饒 昌 福，　周 振 興，　劉　超

(中國葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都　610091)

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豎井整體液壓自爬模板的研發(fā)與應(yīng)用

饒 昌 福，周 振 興，劉超

(中國葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都610091)

介紹了專為錦屏一級水電站豎井混凝土施工研究、設(shè)計(jì)的、適用于復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)、可用于空間狹窄深井的液壓自動(dòng)爬升模板情況，對類似工程的模板施工具有一定的參考價(jià)值。

豎井；液壓自爬；模板；研發(fā)；應(yīng)用；錦屏一級水電站

1　概　述

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)的雅礱江干流上，為國家“十一五”規(guī)劃中的重點(diǎn)工程，是國家西部大開發(fā)和西電東送的重要標(biāo)志性工程。電站由擋水、泄洪及消能、引水發(fā)電等建筑物組成，水庫總庫容為

77.6億m3，電站總裝機(jī)容量為360萬kW。電站混凝土雙曲拱壩壩頂高程1 885 m，最大壩高305 m,設(shè)置25條橫縫，將大壩分為26個(gè)壩段，橫縫間距為20～25 m，平均壩段寬度為22.6 m,是目前世界上已建、在建和設(shè)計(jì)中的最高混凝土雙曲拱壩。

錦屏一級水電站豎井位于大壩18#壩段，該豎井結(jié)構(gòu)形式為異型結(jié)構(gòu)，由樓梯井、電梯井、通風(fēng)井及井間隔墻組成，井深約270多m，井內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可用空間狹窄，空間跨度較大。由于業(yè)主要求工期提前，原有豎井的模板方案已不能滿足趕工計(jì)劃要求，而應(yīng)用常規(guī)方案則有諸多問題需要解決，因此，多能模板公司應(yīng)邀為該豎井研究設(shè)計(jì)和制造專用模板。

2　模板設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

錦屏一級水電站拱壩壩體主要為C30(180 d)、C35(180 d)、C40(180 d)常態(tài)混凝土。模板設(shè)計(jì)的技術(shù)要求為:

(1)滿足豎井體型偏差要求，即平面定位中心線允許偏差+25 mm～0 mm、井全高(H)垂直度H/1 000且≤30 mm；

(2)能夠承受最快3 h澆筑一層(50 cm厚)的澆筑強(qiáng)度；

(3)混凝土澆筑升層高度為4.5 m，層間間歇7～10 d；

(4)既能自動(dòng)爬升，又能整體吊裝；

(5)確保在各種工況下模板穩(wěn)固、安全，操作方便、快捷；

(6)具有較好的通用性；

(7)部件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

3　模板的基本構(gòu)思及出現(xiàn)的問題

經(jīng)與施工單位溝通，了解到按趕工計(jì)劃組織施工現(xiàn)場原配置的起吊設(shè)備在施工高峰期運(yùn)力不足，此期間要求豎井模板能夠自行爬升至下一倉位施工，在起吊設(shè)備可用的情況下，豎井模板亦可由起吊設(shè)備整體提升至下一倉位施工。

為滿足模板設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，豎井模板應(yīng)能滿足4.5 m混凝土澆筑升層，在沒有起吊設(shè)備可用的情況下，能自行爬升至下一施工倉位。技術(shù)人員通過對有類似功能模板的比較、分析，認(rèn)為采用帶液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模板系統(tǒng)即豎井液壓自爬模板(以下簡稱模板)較為適宜，但其存在以下問題：

(1)與液壓滑模不同，液壓自動(dòng)爬升模板一直是國內(nèi)外模板界的前沿技術(shù)和重點(diǎn)研究課題，其技術(shù)含量高，系國內(nèi)外一流模板企業(yè)的標(biāo)志性產(chǎn)品。葛洲壩多能模板公司作為集團(tuán)公司的模板研究所，多年來一直在關(guān)注、跟蹤、研究該類模板技術(shù)，但尚未掌握該類模板的設(shè)計(jì)、制造及使用等關(guān)鍵、核心技術(shù)。

(2)豎井為不規(guī)則的異型結(jié)構(gòu)，井間有隔墻，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角多，模板結(jié)構(gòu)如何布置才能與之適應(yīng)，且安全、穩(wěn)固。

(3)混凝土單倉澆筑高度為4.5 m，模板如何加固并滿足豎井體型偏差要求且操作方便、快捷。

(4)如何安全、快捷地實(shí)現(xiàn)模板一次性連續(xù)爬升4.5 m。

(5)豎井結(jié)構(gòu)不規(guī)則，液壓系統(tǒng)分配的外力將不均勻。如何實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)偏載工況下的同步。

4　模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)與施工單位溝通，明確了豎井樓層現(xiàn)澆板及豎井間的隔墻為后期施工，豎井自爬模板設(shè)計(jì)時(shí)不予考慮。

