宋金育

(構(gòu)皮灘水電站，貴州 遵義 550000)

構(gòu)皮灘水電站通航建筑物工程由上下游引航道、3座鋼絲繩卷?yè)P(yáng)提升式垂直升船機(jī)和2級(jí)中間渠道(含通航隧洞、渡槽及明渠)等建筑物組成(升船機(jī)整體組成見(jiàn)圖1)。其中，第二級(jí)船廂采用全平衡式，船廂結(jié)構(gòu)為鋼質(zhì)槽形結(jié)構(gòu)，由80根鋼絲繩懸吊，船廂通過(guò)鋼絲繩與外側(cè)平衡重相連，以達(dá)到全平衡的目的[1-3]。

圖1 第二級(jí)升船機(jī)整體面貌

船廂作為大型金屬結(jié)構(gòu)，因形體尺寸較大、結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，采用分塊單元形式，即按照運(yùn)輸及吊裝限制條件進(jìn)行廠內(nèi)分塊制作[4]，將拼裝所需胎架根據(jù)要求布置在船廂室內(nèi)，再將分塊單元落位在胎架上進(jìn)行原位拼焊形成整體。施工過(guò)程中，在船廂拼焊形成整體后，由于胎架高程不足，發(fā)生了船廂結(jié)構(gòu)無(wú)法正常連接鋼絲繩索結(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致船廂無(wú)法正常安裝。因此，本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出了構(gòu)皮灘升船機(jī)船廂空載原位頂升施工方案，將船廂頂升至預(yù)定高程，達(dá)到船廂和鋼絲繩能夠連接的目的。本文對(duì)施工流程和船廂受力特性等內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)討論，并對(duì)存在的問(wèn)題提出了修改建議。

1 船廂空載原位頂升方案設(shè)計(jì)

根據(jù)第二級(jí)船廂室的現(xiàn)狀，在船廂空載頂升方案設(shè)計(jì)時(shí)[5]，需設(shè)定如下兩個(gè)前提條件：

a.假定船廂側(cè)向剛度無(wú)窮大，即在頂升的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生整體傾覆、扭轉(zhuǎn)。

b.假定船廂頂升支撐點(diǎn)同時(shí)工作時(shí)，忽略因人工操作和設(shè)備誤差而引起的加載不同步問(wèn)題，即假定各個(gè)頂升點(diǎn)在頂升過(guò)程中是平穩(wěn)同步進(jìn)行的，由此還可消除由基準(zhǔn)面不平而引起的觀測(cè)誤差。

基于上述兩點(diǎn)假定，即可認(rèn)為船廂在頂升的過(guò)程中能夠整體被提升，且不發(fā)生平面外任何扭轉(zhuǎn)和傾覆現(xiàn)象，船廂主縱梁始終保持在一個(gè)平面，從而重點(diǎn)關(guān)注船廂自身平面內(nèi)的受力、變形和撓曲等問(wèn)題。

1.1 方案設(shè)計(jì)

構(gòu)皮灘第二級(jí)船廂初始落位于拼裝胎架上，船廂結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部焊接完成，其中船廂下鎖定裝置已經(jīng)完全焊接于船廂結(jié)構(gòu)上。頂升方案設(shè)計(jì)思路為：借用船廂下鎖定裝置，通過(guò)操作液壓千斤頂并配合填塞鋼支墩和鋼墊板，逐步將船廂頂升至適當(dāng)?shù)母叱?，再將船廂與鋼絲繩相連。

船廂原位頂升施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→承船廂數(shù)次頂升過(guò)程實(shí)施→檢查承船廂變形及穩(wěn)定情況→承船廂最后一次頂升→承船廂頂升就位后進(jìn)行變形量復(fù)測(cè)及鋼絲繩連接。

在船廂下設(shè)四個(gè)頂升點(diǎn)，每個(gè)頂升點(diǎn)下設(shè)有6個(gè)鋼墊墩(一)和4個(gè)鋼墊墩(二)，用于船廂頂升過(guò)程中的高度調(diào)整互換。每個(gè)頂升點(diǎn)配置一臺(tái)液壓泵站，采用一拖四分配閥形成4套液壓管路，控制4臺(tái)千斤頂，從而達(dá)到一臺(tái)泵站控制4臺(tái)千斤頂?shù)男Ч?，最大程度上保證頂升加載過(guò)程的同步性。船廂的頂升點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 船廂原位頂升點(diǎn)布置

