仇中為
(鎮(zhèn)江新華電建設(shè)勞務(wù)有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)
田灣核電站5、6號(hào)機(jī)組循環(huán)水進(jìn)排水管道結(jié)構(gòu)(GD溝)施工段內(nèi)襯玻璃鋼管道直徑3600mm(主)、2400mm(支),玻璃鋼管道為圓形,循環(huán)水進(jìn)排水管溝結(jié)構(gòu)為方形。其中C、D、E、G段為上下雙層玻璃鋼管道,每段結(jié)構(gòu)分上下行支管,直徑2200mm。因受場(chǎng)地條件限制,此雙層內(nèi)襯玻璃鋼結(jié)構(gòu)需2次澆筑完畢(斜面分層),第1次澆筑至-15.950m、第2次澆筑至-12.600m(頂部)(見(jiàn)圖1)。
1)由于玻璃鋼管道直徑較大,且為全封閉結(jié)構(gòu),在混凝土澆筑過(guò)程中,玻璃鋼管管道受混凝土浮力較大,玻璃鋼管道固定抗浮固定措施必須另行設(shè)計(jì)。
2)由于2011年部分回填已澆筑,未考慮玻璃鋼管道支架固定問(wèn)題,部分支架下埋件需先植筋后鋼板塞孔焊接。
3)由于一側(cè)回填已施工完畢,玻璃鋼管道下1/3區(qū)域無(wú)法有效振搗,易出現(xiàn)漏振現(xiàn)象,影響混凝土澆筑質(zhì)量
直徑3600mm主管固定支座按圖2布設(shè),10號(hào)槽鋼口對(duì)口雙拼,槽鋼底部預(yù)埋件布置間距不大于2200mm,預(yù)埋件型號(hào)為ME202010,采用雙鋼帶焊
混凝土側(cè)壓力取小值33.6kN/m2;混凝土有效壓頭高度h=F/γc=1.4m。當(dāng)x<2.2m時(shí),P(x)=33.6kN/m2;當(dāng) x>2.2m 時(shí),P(x)=86.4-24x。
當(dāng)混凝土澆筑至玻璃鋼管頂(見(jiàn)圖3),將數(shù)值帶入式(1)得出玻璃鋼管承受浮力為87.87kN/m。玻璃鋼管標(biāo)準(zhǔn)件單位長(zhǎng)度重力G’=ρ’gV,ρ’為玻璃鋼管密度,由廠家提供取2100kg/m3,故單位長(zhǎng)度F2=接,玻璃鋼管與固定支座、鋼帶間墊橡膠板(防止對(duì)玻璃鋼管的破壞)。原2011年回填區(qū)域,采用植筋鋼板塞孔焊接:HRB40直徑14mm鋼筋,6根,基本錨固長(zhǎng)度396mm。
計(jì)算玻璃鋼管道固定支座的抗浮能力需先計(jì)算出玻璃鋼管道在混凝土澆筑時(shí)的浮力。但混凝土非純液態(tài),需另行設(shè)計(jì)計(jì)算模型[1]。通過(guò)建立模型微積分求導(dǎo),得出具有普遍適用性的流態(tài)物質(zhì)對(duì)浸入物體的浮力計(jì)算式:
式中,S(x)為物體的截面積隨深度的變化曲線;P(x)為混凝土側(cè)壓力;x為物體浸入深度。
在混凝土澆筑不同階段,玻璃鋼管所受浮力不同,需劃分澆筑階段分析,同時(shí)分別求出積分式及阿基米德定律數(shù)值,相互比較得出最大浮力。
1)微積分法742kg,則玻璃鋼管有效浮力F=80.87kN/m。
當(dāng)混凝土澆筑至管身一半以上1.4m時(shí)(見(jiàn)圖4),將數(shù)值帶入公式(1)得出玻璃鋼管承受浮93.73kN/m,則玻璃鋼管有效浮力F=86.73kN/m。
當(dāng)混凝土澆筑至管身一半以上0.7m時(shí)(見(jiàn)圖5),將數(shù)值帶入公式(1)得出玻璃鋼管承受浮力為117.26kN/m,則玻璃鋼管有效浮力F=110.26kN/m。
2)阿基米德定律
阿基米德原理適用于全部或部分浸入靜止流體的物體,但要求物體下表面必須與流體接觸。綜上得出當(dāng)混凝土澆筑至管身一半以上0.7m時(shí),排出流體體積最大,浮力最大,取管身長(zhǎng) 1m計(jì)算:F=ρgv=117.86kN/m,則玻璃鋼管有效浮力F=110.86kN/m。
根據(jù)2種理論計(jì)算辦法,可知混凝土澆筑至管身一半以上1/2有效壓頭高度時(shí),圓形玻璃鋼管道產(chǎn)生的有效浮力最大,具有普遍適用性。因此,最不利浮力取值110.86kN/m。
圖1 循環(huán)進(jìn)排水主、支管道布設(shè)示意
圖2 直徑3600mm主管固定支座示意
圖3 混凝土澆筑至玻璃鋼管頂
圖4 混凝土澆筑至管身一半以上1.4m
圖5 混凝土澆筑至管身一半以上0.7m
