(jī)塔柱頂部橫梁結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)澆混凝土，橫梁不分層一次澆筑成型。全部施工荷載通過模板排架、貝雷架最終傳遞到鋼支座系統(tǒng)上。整個施工支撐體系跨度大，所承受的施工荷載大，且為高空作業(yè)。因此，通過安全監(jiān)測手段監(jiān)測施工支撐體系的應(yīng)力與變形情況，以保證貝雷架支撐系統(tǒng)、模板排架和鋼支座系統(tǒng)的安全穩(wěn)定就顯得至關(guān)重要。

2 安全監(jiān)測的內(nèi)容

順?biāo)鞣较颍瑱M梁從上游至下游依次編號為HL1～HL13。為保證三峽升船機(jī)塔柱橫梁施工安全，根據(jù)塔柱橫梁結(jié)構(gòu)施工荷載受力情況，選擇承受荷載最大的HL2、HL7和HL12橫梁（上、中、下3個澆筑塊）的支撐系統(tǒng)作為監(jiān)測對象。這3根橫梁的支撐系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容如下。a.監(jiān)測貝雷架支撐系統(tǒng)在混凝土澆筑前后以及混凝土澆筑過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、自振頻率和貝雷架跨中橫截面撓度及側(cè)彎。b.貝雷架兩端支座位移及監(jiān)測。c.監(jiān)測相應(yīng)的塔柱混凝土墻體結(jié)構(gòu)變形。d.由于HL12和HL7橫梁排架分別被HL11排架和HL6排架遮擋，故只有對HL2、HL6和HL11 3根橫梁排架的立桿垂直度和位移進(jìn)行觀測。

3 安全監(jiān)測的實施

3.1 鋼管排架系統(tǒng)監(jiān)測

為了準(zhǔn)確地反映橫梁排架立桿的變形情況，監(jiān)測點的布設(shè)位置及監(jiān)測方法如下。a.在HL2橫梁排架下游側(cè)、HL6橫梁排架上游側(cè)和HL11橫梁排架上游側(cè)中部各選擇一根立桿作為排架立桿垂直度監(jiān)測對象，在每根立桿的上、中、下部位置貼反射片。b.利用全站儀測量出監(jiān)測點坐標(biāo)變化值，從而計算出排架立桿垂直度。c.監(jiān)測頻率為在橫梁混凝土澆筑前、每坯層混凝土澆筑后以及全部混凝土澆筑完成1 h后各進(jìn)行一次。

3.2 貝雷架系統(tǒng)監(jiān)測

3.2.1 貝雷架系統(tǒng)監(jiān)測項目及監(jiān)測頻次

監(jiān)測項目a.HL2、HL7和HL12橫梁貝雷架的自振頻率監(jiān)測。b.HL2、HL7和HL12橫梁貝雷架腹桿、弦桿應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測。c.HL2、HL7和HL12橫梁貝雷架跨中橫截面撓度及側(cè)彎監(jiān)測。

監(jiān)測頻率與鋼管排架系統(tǒng)的監(jiān)測頻率相同。

3.2.2 貝雷架系統(tǒng)應(yīng)力、應(yīng)變及頻率測點布置

橫梁混凝土澆筑前，在承受荷載最大的HL2和HL12橫梁處的貝雷架支撐體系布置12個應(yīng)力、應(yīng)變測點，在HL7橫梁處的貝雷架支撐體系布置24個應(yīng)力、應(yīng)變測點和1個頻率測點，其中頻率測點布置在貝雷架中間底部位置。采用應(yīng)變計監(jiān)測貝雷架的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，通過靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。頻率監(jiān)測采用無線環(huán)境激勵實驗?zāi)B(tài)測試分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。應(yīng)力、應(yīng)變測點布置見圖1。

圖1 HL2、HL7和HL12橫梁貝雷架應(yīng)力、應(yīng)變測點布置示意圖Fig.1 The layout diagram of stress-strainm onitoring pointsof HL2，HL7 and HL12 Bailey rack注：圖中括號內(nèi)數(shù)據(jù)為HL7橫梁監(jiān)測點編號

3.2.3 貝雷架系統(tǒng)變形監(jiān)測

為了準(zhǔn)確地反映橫梁貝雷架的變形情況，貝雷架變形監(jiān)測點的布設(shè)位置及監(jiān)測方法如下。a.在HL2、HL7和HL12橫梁貝雷架上游側(cè)面底部1、5、9節(jié)處布置3個監(jiān)測點，每點貼反射片。b.利用全站儀測量出監(jiān)測點坐標(biāo)變化值，并據(jù)此計算出貝雷架的撓度和側(cè)彎變化值。

