楊房溝電站壓力鋼管內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)研究

賈 天， 林 冬

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

楊房溝水電站設(shè)置有4條壓力鋼管，漸變段以后的下平段采用壓力鋼管襯砌。壓力鋼管垂直進(jìn)入廠房與機(jī)組蝸殼延伸段相接，單條壓力管道長度50.9 m。引水下平段壓力鋼管每條洞22節(jié)，內(nèi)徑由進(jìn)口的φ9.2 m漸變到出口的φ8.82 m，分節(jié)長度最大2.4 m，鋼管材質(zhì)為600 MPa高強(qiáng)鋼板和Q345R，板厚δ=26～42 mm。

根據(jù)常規(guī)安裝方式，壓力鋼管制作和安裝過程中一般采用固定內(nèi)支撐，以防止在吊裝、運(yùn)輸、澆筑中發(fā)生變形。為減少內(nèi)支撐加固及拆除的工作量，降低對(duì)壓力鋼管內(nèi)壁的損傷，節(jié)約施工成本，進(jìn)行壓力鋼管內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化。楊房溝水電站通過分析鋼管受力并結(jié)合其他電站的成功經(jīng)驗(yàn)，將固定內(nèi)支撐安裝方式優(yōu)化為吊裝運(yùn)輸階段無內(nèi)支撐和澆筑階段的活動(dòng)內(nèi)支撐，取得了良好的效果。

2 內(nèi)支撐優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析

2.1 運(yùn)輸?shù)跹b過程中無內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)

鋼管在吊裝和運(yùn)輸過程中容易產(chǎn)生變形，影響安裝質(zhì)量[1]。為配合楊房溝壓力鋼管運(yùn)輸及吊裝過程中取消內(nèi)支撐可行性研究工作，對(duì)壓力鋼管進(jìn)行有限元計(jì)算分析，分析兩種無內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)下壓力鋼管的工況。

(1)根據(jù)壓力鋼管翻身過程中起吊方案，研究起吊過程中的鋼管變形。以鋼板最薄的管節(jié)為例，計(jì)算合位移及Mises應(yīng)力。由鋼管的豎向變形和橫向變形整理可得鋼管的圓度計(jì)算，鋼管起吊過程中圓度最大偏差達(dá)到12.67 cm，不滿足《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50766-2012)“鋼管橫截面的形狀允許偏差應(yīng)符合：圓形截面的鋼管，圓度偏差不應(yīng)大于5D/1 000、且不應(yīng)大于40 mm”的要求[2]。鋼管起吊過程中在重力作用下最大Mises應(yīng)力為181.5 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，最大值出現(xiàn)在加勁環(huán)吊點(diǎn)位置，其余大部分區(qū)域應(yīng)力較小。起吊中壓力鋼管合位移及 Mises應(yīng)力見圖1。

圖1 起吊中壓力鋼管合位移和Mises應(yīng)力圖

(2)受自重影響,鋼管頂部必然出現(xiàn)一定的下垂量[3]。根據(jù)鋼管洞內(nèi)運(yùn)輸方案，研究壓力鋼管在自重作用下的變形情況。同樣以鋼板最薄的管節(jié)為例，計(jì)算模型合位移及Mises應(yīng)力。由鋼管的豎向變形和橫向變形整理可得鋼管的圓度計(jì)算，鋼管運(yùn)輸過程中圓度最大偏差達(dá)到6.19 cm，不滿足規(guī)范要求。鋼管運(yùn)輸過程中在重力作用下最大Mises應(yīng)力為129.8 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，最大值出現(xiàn)在鋼管軌道支撐位置，其余大部分區(qū)域應(yīng)力較小。壓力鋼管洞內(nèi)運(yùn)輸過程中鋼管合位移和Mises應(yīng)力見圖2。

圖2 洞內(nèi)運(yùn)輸中鋼管合位移和Mises應(yīng)力圖

雖然壓力鋼管取消內(nèi)支撐后，在吊裝及洞內(nèi)運(yùn)輸過程中，鋼管橫截面變形量較大，但由于變形產(chǎn)生的應(yīng)力較小，低于壓力鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，更遠(yuǎn)低于鋼材屈服強(qiáng)度，表明變形處于彈性階段，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。因此，可以在鋼管就位后通過對(duì)縫臺(tái)車調(diào)整圓度，證明可以采用無內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)輸及吊裝。