玻璃鋼管道支座體系構(gòu)成復(fù)雜,各構(gòu)件均對(duì)最終浮力有影響,需分別對(duì)各構(gòu)件單獨(dú)計(jì)算。本計(jì)算附加1.5的安全系數(shù),以消除各構(gòu)件的組裝偏差。
玻璃鋼管抗浮措施采用雙拼槽鋼支架,2根鋼帶分別與支架焊接收緊玻璃鋼管方式。
單根鋼帶與槽鋼焊接的方式:每條鋼帶兩端均與槽鋼焊接,每端焊縫為,2道豎向焊縫長(zhǎng)300mm,焊腳尺寸6mm;1道水平焊縫長(zhǎng)100mm,焊腳尺寸6mm(水平焊縫不計(jì)入驗(yàn)算),焊縫均為角焊縫。
根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中側(cè)面角焊縫(作用力平行于焊縫長(zhǎng)度方向)公式7.1.3-2得:N=387.072kN,根據(jù)力學(xué)原理,1根鋼帶焊縫可承受N=774.144kN。
鋼帶布置取槽鋼支架榀間最大間距2.2m,取最不利浮力F為110.86kN/m,取安全系數(shù)為1.5,鋼帶拉力為365.838kN<774.144kN,故只考慮豎向焊縫,安全系數(shù)取1.5的情況下,1根鋼帶焊縫強(qiáng)度仍滿足抗浮要求,2根鋼帶必定滿足要求,且安全儲(chǔ)備較大。
鋼帶為Q235B材質(zhì),厚6mm,根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》式 3.4.1-1抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[σ]為215N/mm2,根據(jù) N/A≤[σ],1根鋼帶可承受 N≤A[σ]=129.00kN。玻璃鋼管所受浮力取安全系數(shù)1.5,F(xiàn)浮約為 365.838kN,每根鋼帶所受拉力為91.46kN<129.00kN。因此現(xiàn)場(chǎng)采用2根鋼帶抗拉,安全系數(shù)1.5的情況下,拉力符合要求,且安全儲(chǔ)備較大。
立柱采用10號(hào)雙拼槽鋼與埋件焊接,焊縫尺寸10mm。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中正面角焊縫(作用力垂直于焊縫長(zhǎng)度方向)式7.1.3-1得出1塊埋件焊縫N≤he·lw·βf·ffw=358.4kN。取最不利浮力F為110.86kN,榀間最大間距2.2m,取安全系數(shù)1.5,則1榀承受最大浮力為365.838kN。
每榀3根槽鋼立柱,按極限狀態(tài)考慮:中間立桿不受力,兩側(cè)立桿受拉力。單根槽鋼立柱抗拉拔力[N立柱]=182.919kN<358.4kN,在安全系數(shù)取1.5的情況下,槽鋼立柱焊縫抗浮滿足要求,且安全儲(chǔ)備較大。
取最不利浮力F為110.86kN,榀間最大間距2.2m,取安全系數(shù)1.5,則1榀承受最大浮力為365.838kN。每榀3根槽鋼立柱,每立柱下埋件含6根錨筋,則單根槽鋼立柱抗拉拔力最小不得小于[N立柱]>121.946kN,單根植鋼筋抗拉拔力不得小于[N鋼筋]>20.32kN。
本工程采用HRB400直徑14mm鋼筋,基本錨固長(zhǎng)度lb=afy=396mm。
抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[N鋼筋]=fy·As=55.4kN>20.32kN(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抗拉拔試驗(yàn)單根實(shí)測(cè)拉拔力分別為 60.0,63.4,62.1kN)。
實(shí)測(cè)結(jié)果大于計(jì)算結(jié)果原因:①核電C15混凝土強(qiáng)度基本達(dá)C20以上;②2011年澆筑混凝土強(qiáng)度發(fā)育時(shí)間長(zhǎng)。符合實(shí)際情況。
因此,每根立桿下埋件6根直徑14mm鋼筋,安全系數(shù)取1.5的情況下,抗拉拔力仍遠(yuǎn)大于玻璃鋼管浮力要求。
玻璃鋼管受到混凝土壓力主要體現(xiàn)在混凝土澆筑至管身中間以下時(shí),混凝土對(duì)管身的浮力,及混凝土澆筑至管身中間以上時(shí),混凝土的重力在管身上的壓力。其中混凝土布料時(shí)產(chǎn)生的沖擊偶然荷載也不容忽視。
根據(jù)前文中相關(guān)內(nèi)容,混凝土側(cè)壓力取小值F3=min(F1,F(xiàn)2)=33.6kN/m2;混凝土有效壓頭高度h=F/γc=1.4m。
