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        框格式地下連續(xù)墻接頭保護板研究與設(shè)計

        2015-02-22 00:36:41蔣萬江
        四川水利 2015年5期
        關(guān)鍵詞:粘結(jié)力側(cè)壓力摩擦力

        蔣萬江,潘 洪

        (中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司,成都,611130)

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        框格式地下連續(xù)墻接頭保護板研究與設(shè)計

        蔣萬江1,潘 洪2

        (中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司,成都,611130)

        本文根據(jù)地下連續(xù)墻接頭管相關(guān)理論,成功研制出一種接頭保護板技術(shù),通過大規(guī)模的施工應(yīng)用,有效地解決了框格式地下連續(xù)墻接頭搭接難的問題。

        接頭保護板 框格式地下連續(xù)墻 接頭處理 桐子林水電站

        1 概述

        桐子林水電站廠壩下游縱向?qū)Τ兄亟Y(jié)構(gòu)為框格式地下連續(xù)墻,順河向布置4道,框格間距為8.43m,橫河向布置3道,框格間距為8.75m;最大設(shè)計墻深25m,設(shè)計墻厚1.2m,通過擴大節(jié)點樁連接,節(jié)點樁樁徑2.5m,最大設(shè)計樁深28m,搭接接頭(包括“L”型搭接、“丁”型搭接和“十”字型搭接)采用12mm厚Q235鋼板制成。地下連續(xù)墻、節(jié)點樁均采用C35F100W8鋼筋混凝土作為墻體(樁)材料。地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。

        圖1 框格式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)平面布置示意

        2 接頭處理難點及解決方案

        2.1 接頭處理難點

        在進行擴大節(jié)點樁混凝土澆筑時,混凝土?xí)ㄟ^鋼板接頭與節(jié)點樁孔壁之前的縫隙擴散到鋼板接頭“凹”型槽內(nèi),與鋼制接頭黏結(jié)、凝固在一起,且很難清理,直接影響到接頭的搭接質(zhì)量。若縫隙過大,混凝土可能充滿整個鋼板接頭,形成一個與鋼板接頭形狀相同的“混凝土柱”,一側(cè)與鋼板接頭壁板緊貼,另一側(cè)與孔壁緊貼,造成一邊軟一邊硬,給二次造孔帶來困難。在同一個節(jié)點樁接頭處理時,因搭接接頭較多,施工布置上難以展開。在一個節(jié)點樁施工中,如何保護好多個鋼板接頭不被混凝土包裹,是一個極大的技術(shù)難題?!笆毙痛罱庸?jié)點樁澆筑時混凝土的擴散(見圖2)所示。

        圖2 混凝土擴散示意

        2.2 解決方案

        為防止節(jié)點樁澆筑時混凝土擴散至鋼板接頭凹槽內(nèi),借鑒地下連續(xù)墻接頭管施工原理,并結(jié)合框格式地下連續(xù)墻接頭搭接樣式,研究出框格式地下連續(xù)墻接頭搭接的保護板技術(shù)。保護板技術(shù)原理是在鋼板接頭凹槽口處,設(shè)計一道弧形擋板來防止節(jié)點樁澆筑時混凝土擴散到凹槽內(nèi),保護鋼板接頭不被混凝土填充包裹,保證鋼板接頭的搭接質(zhì)量。接頭保護板見圖3所示。

        圖3 接頭保護板平面結(jié)構(gòu)

        3 接頭保護板受力分析

        接頭保護板在節(jié)點樁混凝土澆筑時,其主要起拔阻力包括接頭保護板自重、混凝土與接頭保護板之間的摩擦力和混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力(握裹力)[1]。

        3.1 接頭保護板自重

        對于接頭保護板,常采用10mm~15mm厚的Q235鋼板卷制而成。對于最大設(shè)計孔深為28m的節(jié)點樁來說,其自重Q不會超過5t,一般小噸位吊車便可吊裝。

        3.2 混凝土與接頭保護板間的摩擦阻力

        根據(jù)參考文獻,混凝土與接頭保護板間摩擦力F表達式可簡化為[2]:

        F=μπDPmax(H-hg/3)

        (1)

        式中,μ——摩擦系數(shù),一般取0.38~0.47;D——接頭保護板直徑(m);Pmax——混凝土最大側(cè)向壓力(kN);hg——最大側(cè)向壓力對應(yīng)的距混凝土面深度(m);H——接頭保護板插入混凝土深度(m)。

        水平壓力P為:

        (2)