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

本文所涉及的項(xiàng)目工況為船廂結(jié)構(gòu)原位頂升，根據(jù)所設(shè)計(jì)的方案，在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)船廂結(jié)構(gòu)的同步抬升，并且在一定程度上能夠保證頂升過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高程微調(diào)的目標(biāo)。在達(dá)到目標(biāo)高程后，作業(yè)人員通過(guò)液壓裝置將鋼支墩和鋼板墊塊塞入下鎖定梁處，循環(huán)操作千斤頂，從而實(shí)現(xiàn)船廂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定被提升。從技術(shù)特點(diǎn)上，本方案需重點(diǎn)關(guān)注同步性和平穩(wěn)性，以及船廂結(jié)構(gòu)在頂升過(guò)程中的撓度問(wèn)題。

1.3 實(shí)施步驟

1.3.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)施工工藝流程，確定并組織承船廂頂升施工項(xiàng)目的人員，熟悉圖紙，掌握工藝及標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)進(jìn)入施工的相關(guān)人員進(jìn)行技術(shù)交底以及安全作業(yè)培訓(xùn)；申報(bào)消耗材料耗用計(jì)劃、機(jī)械及工器具使用計(jì)劃。

1.3.2 工作面檢查

施工前需要相關(guān)責(zé)任單位清理船廂室底板雜物，將頂升所需的工器具布置就位。承船廂頂升前，測(cè)量承船廂縱梁、底鋪板的水平度及垂直度，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的布置情況，制定好測(cè)量方案，并做好原始記錄。

1.3.3 船廂頂升

第二級(jí)船廂與鋼絲繩索結(jié)高程相差約1632mm，由于千斤頂行程有限，加之考慮頂升過(guò)程中的穩(wěn)定性、船廂受力等因素，采用分次加載頂升的辦法。具體如下。

1.3.3.1 第1次頂升

首次頂升時(shí)，先緩慢試頂起一部分(約5～10mm)，仔細(xì)檢查液壓千斤頂無(wú)異常后，再繼續(xù)進(jìn)行頂升。

1.3.3.2 第2～11次頂升

首次頂升檢查船廂整體情況后，后續(xù)每次頂升時(shí)，頂升高程控制在150mm左右，是因?yàn)榍Ы镯斝谐檀蠹s在150mm。

1.3.3.3 第12次頂升

最后一次頂升時(shí)，根據(jù)每次頂升過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算出最后一次頂升所需要的行程，操作時(shí)要統(tǒng)一協(xié)調(diào)，確保最后一次頂升到位。

1.3.3.4 鎖定狀態(tài)

在船廂頂升至設(shè)計(jì)高程且完成船廂與鋼絲繩的連接后，船廂底部頂升的液壓千斤頂需保持保壓狀態(tài)，并進(jìn)行船廂位置偏差復(fù)查。

1.3.3.5 最終檢查

為防止完成鋼絲繩連接后，解除液壓千斤頂過(guò)程中，船廂發(fā)生上下游搖擺，船廂頂升到位后需繼續(xù)保持液壓千斤頂?shù)捻斏隣顟B(tài)，此時(shí)需在船廂上四條夾緊軌道處布置夾緊鎖定裝置。船廂主要測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖3。

圖3 船廂測(cè)點(diǎn)布置

2 受力分析

由圖2可知，船廂結(jié)構(gòu)受力形式為簡(jiǎn)支梁，在船廂自重作用下，頂升點(diǎn)兩側(cè)承受負(fù)彎矩，船廂中部承受正彎矩，船廂結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下的受力形式見(jiàn)圖4。

