潘雪松

（遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧朝陽(yáng)122000）

PCCP輸水工程大型空間彎頭整體安裝新工藝

潘雪松

（遼寧省朝陽(yáng)水文局，遼寧朝陽(yáng)122000）

大型pccp管道空間彎頭的安裝既是管道安裝的難點(diǎn)，也是安裝的重點(diǎn)。文中通過(guò)對(duì)空間彎頭吊裝最佳吊點(diǎn)布設(shè)、起吊鋼絲繩內(nèi)力計(jì)算和吊裝鋼絲繩選擇、鋼桁架受力分析與制作安裝等一系列的改進(jìn)，由傳統(tǒng)的分節(jié)安裝改進(jìn)為整體安裝，達(dá)到了保證安裝質(zhì)量、提高工作效率、節(jié)省工程投資的目的。對(duì)類似工程管配件設(shè)計(jì)和安裝施工都具有指導(dǎo)作用。

大型空間彎頭；整體安裝；新工藝；PCCP管道

1 研究與應(yīng)用背景

遼寧省某重點(diǎn)輸水工程，PCCP輸水管道線路總長(zhǎng)373 km，管徑范圍在3.2～3.8 m，工作壓力范圍0.6～1.6 MPa，有空間彎頭142個(gè)，長(zhǎng)度范圍在3.27～11.5 m，角度范圍在2.04°～34.62°，單件重量范圍在17.74～62.39 t。

管道輸水工程施工過(guò)程中不可避免地要應(yīng)用空間彎頭管件，大型空間彎頭管件的安裝一直是PCCP管道安裝施工中的難點(diǎn)：安裝時(shí)節(jié)點(diǎn)兩端承插口管頭方位角和高程控制難度大；空間彎頭安裝質(zhì)心與型心不一致，甚至不在管件上；空間彎頭設(shè)置的位置往往地形較為復(fù)雜，吊裝難度大；大型空間彎頭存在固定難度大的問(wèn)題。根據(jù)傳統(tǒng)施工工藝，在2006年國(guó)家批準(zhǔn)的《特大型PCCP安裝施工工法》（國(guó)家級(jí)法）中，主要詳細(xì)闡述了大型PCCP管道標(biāo)準(zhǔn)管的安裝方法，對(duì)排氣三通、排水三通及各種彎頭管件安裝只提出了安裝要求，沒(méi)有具體的安裝工藝。而在實(shí)際安裝過(guò)程中，對(duì)于長(zhǎng)度大于7 m的配件彎頭，采取管廠分節(jié)提供，現(xiàn)場(chǎng)拼接的安裝方法。由于空間彎頭不具有對(duì)稱性，且混凝土管道工程中所用的空間彎頭平面既不水平也不垂直?；谝陨喜焕蛩兀臻g彎頭的安裝不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度很難保證。

針對(duì)這一問(wèn)題，該工程研究采用了一套大型空間彎頭管件整體安裝的新方法，從吊具、鋼桁設(shè)計(jì)到吊點(diǎn)布設(shè)技術(shù)提出一套解決方案，可極大地提高PCCP施工過(guò)程中關(guān)鍵部位的施工效率和安裝質(zhì)量。

2 吊裝最佳吊點(diǎn)布設(shè)

結(jié)合空間彎頭廠內(nèi)吊裝試驗(yàn)，在實(shí)際安裝中采用4點(diǎn)起吊，其中一點(diǎn)為插口端固定吊點(diǎn)，一點(diǎn)為承口端可調(diào)節(jié)吊點(diǎn)，另兩點(diǎn)為彎頭內(nèi)側(cè)可調(diào)節(jié)吊點(diǎn)，內(nèi)側(cè)位置可進(jìn)行微調(diào)，吊點(diǎn)位置可進(jìn)行微調(diào)，因此該吊裝模型可簡(jiǎn)化為雙懸臂簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算，其受均布荷載q作用（即為空間彎頭自身重力），其最合理的吊點(diǎn)位置是負(fù)彎矩（Mc，Md）與跨中正彎矩（Mmax）絕對(duì)值相等的吊點(diǎn)處，承口端至吊點(diǎn)的距離x與承口端長(zhǎng)度L之間的關(guān)系見(jiàn)公式（1）。

