汽機混凝土臺板高支模鋼管柱可調(diào)式支撐體系施工技術(shù)*

李 燕，荊 銳，楊 思，武國珍

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

紅沿河核電站采用CPR1000核電技術(shù)，核電站中汽輪發(fā)電機基礎(chǔ)位于汽機廠房的中心部位，是整個主廠房內(nèi)體量最大的設(shè)備基礎(chǔ)，其中汽機臺板是汽機基礎(chǔ)的主要組成部分，直接承受汽輪發(fā)電機組自重和動荷載，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自重大、高支模，是核電站土建施工中的重點和難點。汽機臺板頂標(biāo)高16.170m，由縱橫9根梁組成，最大尺寸為4.50m(寬)×3.97m(高)，荷載標(biāo)準(zhǔn)值為100kN/m2，最大支模高度16m。

按以往施工經(jīng)驗，汽機臺板采用扣件式鋼管支撐架體系，鋼管規(guī)格為φ48×3.5，架體整體穩(wěn)定性控制難度大，立桿最小間距200mm，腳手架搭設(shè)量大，1臺機組需700t鋼管，架體內(nèi)空間小，搭設(shè)及驗收困難，存在一定安全風(fēng)險。汽機臺板鋼管柱可調(diào)式支撐體系(見圖1)可有效解決傳統(tǒng)汽機臺板模板支撐體系腳手架鋼管用量大且占用時間長而無法周轉(zhuǎn)使用、作業(yè)空間小、安全風(fēng)險高、人工成本高及施工周期長等問題。

圖1 汽機臺板鋼管柱可調(diào)式支撐體系示意

2 鋼管柱可調(diào)式支撐體系設(shè)計與加工

2.1 支撐體系設(shè)計

鋼管柱支撐體系立柱采用φ219×8鋼管，水平連接及剪刀撐采用φ76×3鋼管，采用螺栓連接，所有鋼構(gòu)件在鋼結(jié)構(gòu)加工廠加工，現(xiàn)場拼裝成組件后再吊裝至作業(yè)面，最大限度地減少現(xiàn)場施工。鋼管柱頂設(shè)調(diào)節(jié)裝置，該裝置經(jīng)計算確定，壓力試驗驗證合格；模板體系采用18mm厚光面模板+50mm厚木板+I14(次楞@500mm)+I32(主楞)。支撐體系安裝完成后，選取1根有代表性的梁進(jìn)行預(yù)壓試驗，試驗通過后進(jìn)行汽機臺板施工。

2.2 支撐體系設(shè)計驗算

首先確定代表性梁，并進(jìn)行最大承載力分析，然后采用MIDAS軟件進(jìn)行模擬驗算；模擬驗算通過后，采用Tekla Structures 軟件對支撐體系進(jìn)行計算、設(shè)計及三維建模，對可調(diào)式支撐體系立柱進(jìn)行合理布置，并進(jìn)行碰撞檢查，符合要求后，進(jìn)行加工制作、拼裝吊裝。

以○V 軸梁為例，混凝土高度為4 450mm，支撐架位于混凝土梁下方，支撐架最大步距、橫距和縱距分別為4.2，1.0，2.2m。通過整體計算、單元詳細(xì)受力分析及柱單元穩(wěn)定性校核，支撐架整體承載情況下最大應(yīng)力、受力最大柱單元與節(jié)點單元應(yīng)力強度滿足規(guī)范要求，柱單元滿足穩(wěn)定性要求。支撐架整體云圖模擬結(jié)果分析如表1所示，單元詳細(xì)受力模擬結(jié)果分析如表2所示。

表1 整體云圖模擬結(jié)果分析

表2 單元詳細(xì)受力分析模擬結(jié)果分析

2.3 支撐體系加工、拼裝

鋼管柱可調(diào)式支撐體系通過提前設(shè)計、計算，并進(jìn)行碰撞檢查滿足要求后，進(jìn)行加工制作、拼裝吊裝。鋼管柱可調(diào)式支撐體系的所有鋼構(gòu)件均可在鋼結(jié)構(gòu)加工廠提前加工制作，并進(jìn)行預(yù)拼裝，散件運送至施工現(xiàn)場，提前拼裝成格構(gòu)柱單元模塊(4根φ219×8鋼管柱連體)為現(xiàn)場吊裝做準(zhǔn)備，有利于施工安排并縮短工期。

3 支撐體系試驗

3.1 鋼管柱柱頭調(diào)節(jié)裝置壓力試驗

1)設(shè)置柱頭調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)安裝標(biāo)高的可調(diào)節(jié)性、無切割拆除，減少了人工消耗。鋼管柱柱頭調(diào)節(jié)裝置采用4M30高強度螺栓，下端連接鋼管柱，上端連接150mm高短鋼管柱，上、下節(jié)間設(shè)80mm空隙，采用雙螺母調(diào)節(jié)，以控制柱頂標(biāo)高。