針對上述問題，結(jié)合豎井自爬模板的設(shè)計(jì)要求、模板的加工制造工藝、施工工藝等因素，經(jīng)對多種模板方案進(jìn)行比較后，確定在總體方案設(shè)計(jì)時(shí)合理地將豎井自爬模板設(shè)計(jì)為幾個(gè)面板結(jié)構(gòu)基本相同或?qū)ΨQ、桁架結(jié)構(gòu)相同或?qū)ΨQ且相對獨(dú)立的整體單元。模板爬升時(shí)，爬升系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下桁架(爬升桁架)，帶動(dòng)整個(gè)模板爬升。澆筑混凝土?xí)r，各單元的模板及上桁架(模板桁架)需連成整體，共同承擔(dān)施工荷載，其它工況下各單元既可以獨(dú)立施工作業(yè)，也可整體施工作業(yè)，相互之間的施工作業(yè)干擾小，且可同時(shí)多工作面施工作業(yè)，有效地化解了復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)給該模板結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)及加工制造帶來的困難。豎井自爬模板平面見圖1。

1.面板；2.柔性內(nèi)角模；3.外角模；4.桁架；5.調(diào)節(jié)桿；6.豎圍檁圖1　豎井自爬模板平面示意圖

豎井自爬模板主要由面板系統(tǒng)、桁架系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、爬升系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、操作平臺系統(tǒng)等組成(圖2)。各系統(tǒng)相對獨(dú)立，需組裝成套使用。

4.1面板系統(tǒng)

面板系統(tǒng)主要由鋼面板、豎圍檁、S調(diào)節(jié)件、鉤頭螺栓、滑輪吊桿等組成。鋼面板由鋼板組焊成格構(gòu)件，高度方向由2塊高度為1.5 m和一塊1.6 m的面板組成，各面板間用M16×45的螺栓連接，寬度方向根據(jù)豎井的平面尺寸合理分塊(圖1)。豎圍檁由槽鋼組焊而成，用鉤頭螺栓與面板連成單塊整體，經(jīng)滑輪吊桿懸掛于上桁架。澆筑混凝土?xí)r，各單塊整體通過U形卡連成一體，通過調(diào)節(jié)桿將面板系統(tǒng)的受力傳于上桁架。操作調(diào)節(jié)桿可帶動(dòng)面板系統(tǒng)前后移動(dòng)，完成模板的安裝、拆除工序。

4.2桁架系統(tǒng)

桁架系統(tǒng)主要由上桁架和下桁架通過螺栓連接而成，各桁架由型材組焊而成，是整個(gè)自爬模板的骨架和重要的受力及傳力部件之一。桁架分為三個(gè)獨(dú)立的整體單元，爬升模板時(shí)，各單元獨(dú)立操作、互不影響。澆筑混凝土?xí)r，各單元間用調(diào)節(jié)桿連接，形成一個(gè)整體桁架，共同承擔(dān)施工荷載。上桁架主要為面板系統(tǒng)提供支撐及模板系統(tǒng)操作的空間。下桁架主要為整個(gè)模板系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)支撐及爬升模板時(shí)的操作空間(圖1、2)。

下桁架設(shè)有結(jié)構(gòu)尺寸偏差調(diào)節(jié)裝置，在混凝土結(jié)構(gòu)尺寸出現(xiàn)偏差時(shí)，具有較大的偏差適應(yīng)范圍。下桁架還設(shè)有水平觀測裝置，可隨時(shí)觀測液壓爬模的平衡狀況，方便液壓爬模的平衡控制。

4.3錨固系統(tǒng)

1.面板；2.豎圍檁；3.鉤頭螺栓；4.S調(diào)節(jié)件；5.滑輪吊桿；6.調(diào)節(jié)桿；7.上桁架；8.下桁架；9.工作平臺；10.懸桿；11.液壓站；12.錨固系統(tǒng)；13.懸掛座；14.爬架頭；15.上爬升盒；16.液壓油缸；17. 下爬升盒；18. 附墻支撐；19.爬軌；20.軌道支撐圖2　豎井自爬模板組裝示意圖(A—A剖視圖)

錨固系統(tǒng)主要由錨筋、定位錐、高強(qiáng)螺栓、懸掛座等組成，通過各部件自身螺紋組裝成整體成套使用，是重要受力及傳力部件之一。

4.4爬升系統(tǒng)

爬升系統(tǒng)主要由爬架頭、上爬升盒、下爬升盒、附墻支撐、軌道和軌道支撐組成。通過各部件組裝嵌套，組成可相互相對移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，在液壓油缸的往返驅(qū)動(dòng)下，機(jī)構(gòu)各部件協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)模板和軌道的自動(dòng)爬升。爬升系統(tǒng)是模板爬升工況時(shí)的重要受力及傳力部件。