3.2.4 貝雷架系統(tǒng)安全監(jiān)測設(shè)備

貝雷架系統(tǒng)安全監(jiān)測項目所采用的主要設(shè)備見表1。主要監(jiān)測設(shè)備均經(jīng)過檢定，達(dá)到設(shè)計要求的精度，并且處于檢定周期范圍內(nèi)。

3.3 鋼支座系統(tǒng)監(jiān)測

采用在墻壁上安裝托架并布設(shè)百分表的方法監(jiān)測鋼支座系統(tǒng)。利用膨脹螺栓將角鋼固定在梁支座周邊并以此作為支撐點，然后焊接支撐托架并固定。在每個支座及高強(qiáng)螺栓處分別布置6個百分表進(jìn)行監(jiān)控。其中，在支座位置的6個百分表監(jiān)測支座X、Y、Z3個方向位移變化，在高強(qiáng)螺栓處的6個百分表監(jiān)測高強(qiáng)螺栓的位移量。百分表托架在安裝過程中需保證其支撐完全依附于混凝土墻壁，與貝雷架支座系統(tǒng)完全獨立，以確保后續(xù)監(jiān)控數(shù)據(jù)能夠真實反映支座系統(tǒng)與混凝土墻壁間的相互位移關(guān)系。監(jiān)控表針與監(jiān)控對象的監(jiān)控點接觸面頂緊并進(jìn)行表值讀數(shù)與記錄，并以此時的表值作為監(jiān)控起始值。在混凝土澆筑過程中分段進(jìn)行表值讀取與記錄。

表1 貝雷架監(jiān)測主要儀器設(shè)備表Table1 Major equipmentsof safetymonitoring on Bailey rack

3.4 塔柱墻體變形監(jiān)測

分別在距離橫向貝雷架底部0.5m處靠船廂室側(cè)的兩側(cè)墻體上埋設(shè)監(jiān)測棱鏡，通過膨脹螺絲固定在墻體上，作為塔柱墻體變形監(jiān)測點。觀測時將全站儀架設(shè)在位于下閘首84.00m高程平臺的觀測墩上，測出儀器到左、右兩個棱鏡的水平距離以及兩個棱鏡與儀器組成的夾角，計算出兩個棱鏡之間的水平距離。通過計算得出的棱鏡之間的水平距離來反映塔柱墻壁的變形。

3.5 安全監(jiān)測預(yù)警

根據(jù)貝雷架原型荷載試驗[4]的監(jiān)測結(jié)果，采用試驗數(shù)據(jù)作為貝雷架及排架施工監(jiān)測安全限值、通常值及預(yù)警值的基礎(chǔ)值。采取原型荷載試驗中100%荷載數(shù)據(jù)作為通常值，110%荷載數(shù)據(jù)作為預(yù)警值，根據(jù)線性分析計算出120%荷載對應(yīng)的數(shù)據(jù)為安全限值，見表2。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)通常值、預(yù)警值和安全限值Table2 Thenormalvalue，alarm valueand safety lim it valueofmonitoring data

1）安全限值。為保證在澆筑混凝土?xí)r承載結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)局部失穩(wěn)、整體較大變形，貝雷架結(jié)構(gòu)必須滿足的限值指標(biāo)。超過此值時，必須采取一定措施確保安全。

貝雷架豎向撓度安全限值包括貝雷架安裝后的初始撓度值和澆筑過程中的撓度值，根據(jù)貝雷架結(jié)構(gòu)豎向撓跨比安全限值為L/400（L為跨度）計算出的安全限值為63.75mm，該值大于試驗數(shù)據(jù)計算值62.62mm，因此豎向撓度安全限制取63.75mm。

對于貝雷架側(cè)彎，由于貝雷架安裝時的初始值和試驗時的初始值不同，故用試驗時的側(cè)彎變化值作為安全限值，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算得到的側(cè)彎變化值安全限值為±6mm。

2）通常值。超過此值時，應(yīng)仔細(xì)檢查承載結(jié)構(gòu)是否存在隱藏的病害（如支撐架、聯(lián)板不強(qiáng)等）。

3）預(yù)警值。超過此值時，應(yīng)仔細(xì)檢查承載結(jié)構(gòu)，并采取降低混凝土入倉強(qiáng)度以及坯層厚度等措施。

4）貝雷架自振頻率安全預(yù)警。在混凝土澆筑過程中為保證結(jié)構(gòu)的剛度和整體性良好，其澆筑過程中貝雷架的自振頻率必須大于貝雷架原型荷載試驗時的自振頻率。