2.2 澆筑過程中的活動(dòng)內(nèi)支撐

根據(jù)壓力鋼管在澆筑過程中的受力情況，在澆筑過程中壓力鋼管內(nèi)部使用活動(dòng)內(nèi)支撐頂緊可防止壓力鋼管在澆筑過程中受外力影響產(chǎn)生變形[4]。因此在壓力鋼管澆筑時(shí)可能存在的位移為整體位移，壓力鋼管在澆筑過程中主要承受上浮力，使用槽鋼或工字鋼將壓力鋼管與加固錨桿焊接固定在一起，使鋼管壁承受向外的拉力，增強(qiáng)鋼管的整體鋼性。頂部使用型鋼加固，下端與加勁環(huán)焊接，上端頂緊在巖層上，可防止混凝土澆筑上浮及變形。壓力鋼管活動(dòng)內(nèi)支撐和加固示意圖見圖3、4。

圖3 壓力鋼管活動(dòng)內(nèi)支撐示意圖

圖4 壓力鋼管加固示意圖

活動(dòng)內(nèi)支撐設(shè)計(jì)成米字形，主要包括支撐系統(tǒng)、頂桿系統(tǒng)以及行走系統(tǒng)。活動(dòng)內(nèi)支撐通過整體米字型鋼結(jié)構(gòu)形式，可以從強(qiáng)度上保證與固定內(nèi)支撐的支撐作用一致，保證壓力鋼管澆筑過程中壓力鋼管的整體剛度。頂桿系統(tǒng)采用頂絲及膠皮以便進(jìn)行內(nèi)支撐的拆除拖運(yùn)工作。通過實(shí)際鋼管澆筑后對(duì)鋼管變形情況進(jìn)行復(fù)查，采用活動(dòng)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)控制壓力鋼管的變形。

3 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用

3.1 運(yùn)輸及吊裝

從壓力鋼管制作廠至安裝間的運(yùn)輸過程中鋼管內(nèi)部不加內(nèi)支撐，為避免鋼管運(yùn)輸過程變形，鋼管裝車時(shí)采用十字吊梁，4個(gè)吊點(diǎn)與鋼管管壁基本垂直，不會(huì)在吊裝過程中產(chǎn)生擠壓變形。制作兩個(gè)工字梁，安裝在運(yùn)輸汽車上，加寬鋼管支點(diǎn)距離，避免運(yùn)輸過程中的鋼管下墜變形。在鋼管吊裝到運(yùn)輸汽車上后，使用4臺(tái)手拉葫蘆進(jìn)行封車加固。

壓力鋼管翻身采用空翻的形式進(jìn)行，在鋼管翻身過程中鋼管不與地面接觸，以避免翻身過程中由于碰撞導(dǎo)致鋼管變形。壓力鋼管運(yùn)輸?shù)桨惭b間后，由80 t橋機(jī)采用十字吊梁將鋼管吊裝到安裝平臺(tái)高程并在兩機(jī)坑之間進(jìn)行翻身。橋機(jī)80 t主鉤吊裝兩對(duì)φ30 mm 6×37+1的鋼絲繩用9.5 t卸扣固定于鋼管上中心垂直吊耳。橋機(jī)32 t主鉤吊裝1對(duì)φ30 mm 6×37+1的鋼絲繩用9.5 t卸扣固定于鋼管下中心水平吊耳。橋機(jī)80 t主鉤和32 t副鉤同步將鋼管吊離地面，80 t主鉤緩慢起升，直到將鋼管翻身至垂直狀態(tài)。鋼管翻身后摘掉副鉤鋼絲繩，由橋機(jī)80 t主鉤將鋼管吊裝至施工平臺(tái)。