        式中,γch為混凝土在泥漿中的容重;h為距混凝土面計算深度(m);V為混凝土面上升速度。

        根據(jù)公式(2),得出混凝土面在不同上升速度下的側(cè)壓力曲線(見圖4)。

        圖4 不同速度下的側(cè)壓力曲線

        據(jù)圖4可知,混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力沿深度方向呈曲線變化,在最大側(cè)壓深度下,由于混凝土失去了流動性而自撐力增強,因此側(cè)壓會隨著深度的增加而減小?;炷翆宇^保護板的側(cè)壓力計算簡圖如圖5所示。最大側(cè)壓力Pmax位于混凝土面以下hg深度處,側(cè)壓力假定為常數(shù)。為計算簡便,hg以上的側(cè)壓力符合二次拋物線的變化規(guī)律。即:

        當(dāng)h

        P=Pmax=〔2h/hg-(h/hg)2〕

        (3)

        當(dāng)h≥hg時,

        (4)

        圖5 側(cè)壓力計算簡圖

        最大側(cè)壓力Pmax和最大側(cè)壓力點深度hg都與混凝土的流動性及混凝土面的上升速度有關(guān)。最大側(cè)向壓力Pmax與對應(yīng)的深度hg可由圖4查出。

        3.3 混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力

        根據(jù)相關(guān)研究成果,混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力C與水泥的水化作用有關(guān),隨時間變化而變化[1]?;炷脸跄?,粘結(jié)力較小,通過實測一般為摩擦力F的5%,可以忽略[1];但起拔時間超過混凝土初凝時間后,粘結(jié)力迅速增大,直接影響到接頭保護板的起拔,此時不能忽略粘結(jié)力。其粘結(jié)力C計算公式[2]為:

        C=1/4πDvH

        (5)

        式中,v為粘結(jié)系數(shù),一般取50kN/m2。

        隨著時間推移,當(dāng)混凝土初凝后1h再進行接頭保護板起拔,接頭保護板自重及摩擦力變化不大,但粘結(jié)力將會是前兩項的3倍多。

        綜上所述,接頭保護板起拔阻力E應(yīng)該包括接頭保護板自重Q,混凝土與接頭保護板間摩擦力F,及混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力C。其綜合表達式[2]為:

        E=μπDPmax(H-1/3hg)+Q+1/4πDvH

        (6)

        為最大限度消除粘結(jié)力,須在混凝土初凝時刻進行接頭保護板起拔工作,或在混凝土澆筑后1h~2h內(nèi)進行小幅度起拔(微拔),起拔位移約為10cm左右即可破壞粘結(jié)力,后者更為安全可靠。

        4 起拔阻力計算

        4.1 基本參數(shù)

        4.1.1 框格式地下連續(xù)墻工程施工參數(shù)。地連墻墻厚1.2m,節(jié)點樁樁徑2.5m,混凝土容重為2373kg/m3,清孔后泥漿容重根據(jù)規(guī)范要求不大于1.3g/cm3(取值1150kg/m3)?;炷脸跄龝r間4h,混凝土澆注上升速度為4m/h,混凝土與接頭保護板間的摩擦力系數(shù)0.4。

        4.1.2 根據(jù)地連墻(墻厚1.2m)鋼板接頭凹槽開口為1.2m,弧形接頭保護板寬度1.1m,直徑1.6m,采用12mm厚Q235鋼板卷制而成,接頭保護板單位質(zhì)量0.116t/m。

        4.1.3 框格式地下連續(xù)墻節(jié)點樁最大設(shè)計深度28m,接頭保護板總長30m。

        4.2 起拔阻力計算

        4.2.1 接頭保護板自重計算

        接頭保護板在泥漿中的重量Q,因接頭保護板體積小,可忽略泥漿浮力,又因接頭保護板單位質(zhì)量為0.116t/m,即:Q=(116×9.8/1000)×30=34.1kN。

        4.2.2 混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的摩擦力計算

        由圖4可知,Pmax=38kN/m2,hg=10.8m,因摩擦力大小與混凝土包裹接頭保護板面大小有關(guān),即接頭管未被混凝土完全包裹住時,摩擦力降低為70%[2]。考慮到接頭保護板弧長約為同徑圓周的1/4,所以摩擦力F要大大降低,可取35%,則摩擦力F=0.35μπDPmax(H-hg/3)=0.35×0.4×3.14×1.6×38×(28-10.8/3)≈652kN。

        4.2.3 混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力計算

        若混凝土初凝后1h進行接頭保護板起拔,混凝土對接頭保護板產(chǎn)生的粘結(jié)力C=1/4πDvH=0.25×3.14×1.6×50×28=1758.4kN。

        綜上所述,若在接頭保護板起拔前進行了微拔(不考慮粘結(jié)力影響),接頭保護板起拔阻力Emax=Q+F=34.1+652=686.1kN;若混凝土初凝后1h起拔接頭保護板(接頭保護板未進行微拔,考慮粘結(jié)力影響),接頭保護板阻力Emax=Q+F+C=34.1+652+1758.4=2445.5kN。

