大跨度、高空现浇钢筋混凝土梁系施工技术

    汪文亮

    

    

    

    摘要：以三峡升船机船工程厢室段塔柱顶部横梁梁系施工为背景，详细介绍了水工薄壁建筑物顶部现浇梁系施工采用的大跨度、高空贝雷架支撑结构体系技术，主要包括贝雷架选型设计布置、钢支座设计、贝雷架安拆施工技术、高空横梁支撑体系变形监测及安全控制技术。

    关键词：三峡工程 升船机 横梁现浇梁系 大跨度、高空贝雷架支撑结构体系

    概述

    三峡升船机为齿轮齿条爬升式垂直升船机，其过船规模为3000t级，最大提升高度113m，具有提升高度大、提升重量大、船厢与混凝土建筑物结合密切，施工精度要求高等特点，是目前世界上规模最大和技术难度最高的升船机。

    三峡升船机船厢室段塔柱结构，每侧由“墙-筒体-墙-筒体-墙”通过沿高程布置的纵向联系梁形成119m长、16m宽、146m高的组合结构，中间布置升船机室的承船厢，承船厢宽度为25.8m。塔柱顶部设计布置了2个平台和7根横梁作为横向联系，将塔柱左右两侧联接形成整体结构，其中2个平台部位各有4根横梁和2根纵梁，在横梁两端沿流向各通长布置了一根119m长基础梁将13根横梁、2个平台连接成整体框架梁系结构。横梁结构尺寸为25.8×1×2.75×7.15m（跨度×宽度×中部高度×两侧高度）。

    关键施工技术

    塔柱顶部梁系具有跨度大（25.8m）、荷载大（354.75t）、高空（146m）部位作业、质量要求高等特点，针对高位现浇钢筋混凝土梁系支撑结构设计难度大、施工难度大、施工安全风险大等难题，为确保施工质量、加快施工进度，国内首次在水工薄壁建筑物顶部现浇梁系施工中，采用大跨度、高空贝雷架支撑结构体系技术。

    1、施工手段布置

    上闸首航槽两侧布置有2台F0/23B型行走式塔机，主要作为船厢室段靠上游侧施工区域的起吊设备；航槽两侧岩台上分别布置的两台固定式C7030塔机和两台固定式K40/26塔机，作为船厢室段施工的主要起吊设备。

    2、贝雷架布置

    塔柱顶部梁系采用贝雷架+钢支座+钢管排架+组合钢模板支撑技术施工，贝雷架选用321型。横梁、纵梁、基础梁及观光平台梁系分别选用双层顶部加强型、双层上下加强型、单层顶部加强型等多种组合形式，并在贝雷片组与组之间增设斜向连接杆件保证贝雷梁整体稳定性。针对一次浇筑高度达4m的纵梁部位，创新性的设计了C型高抗剪型贝雷片。并建立4种有限元结构模型和16种有限元加载模型，采用大型通用有限元分析软件SAP2000对贝雷架钢桥结构进行三维空间有限元分析计算，贝雷架布置见表1。横梁下部设1套移动式操作平台、4根纵梁下部共设4套固定操作平台用于贝雷架的安装和拆除。

    3、钢管支撑排架及模板

    3.1排架布置

    根据施工荷载及贝雷架组合方式确定排架间排距，贝雷梁顶增加联系杆件和排架底座，改善贝雷架受力条件，并减少了排架侧滑移位风险。为满足排架整体稳定性要求，排架间隔设置剪刀撑和扫地杆，左右侧基础梁底部排架设连墙杆将排架与塔柱墙面联接，并在两个横梁之间布置联系排架。

    3.2模板布置

    横梁主要采用组合钢模板施工，局部配以刨光木板补缝，模板采用φ16对拉螺栓并设内支撑固定，螺栓间排距按照70×70cm控制，支撑采用φ28钢筋，采用φ48×3.5钢管横竖围令。见图3。

    4、贝雷架钢支座

    贝雷架由设在塔柱墙壁外侧的钢支座支承，钢支座与贝雷架之间设置钢结构箱梁。钢支座对称布置在船厢室两侧的塔柱墙壁上，垂直于水流向布置，位于每个横向墙端面的轴线附近，单个钢支座载荷最大达到了4830KN，详见图4。