3.2 拖運(yùn)及組裝

壓力鋼管在洞內(nèi)運(yùn)輸采用臺(tái)車運(yùn)輸，每條壓力鋼管洞內(nèi)布置一套拖運(yùn)系統(tǒng)，將鋼管從出口施工平臺(tái)拖運(yùn)至安裝位置。為保證壓力鋼管在洞內(nèi)的運(yùn)輸安全，在每條鋼管洞內(nèi)布置運(yùn)輸軌道，在運(yùn)輸軌道安裝完成后對(duì)軌道基礎(chǔ)進(jìn)行混凝土澆筑，混凝土型號(hào)與鋼管回填混凝土相匹配，在混凝土回填時(shí)軌道基礎(chǔ)不進(jìn)行拆除。4條壓力鋼管洞拖運(yùn)系統(tǒng)共用1臺(tái)5 t卷揚(yáng)機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)布置在4號(hào)引水下平洞與施工支洞交叉處，卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩通過導(dǎo)向地錨到達(dá)各條鋼管洞內(nèi)。

鋼管吊裝至施工平臺(tái)后，將5 t卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩通過導(dǎo)向地錨牽至鋼管處，并與運(yùn)輸臺(tái)車吊耳之間用卸扣連接。啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，慢速將壓力鋼管拖運(yùn)至安裝位置。為防止運(yùn)輸中鋼管傾倒，加裝傾倒措施。

壓力鋼管以下平段進(jìn)口管節(jié)為定位節(jié)進(jìn)行安裝。鋼管安裝中心、里程、高程、圓度以及環(huán)縫對(duì)口錯(cuò)位調(diào)整合格后，外部使用工字鋼、槽鋼進(jìn)行支撐固定，鋼管環(huán)縫位置使用26 mm×100 mm×200 mm的鋼板與兩端相鄰管節(jié)焊接牢固，每圈環(huán)縫使用20塊鋼板進(jìn)行加固，加固點(diǎn)間距約為1.5 m。其余管節(jié)安裝前先復(fù)測前一節(jié)管口的中心、里程以及管口垂直度，符合要求后開始下一節(jié)管節(jié)安裝。鋼管加固完畢后進(jìn)行管口中心、樁號(hào)、圓度復(fù)測, 確認(rèn)無誤后實(shí)施焊接[5]。壓力鋼管安裝時(shí)采用組焊臺(tái)車進(jìn)行施工，臺(tái)車與管壁之間設(shè)置橡膠輪行走。上節(jié)鋼管組焊完成后，由5 t卷揚(yáng)機(jī)拖動(dòng)臺(tái)車至下節(jié)鋼管。

3.3 加固及澆筑

在定位節(jié)鋼管設(shè)置2圈加固錨筋，其余每節(jié)鋼管布置1圈加固錨筋，用于鋼管安裝加固外支撐。加固錨筋與支撐型鋼焊接加固在每節(jié)鋼管中間加勁環(huán)上。壓力鋼管澆筑分5段進(jìn)行，最大澆筑段包含5節(jié)壓力鋼管(需要5套內(nèi)支撐)，定位節(jié)和相鄰管節(jié)需要灌漿后才可拆除內(nèi)支撐(占用2套內(nèi)支撐)。因此單條洞內(nèi)共設(shè)置7榀活動(dòng)內(nèi)支撐。內(nèi)支撐在鋼管內(nèi)行走采用卷揚(yáng)機(jī)拖動(dòng)。壓力鋼管安裝、焊接完成并驗(yàn)收合格后，將活動(dòng)內(nèi)支撐與管壁之間頂緊，中間墊膠皮，作為鋼管澆筑時(shí)的內(nèi)支撐。

壓力鋼管每安裝焊接完成一個(gè)澆筑分段后，將活動(dòng)內(nèi)支撐頂在鋼管內(nèi)，驗(yàn)收合格后移交土建施工單位進(jìn)行混凝土澆筑，澆筑過程中注意控制混凝土的上升速度。鋼管外壁混凝土達(dá)到凝期后，松開頂桿系統(tǒng)，將內(nèi)支撐行走至下一澆筑段。壓力鋼管混凝土全部澆筑完成后，將活動(dòng)內(nèi)支撐拆至下條洞使用。

4 內(nèi)支撐優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)

(1)節(jié)省制作及安裝工期。傳統(tǒng)方式下的固定內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)需要在壓力鋼管制作階段就進(jìn)行制作安裝，同時(shí)需在鋼管澆筑完成后進(jìn)行分段逐節(jié)的拆除工作。每節(jié)鋼管都需要增長制作時(shí)間和拆除時(shí)間且需占用較多的壓力鋼管制作安裝工期。