式中：q——均布荷載，kN；x——承口至吊點(diǎn)的距離，m；L——承口端長(zhǎng)度，m。

結(jié)合實(shí)際工程中的可操作性，吊點(diǎn)至插口端位置選為1.0 m。

3 起吊鋼絲繩內(nèi)力計(jì)算

圖1 空間彎頭承口端起吊鋼絲繩的內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)所吊空間彎頭的重量、鋼絲繩的根數(shù)和鋼絲繩與水平夾角的大小，可計(jì)算空間彎頭起吊鋼絲繩的內(nèi)力，將空間彎頭分為承口端和插口端兩部分進(jìn)行計(jì)算，承口端內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示，計(jì)算公式：

式中：S——單根鋼絲繩所承受的內(nèi)力，kN；Q——所吊彎頭承口端的重力，kN；n——鋼絲繩的支(根)數(shù)；α——鋼絲繩與水平面的夾角，一般為45°～60°，最小不小于30°；Sb——鋼絲繩的破斷拉力總和，kN，可由鋼絲繩規(guī)格及荷重性能表查得，也可近似按Sb= 0.5d2計(jì)算，其中d為鋼絲繩直徑，mm；k——鋼絲繩安全系數(shù)，取值范圍為5～6。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋼絲繩破壞拉力極限值表

4 吊裝鋼絲繩選擇

對(duì)鋼絲繩的選定應(yīng)遵循上述計(jì)算原則，即選用的鋼絲繩其破壞拉力總和應(yīng)大于計(jì)算的臨界值。因此，選用可滿足工程需要的鋼絲繩作捆綁吊索，其鋼絲繩的鋼絲破壞拉力總和大于計(jì)算臨界值，即可滿足要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇鋼絲繩的破壞拉力應(yīng)大于310 kN，鋼絲繩直徑與破壞拉力成正比。鋼絲繩直徑的計(jì)算公式：

由計(jì)算Sb＞310 kN，即d＞25.16，因此鋼絲繩的直徑至少選擇為26 mm，考慮施工實(shí)際情況，選擇30 mm鋼絲繩進(jìn)行吊裝，并同時(shí)配備吊鏈、卸扣，滿足工程施工要求。

鋼絲繩與空間彎頭相接觸部分，采用橡膠或麻袋布等柔性材料包覆后才能進(jìn)行空間彎頭吊裝，以防止鋼絲繩刮損管道。

鋼絲繩長(zhǎng)度的計(jì)算公式：

式中：L——鋼絲繩長(zhǎng)度，m；D——彎頭外徑，m；L1——承口端長(zhǎng)度，m。

根據(jù)計(jì)算及實(shí)際工程需要，a線、b線和c線分別選擇2個(gè)5 t吊鏈、2個(gè)5 t卸扣及2個(gè)10 t吊鏈，以滿足工程需求。實(shí)際施工中考慮到便于統(tǒng)一施工管理等實(shí)際因素，選擇a線、b線和c線中鋼絲繩最長(zhǎng)的一組作為統(tǒng)一的鋼絲繩長(zhǎng)度進(jìn)行吊裝，即共使用7條鋼絲繩，其中7號(hào)鋼絲繩長(zhǎng)21 m，1號(hào)和 2號(hào)鋼絲繩分別長(zhǎng)14 m和6 m，并配用2個(gè)10 t吊鏈，3號(hào)和4號(hào)鋼絲繩長(zhǎng)16 m，并配用2個(gè)5 t卸扣，5號(hào)和6號(hào)鋼絲繩長(zhǎng)1.5 m，并配用2個(gè)5 t吊鏈，經(jīng)過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)論證，該裝置有效可行，具體吊裝如圖2所示。

圖2 空間彎頭管件示意圖

5 鋼桁架受力分析與制作安裝

5.1 受力分析

根據(jù)管件加固方式及鋼桁架支座樣式，空間彎頭材料的連續(xù)性、均勻性等性質(zhì)，將空間彎頭的受力情況簡(jiǎn)化為作用在桿件軸線上的力，桿件用軸線表示，桿件之間的連接區(qū)用結(jié)點(diǎn)表示，桁架的所有結(jié)點(diǎn)都為鉸結(jié)點(diǎn)，桿長(zhǎng)用結(jié)點(diǎn)間的距離表示，力的作用點(diǎn)也轉(zhuǎn)移到軸線上。簡(jiǎn)化桁架的支座如圖3所示。