圖4 船廂結(jié)構(gòu)受力

2.1 整體受力分析

第二級(jí)船廂承船廂為鋼質(zhì)槽形結(jié)構(gòu)，主縱梁為貫通的箱形梁結(jié)構(gòu)，為豎向主要抗彎構(gòu)件。底鋪板采用次縱梁用鋪板連接形式，次縱梁從廂頭位置開(kāi)始間隔布置，最終由鋪板連接形成一個(gè)平面。因此在整體分析時(shí)，根據(jù)受力性能選擇相應(yīng)截面計(jì)算。

由船廂結(jié)構(gòu)受力特性可知，主縱梁跨中彎矩最大，相應(yīng)的撓度最大。因此選取跨中截面進(jìn)行最大撓度計(jì)算。廂頭作為外伸梁，取其自由端作為撓度最大點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。主縱梁和廂頭荷載工況下的撓度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 撓度計(jì)算結(jié)果

由表1可知，在自重荷載作用下，廂頭因設(shè)備層截面剛度較大，所產(chǎn)生的位移為3.3mm；主縱梁跨中部位所產(chǎn)生的撓度為49.1mm(主縱梁兩支點(diǎn)的距離為43m，故撓度比為1 ∶1100)，滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50017—2017)[6]附錄B中主梁撓度容許值(容許撓度比為1 ∶500)的要求。

2.2 局部受力分析

在進(jìn)行局部受力分析時(shí)，僅對(duì)支墩處進(jìn)行局部受壓分析，因其余部位無(wú)接觸，故不做受力計(jì)算。

已知船廂目前在安裝階段的重量為960t，根據(jù)頂升點(diǎn)鋼支墩的布置原則和部位可知：

a.單個(gè)鋼支墩(一)承壓力：P1=960t/(4×6)=40t=400000N，鋼支墩(一)承壓面積S1=350mm×500mm=175000mm2，鋼支墩(一)抗壓壓強(qiáng)=P1/S1=400000N/175000mm2=2.29MPa<σ=235MPa。

b.單個(gè)鋼支墩(二)承壓力：P2=960t/(4×4)=60t=600000N，鋼支墩(二)承壓面積S2=350mm×350mm=122500mm2，鋼支墩(二)抗壓壓強(qiáng)=P2/S2=600000N/122500mm2=4.9MPa<σ=235MPa。

經(jīng)計(jì)算可知，頂升點(diǎn)處鋼支墩的局部受壓應(yīng)力滿(mǎn)足要求。

3 船廂頂升實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

在頂升過(guò)程中，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的布置情況，重點(diǎn)關(guān)注主縱梁兩端懸臂段和跨中段的數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值。本次測(cè)量共分為5次，對(duì)設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)并實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。船廂在頂升過(guò)程中的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 沉降觀測(cè)值

通過(guò)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)可知：

a.廂頭部位(測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)6)的實(shí)際撓度值與理論計(jì)算接近，說(shuō)明廂頭部位的計(jì)算簡(jiǎn)化較為合理，即應(yīng)考慮設(shè)備層空間大帶來(lái)的抗彎剛度增大的情況。

b.主縱梁跨中部位(測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)5)的實(shí)際撓度值比計(jì)算值偏小，主要是因?yàn)槔碚撚?jì)算時(shí)僅取跨中一個(gè)截面的抗彎性能，而未考慮船廂縱向整體協(xié)同工作能力，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果偏于安全，留有一定的安全余量。

測(cè)量次數(shù)“5*”是指在頂升完成，將鋼絲繩連接到船廂上鋼絲繩孔后的狀態(tài)，即撓度值由負(fù)轉(zhuǎn)正，說(shuō)明在64根鋼絲繩的作用下，船廂整體的變形與放置于胎架上基本相同，船廂整體受力平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，受力明確。

4 結(jié) 論

實(shí)踐表明，按照本文所提出的船廂原位頂升方案所規(guī)定的操作流程，船廂能夠被頂升到預(yù)定高程位置處，該方案具有較強(qiáng)的可操作性。同時(shí)，理論計(jì)算表明，船廂的撓度和受力均滿(mǎn)足要求，頂升實(shí)施過(guò)程安全、平穩(wěn)，能夠?yàn)轭?lèi)似工程提供參考經(jīng)驗(yàn)。