4.5液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要由油箱、電動(dòng)機(jī)、柱塞泵、溢流閥、壓力表、換向閥、分流器、同步分流器、液壓油缸、油管、油路接頭等組成。電動(dòng)機(jī)通電后，帶動(dòng)柱塞泵工作，使壓力油在換向閥的控制下、沿油路分別進(jìn)入液壓油缸的有桿腔或無桿腔，驅(qū)使液壓油缸的往返運(yùn)動(dòng)，為模板的自動(dòng)爬升提供液壓動(dòng)力。液壓系統(tǒng)中設(shè)有同步分流、油缸行程終端誤差補(bǔ)償、油缸行程終端補(bǔ)油等功能，可確保在多油缸、偏載荷工況狀態(tài)下安全、同步、平穩(wěn)、快速爬升。

4.6操作平臺系統(tǒng)

操作平臺系統(tǒng)主要由型鋼、鋼板網(wǎng)組成，共設(shè)四層，為工作人員提供安全的作業(yè)空間。

5　模板結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1模板的荷載及傳遞路徑

5.1.1模板承受的主要荷載

(1)新澆混凝土的側(cè)壓力(以下簡稱側(cè)壓力)，其值為26.1 kN/m2。

(2)振搗混凝土對豎直模板的壓力(以下簡稱振搗力)，其值為4 kN/m2。

(3)施工人員和設(shè)備的荷載(以下簡稱人員設(shè)備荷載)，其值為2.5 kN/m2，按1.5層平臺考慮，人員設(shè)備荷載為152 kN。

(4)結(jié)構(gòu)自重荷載(以下簡稱自重荷載)，其值為420 kN。

5.1.2模板承受荷載的傳遞路徑

這條傳力路徑是水平荷載的，將豎井四周的側(cè)壓力、振搗力經(jīng)面板系統(tǒng)、調(diào)節(jié)桿傳給上桁架，對類似結(jié)構(gòu)及受力工況有較多的成功工程經(jīng)驗(yàn)，可以直接借鑒使用，不需再作進(jìn)一步的驗(yàn)算。

5.2模板的力學(xué)模型及計(jì)算

考慮到下桁架(爬升架)在其它結(jié)構(gòu)工程的通用性，將其力學(xué)模型簡化，取消了斜壓桿下端的水平連桿及豎直段壓桿，按簡化后的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算更為安全。上橫桿為雙12槽鋼，立桿為雙16槽鋼，斜壓桿為雙10槽鋼，水平段壓桿為雙10槽鋼。將結(jié)構(gòu)自重荷載和人員設(shè)備荷載共計(jì)572 kN均分到9榀桁架上，每榀桁架受力為63.6 kN，驗(yàn)算時(shí)取100 kN線形均勻分布于下桁架的上橫桿。

經(jīng)有限元結(jié)構(gòu)分析軟件運(yùn)算得知：

(1)最大變形發(fā)生在上橫桿的中部，其值為

0.6 mm<2.86 mm=2 860(結(jié)構(gòu)跨度)/1 000。

(2)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比為0.54<0.9。

(3)支座反力：

①鉸支座的水平力為23.1 kN(拉力)，豎直力為50 kN(向上)，均為錨固系統(tǒng)需要提供的力，現(xiàn)有的技術(shù)手段完全能夠滿足要求。

②滑移支座的水平力為9.7 kN(壓力)。

經(jīng)驗(yàn)算得知該結(jié)構(gòu)是安全、可靠的。

6　模板運(yùn)行試驗(yàn)

為了解所設(shè)計(jì)的豎井自爬模板運(yùn)行情況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性及可靠性，我們按照設(shè)計(jì)方案試制了一套自爬模板，先后在加工廠內(nèi)模擬現(xiàn)場的工況進(jìn)行了液壓系統(tǒng)同步性試驗(yàn)和自爬模板負(fù)載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明所試制的模板基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，但也存在一些缺陷，從而為自爬模板最終的設(shè)計(jì)定型和制訂自爬模板操作技術(shù)規(guī)程提供了寶貴的資料。

6.1模板液壓系統(tǒng)同步性試驗(yàn)

為驗(yàn)證模板液壓系統(tǒng)負(fù)載工作時(shí)的同步性，根據(jù)不同的荷載，油缸布置分為兩種工況，每種工況試驗(yàn)兩次，測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)四組。

(1)工況一。

試驗(yàn)荷載為3 t，荷載及油缸布置位置見圖3。六個(gè)油缸同步動(dòng)作，在油缸頂升50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm處，分別測量六個(gè)油缸活塞桿伸出的長度并據(jù)此檢驗(yàn)油缸的同步性。該工況試驗(yàn)兩次，測得數(shù)據(jù)兩組，每組30個(gè)數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)的最大同步誤差分別為5 mm和9 mm，平均同步誤差分別為4.2 mm和7.8 mm。