    钢结构支座通过高强度螺栓与埋件连接，埋件由锚板和高强度螺栓组件构成。高强度螺栓组件包括M52螺杆、M52螺母、52垫圈、D32/M52锚锥、M32螺母、D32高强钢筋以及尾端座等零件。安装时对高强度螺栓施加一定的预紧力，通过支座与埋件结合面的静摩擦力承受支座载荷。贝雷架载荷作用于支座后，高强螺栓组件将承受支座翻转力矩产生的拉力。另在支座底板下方设置有剪力板，用于承受支座竖向载荷，以作为结合面摩擦失效时的安全保护。

    5、贝雷架安装和拆除

    5.1贝雷架安装

    5.1.1横梁贝雷架安装

    以上游第一根跨航槽横梁贝雷架的安装为例说明：横梁底部布置两层贝雷架，每层由12排贝雷片和4个450连接框组成。吊装时需将3排贝雷片连成1组，第1层4组就位后吊装第二层，按照从上游向下游的顺序采用两台塔机抬吊。安装程序具体如下：①将操作平台行走至贝雷架底部位置。②首先采用450连接框将第1～3排连接成一组吊装就位。按同样方法将第2组吊装就位，两组之间采用225连接杆连成整体，依次将第3组、第4组吊装就位并采用225连接杆连成整体。③将第2层第1组吊装就位采用螺栓将上下两层连成整体，依次将第2层第2组吊装就位采用螺栓将上下两层连成整体，并采用225连接杆与第2层第1组连成整体，依次将第二层第3组、第4组吊装就位连成整体，完成贝雷架吊装。

    5.1.2特殊部位横梁贝雷架吊装

    平台板横梁吊装。平台板横梁贝雷架吊装长度为33m，吊装长度长，吊装质量重。采用2台塔机抬吊，单台最大起吊能力为36m/8t，按起吊能力的75%控制，两台塔机抬吊重量为12t，而贝雷架横梁单组吊装单元重量达15.7t，采取以下措施：①将33m横梁贝雷架缩短至30m吊装，吊装就位后再将剩余3m单片安装完成。②上层贝雷架上部加强弦杆待贝雷架吊装就位后安装，以减轻吊重。

    中间一根横梁吊装。中间一根横梁部位贝雷架施工时，周边筒体部位贝雷架已安装，受吊装空间限制，先吊装下层3组单元就位，后续吊装单元吊装长度由25.5m调整为21m，在前3组单元形成的平台上再对接成25.5m单元。

    5.1.3纵梁、基础梁贝雷架吊装

    纵梁、基础梁贝雷架吊装长度和吊重均较小，每组吊装单元采用塔机直接进行起吊就位。

    5.2贝雷架拆除

    5.2.1基础梁贝雷架拆除

    基础梁每个起吊单元采用单台塔机起吊，共分为42个起吊单元。先用塔机将基础梁起吊，再利用揽风绳将贝雷架水平旋转90度，使其能从两根横梁贝雷架之间的空档下放，最后利用塔机将贝雷架下放至航槽底板进行拆除。

    5.2.2横梁贝雷架拆除

    以下游最后一根（轴13）横梁贝雷架的拆除为例进行说明。轴13横梁布置2层贝雷架，每层由4组起吊单元组成。首先将底部加强弦杆、水平连接框、上部水平连杆、斜杆、组与组之间联板以及上部加强弦杆拆除，以减轻起吊重量。从上部第二层上游侧一组开始分组拆除，具体操作方法为：在横梁两端各兜挂1根钢丝绳，手拉葫芦固定在钢丝绳上，塔机起吊钢丝绳卡环固定在贝雷架上，通过手拉葫芦将贝雷架抬吊一定高度并通过收放链条，将贝雷架移出横梁覆盖范围。塔机起吊，解除手拉葫芦钢丝绳。两台塔机抬吊从上游侧下放至航槽底板进行拆除。在拆除过程中，待拆除贝雷架上部横梁需设防护栏杆，以保证施工人员的安全。

    5.2.3平台板部位贝雷架拆除

    平台板部位贝雷架长度为33m，起吊重量大，且处于封闭的平台板之下，按以下操作方式拆除：将两端头系挂钢丝绳穿过平台板两端延伸梁空档部位，用塔机起吊向下游或上游侧移至平台板范围边缘，然后将起吊构件临时固定，将两端头建塔系挂钢丝绳解除，将钢丝绳重新系挂，使两吊点位于起吊构件端部1/3处，最后由2台塔机抬吊下放至船厢底板进行拆除。