        5 接頭保護板連接設(shè)計

        5.1 設(shè)計方案

        上述計算結(jié)果表明,混凝土粘結(jié)力是影響接頭板起拔的關(guān)鍵,為了保證接頭板起拔安全,必須在混凝土初凝前進行微動以克服其產(chǎn)生的粘結(jié)力。因此,接頭板設(shè)計工況主要考慮起拔時接頭板自重、摩擦力,同時按安全系數(shù)1.4進行接頭保護板連接設(shè)計。

        參照混凝土防滲墻接頭管配管原理,結(jié)合框格式地下連續(xù)墻工程實際,接頭保護板配置了起拔板、標(biāo)準(zhǔn)板和底板。在起拔板和底板的一端、以及在標(biāo)準(zhǔn)板的兩端,焊有20mm厚的Q235螺栓連接板,標(biāo)準(zhǔn)板的上下兩端通過螺栓連接板分別連接起拔板和底板,螺栓連接板預(yù)采用3支10.9級M36型高強螺栓連接。

        5.2 螺栓抗剪承載力驗算

        現(xiàn)計算M36型高強螺栓、螺栓連接板為20mm厚Q235鋼板的單栓抗剪承載力,連接方式如圖6所示。計算如下:

        因此,M36型高強螺栓單栓抗剪承載力為338.4kN。而本接頭保護板采用的是3支M36型高強螺栓連接,其抗剪承載力總和為1015.2kN(338.4kN×3)。

        若接頭保護板下設(shè)深度按照28m計算,在不考慮粘結(jié)力(握裹力)對接頭保護板起拔影響情況下(施工過程中進行接頭保護板微拔),接頭保護板最大起拔阻力為686.1kN,安全系數(shù)k=1.5。因此,通過驗算表明,采用3支10.9級M36高強螺栓和20mm厚Q235的螺栓連接板連接接頭保護板是安全可行的。

        6 接頭保護板起拔系統(tǒng)設(shè)計

        6.1 起拔系統(tǒng)工作原理

        根據(jù)地下連續(xù)墻接頭管起拔原理,結(jié)合框格式地下連續(xù)墻節(jié)點施工特點,研制了接頭保護板起拔系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括軌道銷梁和拔板機,軌道銷梁兩端分別由拔板機支撐。系統(tǒng)原理如圖6所示。

        圖6 拔板系統(tǒng)原理圖

        6.2 起拔系統(tǒng)受力分析

        根據(jù)圖6,該系統(tǒng)受力特點可簡化成兩端自由的簡支梁受力體系,其力學(xué)分析如圖7。

        圖7 拔板系統(tǒng)受力分析簡圖

        若接頭保護板下設(shè)深度同樣按照28m計算,根據(jù)接頭保護板連接設(shè)計計算,起拔阻力為1015.2kN。即圖7中P=1015.2kN;A、B支座反力(剪力)則為P/2=507.6kN。根據(jù)施工布置確定,軌道銷梁長度L為1.7m,跨中彎矩M=PL/4=431.46kN.m。因此,拔板系統(tǒng)可選用單根承載力大于507.6kN的拔板機;軌道銷梁可選用能承受跨中彎矩值為431.46kN.m和支座反力為507.6kN的軌道鋼。

        7 結(jié)語

        在本工程中,根據(jù)上述自行研究設(shè)計的接頭板系統(tǒng),共完成拔板600m,避免了二次造孔,加快了施工進度,運用過程中未發(fā)生混凝土繞流至鋼板接頭凹槽內(nèi),施工操作安全、快捷,降低了人工勞動強度。通過實踐應(yīng)用,得出以下結(jié)論:

        (1)接頭保護板設(shè)計理論在工程中應(yīng)用是可行的。接頭保護板起拔阻力理論值略大于實際值,但偏差不大,為接頭保護板施工提供了理論依據(jù);

        (2)接頭保護板結(jié)構(gòu)及起拔系統(tǒng)使用時安全可靠,未出現(xiàn)任何異常,表明該系統(tǒng)設(shè)計成功;

        (3)接頭保護板技術(shù)的出現(xiàn),為地下連續(xù)墻接頭處理增添了一種新穎的施工方法,具有較好的參考價值。

        〔1〕閻逢君,方 紅.地下連續(xù)墻接頭管起拔研究討論.探礦工程,2003年增刊.

        〔2〕王 斌.地下連續(xù)墻接頭管提拔時間的實驗研究.價值工程.

        〔3〕中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)高強螺栓連接技術(shù)規(guī)程.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.4.

        潘 洪(1986-),男,助理工程師,二級建造師,從事水利水電施工技術(shù)及管理工作。

        TV223.84:TV314

        A

        2095-1809(2015)05-0011-05

        蔣萬江(1970-),男,高級工程師,一級建造師,主要從事水利水電工程施工、地基與基礎(chǔ)工程施工技術(shù)及管理工作;

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