據(jù)此,玻璃鋼管中下部分受到混凝土側(cè)壓力為33.6kN/m2<70.0kN/m2(根據(jù)廠家資料《鋼筋混凝土增強(qiáng)回填》SN5000無(wú)內(nèi)部支撐時(shí)的最大灌漿壓力取值),滿足要求。
混凝土澆筑至管身中間以上時(shí),隨著混凝土澆筑面的升高,混凝土對(duì)玻璃鋼管的壓力越大。當(dāng)混凝土澆筑至下層玻璃鋼管頂部以上1.4m時(shí),下層玻璃鋼管頂部壓力達(dá)到最大,此壓力為混凝土壓強(qiáng)G=γcgh=33.6kN/m2<70.0kN/m2,滿足要求。
根據(jù)前文對(duì)玻璃鋼管道剛度、抗彎、擾度的驗(yàn)算內(nèi)容可知:玻璃鋼管無(wú)內(nèi)襯時(shí),混凝土對(duì)玻璃鋼管側(cè)壓力滿足要求。實(shí)際情況中,混凝土澆筑時(shí),振動(dòng)棒會(huì)對(duì)玻璃鋼管產(chǎn)生沖擊力,根據(jù)JGJ162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》表4.1.2可知:溜槽、串筒或套管下料時(shí),沖擊荷載取2kN/m2。本工程玻璃鋼管內(nèi)采用鋼管米字撐抵消混凝土沖擊荷載,米字撐2m一檔。
計(jì)算模型建立:將玻璃鋼管切割展開(kāi),近似為普通模板壓力計(jì)算。玻璃鋼管作為混凝土模板厚31mm;內(nèi)楞使用 40mm×90mm木方 2個(gè),間距1.413m;外楞采用鋼管φ48mm×3.5mm按1.413m×2.000m布置(見(jiàn)圖6)。
圖6 玻璃鋼管模型
1)剛度驗(yàn)算
取小值 F3=min(F1,F(xiàn)2)=33.6kN/m2,取玻璃鋼管寬4.239m為計(jì)算單元,按3跨連續(xù)梁計(jì)算,跨度1.413mm,作用于模板上的線荷載設(shè)計(jì)值:q=142.43kN/m。
根據(jù)廠家資料《玻璃鋼加筋剛度計(jì)算》:管壁彎曲模量Eb=25056MPa;管壁加筋處彈性模量Er=27000MPa,本計(jì)算取不利模量E=25056MPa。玻璃鋼管廠家許可的管道垂直變形為108mm,最大允許長(zhǎng)期垂直變形(直徑)為195.12mm。廠家許用屈服壓力為1.788×103kN/m2。
2)抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算
最大彎矩Mmax=0.1ql12=28.44kN·m;玻璃鋼管道截面模量W=0.32m3;抗彎強(qiáng)度σ=M/W=88.875kN/m2<玻璃鋼管抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[fm]=1.788 ×103kN/m2,滿足要求。
3)撓度驗(yàn)算
玻璃鋼管道慣性矩I=0.58m4,最大撓度μmax=0.062mm<108.000mm,滿足要求。
1)抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算 q=2×1.413=2.826kN/m,最大彎矩Mmax=0.1ql12=1.13kN·m,2根40mm×90mm木方截面模量 W=10.8×10-5m3,則 σ=Mmax/W=10.77×103kN/m2<[fm]=13.00×103kN/m2,滿足要求。
2)撓度驗(yàn)算 2根40mm×90mm木方慣性矩I=4.86 ×10-6m4,最大撓度 μmax=6.3mm <min(2000/150,10)=10mm,滿足要求。
1)立桿軸向壓力設(shè)計(jì)值計(jì)算,N鋼管 =5.652kN。
2)立桿的穩(wěn)定性計(jì)算σ=N/φA=31.5N/mm2<[f]=205N/mm2;滿足要求。
通過(guò)以上設(shè)計(jì)計(jì)算及采取的措施在技術(shù)上有效保證了內(nèi)襯玻璃鋼管的管廊結(jié)構(gòu)在混凝土澆筑時(shí)的穩(wěn)定。在田灣核電站5、6號(hào)機(jī)組循環(huán)水進(jìn)排水管道結(jié)構(gòu)(GD溝)混凝土澆筑過(guò)程中的實(shí)際運(yùn)用,達(dá)到預(yù)期效果。
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