    6、塔柱横梁混凝土浇筑

    横梁、基础梁梁系结构从平台板处分开，将横梁梁系结构分为3块单独浇筑，平台板次梁预留后期浇筑。利用在船厢室段两侧各布置的两个38m臂长布料杆和两个32m臂长布料杆，可满足仓内覆盖范围要求。混凝土从仓面上下游侧同时开仓浇筑，泵机和建塔浇筑布料杆盲区部位。混凝土全部采用搅拌车运输，坍落度18～20cm，采取平铺法浇筑。

    7、施工安全监测

    7.1安全监测的内容

    根据塔柱横梁结构施工荷载受力情况，选择承受荷载最大的HL2、HL7、HL12横梁的支撑系统作为监测对象。监测内容如下：①监测贝雷架的应力、应变和位移。②监测塔柱混凝土墙体结构变形。③监测HL2、HL6、HL11三根横梁排架的立杆垂直度和位移。

    7.2安全监测的实施

    7.2.1钢管排架系统监测

    ①在HL2横梁排架下游侧、HL6横梁排架上游侧和HL11横梁排架上游侧中部各选择一根立杆作为排架立杆垂直度监测对象。在每根立杆的上、中、下部位置贴反射片。②利用全站仪测量出监测点坐标变化值，从而计算出排架立杆垂直度。

    7.2.2贝雷架系统监测

    贝雷架系统监测项目及监测频次。监测项目：①HL2、HL7、HL12横梁贝雷架的自振频率监测。②HL2、HL7、HL12横梁贝雷架腹杆、弦杆应力（应变）监测。③HL2、HL7、HL12横梁贝雷架跨中横截面挠度及侧弯监测。

    贝雷架系统应力（应变）及频率测点布置。在承受荷载最大的HL2和HL12横梁处的贝雷架支撑体系布置了12个应力（应变）测点，HL7横梁处的贝雷架支撑体系布置了24个应力（应变）测点和1个频率测点，其中频率测点布置在贝雷架中间底部位置。采用安装应变计监测贝雷架的应力应变状态，通过静态应变测试系统采集数据。频率监测采用无线环境激励实验模态测试分析系统采集数据。应力应变测点布置详见图5。

    贝雷架系统变形监测。①在HL2、HL7、HL12横梁贝雷架上游侧面底部1、5、9节处布置3个监测点，每点贴反射片。②利用全站仪测量出监测点坐标变化值，并据此计算出贝雷架的挠度和侧弯变化值。

    7.2.3钢支座系统监测

    在墙壁上安装托架并布设百分表的方法监测钢支座系统。在每个支座及高强螺栓处分别布置6个百分表进行监控，其中在支座位置的6个百分表监测支座的X、Y、Z三个方向位移变化，在高强螺栓处的6个百分表监测高强螺栓的位移量。

    7.2.4塔柱墙体变形监测

    分别在距离横向贝雷架底部0.5m处靠船厢室侧的两侧墙体上埋设监测棱镜，通过膨胀螺丝固定在墙体上，做为塔柱墙体变形监测点。观测时将全站仪架设在位于下闸首平台的观测墩上，测出仪器到左右两个棱镜的水平距离以及两个棱镜与仪器之间组成的夹角，计算出两个棱镜之间的水平距离，即塔柱墙壁的变形。

    7.2.5安全监测预警

    根据贝雷架原型荷载试验的监测成果，作为横梁支撑系统安全监测的基础值。采取原型荷载试样中100%荷载数据做为通常值，110%荷载数据做为预警值，根据线性分析计算出120%荷载时对应的数据为安全限值。

    7.2.6安全监测结果

    横梁浇筑过程中，贝雷架的应力、挠度值、侧弯值、自振频率，排架垂直度、筒体位移均满足设计要求，横梁支撑体系结构安全可靠。

    实施效果和应用

    本技术已在三峡升船机塔柱横梁梁系成功应用，经超声波监测Vp≥4500m/s的测点数大于95%，梁系轴线位置、垂直度、截面尺寸均控制在设计允许范围以内，混凝土浇筑质量优良。与传统的钢桁架方案相比缩短工期近30天，得到业内专家一致肯定和好评，并得到三峡建设委员会质量专家组的高度评价。该技术成熟先进、施工质量高、进度快、安全风险低，取得了显著的经济效益和社会效益，在高空现浇梁系施工领域有广泛的推广应用前景。

    （作者单位：葛洲坝集团三峡建设工程有限公司）