圖3 鋼桁架支座計(jì)算簡(jiǎn)化圖

由圖3可知，此桁架支座為一次超靜定結(jié)構(gòu)，切斷多余鏈桿，在切口處代以未知軸力，其基本體系如圖3（b）所示（其中各桿件均以序號(hào)表示）。利用多余約束處的變形條件：基本體系沿X方向的位移應(yīng)與原結(jié)構(gòu)相同，即等于0。因此可寫成△1= 0，其中，△1是基本體系沿X1方向的位移。將基本體系在荷載和未知力X1作用下的位移△1分解，先分別計(jì)算基本結(jié)構(gòu)在每種力單獨(dú)作用下的位移：荷載單獨(dú)作用時(shí)，相應(yīng)位移為△1p；單位力X1= 1單獨(dú)作用時(shí)，相應(yīng)位移為δ11，未知力X1單獨(dú)作用時(shí)，相應(yīng)位移為δ11X1。由疊加原理，得△1=δ11X1+△1p，因此變形條件為δ11X1+△1p=0，由此得一次超靜定結(jié)構(gòu)的力法基本方程，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 軸力Fn的計(jì)算

根據(jù)軸力公式計(jì)算結(jié)果可知，桁架中軸力最大為1.024F，選擇直徑為75 mm的鋼管，參考相關(guān)規(guī)范可得其抗壓承載力為24 kN，因此Fn= 1.024F≤［σ1］·A，其中A為準(zhǔn)75鋼管的面積，由此可得F≤24.54 kN。

因此，綜合以上兩方面因素，a線需要設(shè)置8個(gè)桁架，b線需要設(shè)置10個(gè)桁架，c線需要設(shè)置12個(gè)桁架。

5.2 鋼桁架制作與安裝

拼裝胎架設(shè)置：各桁架結(jié)構(gòu)尺寸一致，拼裝過(guò)程設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)胎架。拼裝胎架場(chǎng)地需硬化處理，防止桁架拼裝過(guò)程中發(fā)生胎架下陷，影響桁架拼裝進(jìn)度。拼裝胎架采用槽鋼焊接而成，根據(jù)桁架立拼時(shí)各節(jié)點(diǎn)的相對(duì)高差進(jìn)行全站儀放樣，焊接相應(yīng)位置牛腿，以便桁架拼裝過(guò)程中構(gòu)件臨時(shí)就位（如圖4所示）。

拼裝測(cè)量：桁架由準(zhǔn)75的鋼管組成，底邊長(zhǎng)2.8 m，立體高度0.6 m，上邊長(zhǎng)2.1 m，側(cè)邊長(zhǎng)0.7 m。共有a線、b線和c線3個(gè)空間彎頭，故每橫排擺放3個(gè)桁架，每個(gè)桁架相隔2.9 m。在拼裝過(guò)程中采用全站儀進(jìn)行全程拼裝監(jiān)測(cè)，從桁架弦桿就位開(kāi)始，嚴(yán)格控制各桿件匯聚點(diǎn)的位置。

圖4 鋼桁架支座細(xì)部圖

6 結(jié)論

根據(jù)理論研究提出多管同槽大直徑PCCP空間彎頭現(xiàn)場(chǎng)整體安裝技術(shù)，采用4點(diǎn)吊裝、拉鏈微調(diào)技術(shù)，確保了安裝精度。結(jié)合鋼桁架固定，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確對(duì)接安裝，確保工程質(zhì)量。

通過(guò)應(yīng)用空間彎頭整體安裝技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度得到了很大的提高，工程建設(shè)的質(zhì)量保證和進(jìn)度保障能力均得以增強(qiáng)。在保證安全生產(chǎn)的同時(shí)，加快了建設(shè)進(jìn)度，提高了工作效率，極大地緩解了工程建設(shè)進(jìn)度壓力。同時(shí)該技術(shù)的應(yīng)用為施工及各級(jí)建設(shè)管理單位節(jié)省了大量的人工投入成本。該工程全線的所有大直徑PCCP空間彎頭已全部安裝完成，全部滿足精度要求。證明了該大型空間彎頭管件整體安裝新工藝的理論研究通過(guò)了實(shí)踐檢驗(yàn)，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

［1］黃兵.超長(zhǎng)大口徑空間彎頭整體安裝技術(shù)研究［J］.東北水利水電，2015（6）.

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2016-08-22