圖3　荷載、油缸平面分布示意圖

(2)工況二。

試驗(yàn)荷載為4.5 t，荷載及油缸布置位置見圖4。六個(gè)油缸同步動(dòng)作，在油缸頂升50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm處分別測量六個(gè)油缸活塞桿伸出的長度并據(jù)此檢驗(yàn)油缸的同步性。該工況試驗(yàn)兩次，測得數(shù)據(jù)兩組，每組30個(gè)數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)的最大同步誤差分別為11 mm和10 mm，平均同步誤差分別為7.2 mm和6.2 mm。

圖4　荷載、油缸平面分布示意圖

試驗(yàn)情況表明模板液壓系統(tǒng)負(fù)載工作時(shí)同步性較好，滿足同步性偏差小于10 mm的設(shè)計(jì)要求。

6.2模板負(fù)載試驗(yàn)

為方便試驗(yàn)，專門設(shè)計(jì)加工了一套試驗(yàn)架?？紤]到試驗(yàn)場地空間有限，設(shè)定每倉爬升高度為2 m,爬架爬升兩個(gè)升層共4 m，軌道爬升一個(gè)升層2 m，分5 t、10 t、15 t、20 t四個(gè)負(fù)載級別進(jìn)行爬升試驗(yàn)。試驗(yàn)用負(fù)載重物采用車間鋼板邊角料制備，按照鋼板規(guī)格的大小統(tǒng)一分類，將分好類的鋼板按照2 t或2.5 t一包(以下簡稱鋼板包)打包堆放，并將重量醒目標(biāo)識備用。根據(jù)試驗(yàn)需要用廠房內(nèi)的橋吊將鋼板包吊入負(fù)重箱并按要求擺放。

在試驗(yàn)中，需要重復(fù)第2～4步，安裝懸吊平臺后，下一次負(fù)載試驗(yàn)時(shí)需撤除，實(shí)際試驗(yàn)工程中將懸吊平臺簡化為一層，安裝在附墻支撐處爬架剪撐上。

負(fù)重試驗(yàn)共進(jìn)行了5 t、10 t、20 t三個(gè)級別，整個(gè)試驗(yàn)過程歷時(shí)1.5 d，試驗(yàn)過程較為順利。試驗(yàn)過程中試驗(yàn)架及爬升系統(tǒng)各部分工作正常、協(xié)調(diào)，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

7　現(xiàn)場應(yīng)用情況

豎井自爬模板于2010年1～ 6月完成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試制、廠內(nèi)模擬工況荷載試驗(yàn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)調(diào)整、定型工作，2010年7月開始正式投入生產(chǎn)， 2010年12月投入現(xiàn)場使用，截止2012年12月豎井施工高度達(dá)240多m，模板爬升高度達(dá)240多m，共計(jì)50多倉。經(jīng)現(xiàn)場使用驗(yàn)證，該模板結(jié)構(gòu)布局科學(xué)、合理、安全、可靠，操作簡單、方便、快捷，爬升平穩(wěn)、快速，每次升層爬升平均用時(shí)1.5 h，混凝土外觀平順、光潔，達(dá)到了該模板研發(fā)的預(yù)期目標(biāo)。

8　結(jié)　語

豎井自爬模板的成功研發(fā)和應(yīng)用，首次解決了模板適用于復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)深井(約270 m)、可用空間狹窄、大跨度、偏荷載、多油缸同步爬升、短行程油缸大爬升高度、油缸行程誤差修正、爬升安全自鎖、快速拆裝等關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)在業(yè)內(nèi)鮮有記錄，部分尚屬首創(chuàng)。該模板技術(shù)含量高，適用范圍廣，實(shí)用性、通用性強(qiáng)，能顯著降低工程費(fèi)用，縮短工期，其市場前景廣闊，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著。該模板的成功研發(fā)與應(yīng)用為豎向高度大、復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的混凝土快速施工提供了一套全新的模板技術(shù)。首次在錦屏一級水電站使用即引起了業(yè)內(nèi)許多專家及施工單位的關(guān)注并贏得高度評價(jià)。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-05-20

TV7;TV53+6

B

1001-2184(2016)04-0052-05

饒昌福(1968-)，男，湖北新洲人，分公司總工程師，教授級高級工程師，從事土木工程技術(shù)與管理工作；

周振興(1982-)，男，江蘇泰州人，分公司副總工程師，工程師，從事機(jī)電及自控技術(shù)與管理工作；

劉超(1983-)，男，湖北十堰人，分公司副總工程師，工程師，從事土木工程技術(shù)與管理工作.