5）貝雷架支座監(jiān)測安全預(yù)警。為滿足施工安全要求，貝雷架支座系統(tǒng)高強(qiáng)螺栓在監(jiān)測過程中發(fā)生伸縮量位移時需立即停止施工。

4 安全監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 安全監(jiān)測結(jié)果

塔柱橫梁結(jié)構(gòu)共分為上游塊、中游塊和下游塊3個倉次澆筑，整個澆筑過程順利，并全程進(jìn)行了安全監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)及結(jié)果見表3～表5。

表3 HL2貝雷架支撐系統(tǒng)及筒體監(jiān)測數(shù)據(jù)表Table3 Themonitoring datasheetof HL2Bailey rack supporting system and cylinder

表5 HL12貝雷架支撐系統(tǒng)及筒體監(jiān)測數(shù)據(jù)表Table5 Themonitoring datasheetof HL12Bailey rack supporting system and cylinder

4.2 安全監(jiān)測結(jié)果分析

1）通過比較監(jiān)測結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)限值可以發(fā)現(xiàn)，貝雷架的撓度值、側(cè)彎變化值、自振頻率和排架垂直度均比通常值小，筒體位移滿足設(shè)計要求。這表明在橫梁混凝土的澆筑過程中，橫梁支撐系統(tǒng)穩(wěn)定、安全，技術(shù)方案可靠，能夠保證混凝土澆筑的順利進(jìn)行。

2）混凝土澆筑過程中鋼支座系統(tǒng)部分百分表監(jiān)測出了微小位移量變化，其中HL2貝雷架左側(cè)支座高強(qiáng)螺栓監(jiān)測出了0.08mm的位移變化，HL7貝雷架支座局部監(jiān)測出0.05mm的位移變化，HL12貝雷架支座局部監(jiān)測出0.1mm的位移變化。根據(jù)各鋼支座的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，出現(xiàn)位移量變化的監(jiān)測點只是少數(shù)點，而且出現(xiàn)的位移量變化是非線性且可逆的。分析認(rèn)為支座及高強(qiáng)螺栓的變形屬彈性變形，監(jiān)測位移量變化主要是因為振動引起的，對整個支撐系統(tǒng)的安全穩(wěn)定影響不大。

5 結(jié)語

三峽升船機(jī)塔柱橫梁結(jié)構(gòu)采用貝雷架結(jié)合模板排架系統(tǒng)支撐施工。施工支撐體系跨度大，所承受的施工荷載大，且為高空作業(yè)，為了保證橫梁施工的安全進(jìn)行，在施工過程中，對整個支撐系統(tǒng)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和頻率等項目進(jìn)行了監(jiān)測。將監(jiān)測結(jié)果與原型荷載試驗中獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，據(jù)此來評價整個支撐系統(tǒng)的安全狀況。監(jiān)測結(jié)果表明，貝雷架桿件應(yīng)力、撓度變形以及排架變形均滿足安全要求，筒體位移滿足設(shè)計要求，貝雷架支撐系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠保證橫梁混凝土的安全順利澆筑。

工程安全監(jiān)測是掌握施工質(zhì)量、指導(dǎo)施工、監(jiān)控工程運(yùn)行工況的重要手段，必須予以高度重視。本文從監(jiān)測對象的選擇、監(jiān)測項目的確定、監(jiān)測點的布置以及監(jiān)測結(jié)果的評價等方面詳細(xì)地介紹了三峽升船機(jī)橫梁支撐系統(tǒng)的安全監(jiān)測情況，累積了很多安全監(jiān)測設(shè)計的寶貴經(jīng)驗。這些經(jīng)驗可以為類似工程安全監(jiān)測的實施提供借鑒，具有一定的推廣價值。

[1] 鈕新強(qiáng).三峽升船機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[2] 蘇海東，謝小玲，祁勇峰.三峽升船機(jī)塔柱聯(lián)系梁三維有限元內(nèi)力計算[J].長江科學(xué)院院報，2009，26（1）：38-41.

[3] 朱 虹，林新志.三峽升船機(jī)塔柱抗震設(shè)計[J].人民長江，2009，40（23）：56-58.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.