楊房溝水電站優(yōu)化后的施工方式為壓力鋼管運(yùn)輸和吊裝采用無內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，節(jié)省了內(nèi)支撐下料制作焊接安裝過程，同時(shí)避免了澆筑后內(nèi)支撐的割除倒運(yùn)工作，可以大幅度節(jié)省內(nèi)支撐對(duì)施工工期的占用，實(shí)現(xiàn)節(jié)省壓力鋼管安裝工期的目標(biāo)。

(2)降低施工成本。按照傳統(tǒng)的安裝方式及投標(biāo)階段的施工組織設(shè)計(jì)要求，楊房溝水電站88節(jié)壓力鋼管設(shè)置由鋼管和方鋼組成的滿堂固定內(nèi)支撐體系，需要內(nèi)支撐鋼材約230 t。同時(shí)內(nèi)支撐鋼材到現(xiàn)場后還需進(jìn)行切割及焊接等工作。

采用優(yōu)化后的運(yùn)輸?shù)跹b階段的無內(nèi)支撐和安裝階段的活動(dòng)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，壓力鋼管總體安裝工作只需制作7套活動(dòng)內(nèi)支撐，實(shí)際設(shè)置安裝的單套活動(dòng)內(nèi)支撐重量0.3 t，節(jié)省了220 t的內(nèi)支撐加固材料。同時(shí)還免去了固定內(nèi)支撐的制作安裝及拆除工作和內(nèi)支撐割除后的補(bǔ)漆探傷工作。焊接過程中采用移動(dòng)式的焊接臺(tái)車可以免去固定內(nèi)支撐下每節(jié)鋼管需要單獨(dú)搭設(shè)焊接施工平臺(tái)的過程，從整體來看大幅度降低了施工成本。根據(jù)核算，楊房溝水電站壓力鋼管實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化施工成本79萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)保證安裝質(zhì)量。固定內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)需要將內(nèi)支撐全部焊接在壓力鋼管內(nèi)壁上，焊接及割除的質(zhì)量對(duì)壓力鋼管內(nèi)壁鋼材的損傷較大，故割除焊接不當(dāng)很容易對(duì)母材造成不可逆的損傷，重新焊接修補(bǔ)的質(zhì)量對(duì)過流階段的正常運(yùn)行也會(huì)造成一定的隱患。

活動(dòng)內(nèi)支撐后的安裝方式避免了內(nèi)支撐焊接加固及割除的施工過程，能夠很好地保證壓力鋼管內(nèi)壁質(zhì)量。壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加勁環(huán)的布置能夠保證壓力鋼管較大的剛度，實(shí)現(xiàn)無內(nèi)支撐下彈性變形小。同時(shí)吊裝支撐點(diǎn)和澆筑過程中的加固點(diǎn)驗(yàn)算強(qiáng)度能夠?qū)崿F(xiàn)壓力鋼管的整體剛度強(qiáng)度要求，以保證壓力鋼管安裝澆筑過程中的變形質(zhì)量控制，實(shí)現(xiàn)控制壓力鋼管整體安裝質(zhì)量。

5 結(jié) 語

楊房溝水電站4條壓力鋼管安裝通過分析采用無內(nèi)支撐和活動(dòng)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)下壓力鋼管的變形受力情況后，制定了運(yùn)輸?shù)跹b階段采用無內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)和澆筑階段采用活動(dòng)內(nèi)支撐的安裝方式，并通過專家咨詢予以確定。在實(shí)際施工過程中通過該施工方式的應(yīng)用，采取外部加固和合理設(shè)置吊點(diǎn)、支撐點(diǎn)的有效措施，實(shí)現(xiàn)了保證施工質(zhì)量、降低施工成本和節(jié)約施工工期的目標(biāo)，對(duì)該施工方式實(shí)現(xiàn)了再次論證。

通過該電站壓力鋼管內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)研究，為國內(nèi)其他水電工程壓力鋼管鋼管內(nèi)支撐優(yōu)化或取消提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，該施工方式具有較大的實(shí)踐價(jià)值及推廣意義。