2)臺板施工完成后，通過調(diào)整柱頭調(diào)節(jié)裝置降低柱頂標(biāo)高，使上部模板與結(jié)構(gòu)脫離，拆除模板，同時為主、次梁及鋼管柱拆除提供足夠空間。

3)通過MIDAS軟件對柱頭調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行模擬驗算，確保柱頭調(diào)整節(jié)的強度、剛度及變形滿足臺板施工要求。

4)每個節(jié)點使用4個螺栓副實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)，由模擬結(jié)果可知，在各工況下，軸向壓力最大為450kN，法蘭板用于螺栓副的連接，采用Q345B鋼材，需保證剛度和強度。在螺栓位置施加荷載，通過ANSYS有限元模擬其應(yīng)力及位移均滿足要求。模擬加工柱頭調(diào)節(jié)裝置，進(jìn)行壓力試驗，采用萬能試驗機加載壓力500kN，觀測柱頭調(diào)節(jié)裝置無明顯變形，滿足使用要求。

3.2 預(yù)壓試驗

采用1.1倍臺板梁自重荷載預(yù)壓試驗，檢驗支架強度及穩(wěn)定性，消除混凝土施工前支架非彈性變形。

1) 在支架面放線出梁體位置后進(jìn)行均衡加載，先底板中間再兩邊，均勻吊裝，逐層加載。鋼筋堆載較高，在每層鋼筋中間墊設(shè)1層木方，并在側(cè)邊設(shè)置對拉螺栓固定。

2) 預(yù)壓試驗分三級加載，分別為單元預(yù)壓荷載的60%，80%，110%。每級加載完成后，每隔12h對支撐架沉降量進(jìn)行1次檢測，當(dāng)支架頂部監(jiān)測點12h沉降量平均值<2mm時，進(jìn)行下一級加載。

3) 在堆載區(qū)設(shè)置系統(tǒng)測量點，在梁端、1/4跨、1/2跨分別設(shè)置1個觀測橫斷面，每個斷面上布設(shè)3個觀測點。

4) 預(yù)壓完成后，從兩端向中間，對稱、均衡、同步卸載，同時繼續(xù)觀測。

5) 詳細(xì)記錄觀測數(shù)據(jù)，預(yù)壓完成后，整理數(shù)據(jù)，根據(jù)支架變形、沉降和回彈量確定支架預(yù)拱度。

分析現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)可知，加載至最大荷載3 102kN 過程中，最大彈性變形為3.6mm，最大非彈性變形為-0.1mm。根據(jù)驗算結(jié)果，鋼管柱最大沉降量為4.14mm，因此，模架在荷載作用下各部分受力均處于彈性范圍，實測值與理論值較接近，支撐體系拼接板未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，各連接部位緊固，整個支撐體系處于受力穩(wěn)定狀態(tài)。因此，該支撐體系安全可靠，可投入使用，根據(jù)加載及卸載階段實測結(jié)果，對支撐體系彈性變形及非彈性變形進(jìn)行分析。根據(jù)彈性變形數(shù)據(jù)，確定底模預(yù)拱度、汽機臺板埋件標(biāo)高。

4 施工要點

4.1 施工工藝流程(見圖2)

圖2 施工工藝流程

4.2 安裝要點

安裝工藝流程：鋼管柱在工廠分段加工→預(yù)拼裝檢查→運輸→工地組裝成格構(gòu)柱單元→第1節(jié)鋼管柱安裝→柱間支撐安裝→第2節(jié)鋼管柱及柱間支撐安裝→第3節(jié)鋼管柱及柱間支撐安裝(頂部高度調(diào)節(jié)螺栓)→安裝主龍骨→安裝次龍骨→驗收→鋪設(shè)模板。

1) 提前制作、預(yù)拼裝，現(xiàn)場組成格構(gòu)柱，格構(gòu)柱由4或6根立柱組成井字形模塊單元，利用塔式起重機或汽車式起重機進(jìn)行整體吊裝。

2) 吊裝前，須提前放線，首先定位汽輪機中心線、軸線，并引測至外圍，然后定位各鋼管柱就位中心點及外輪廓線。

3) 汽機臺板支撐體系最高部分為16m，分3節(jié)進(jìn)行吊裝，柱間設(shè)計等強螺栓連接。

4) 第1節(jié)鋼管柱在現(xiàn)場拼裝場地組裝成雙井字形(重約1.5t)，利用塔式起重機將其吊裝至指定位置，調(diào)整其垂直度滿足要求后與柱側(cè)埋件焊接，全部吊裝完成后，安裝第1節(jié)范圍內(nèi)的柱間支撐鋼管。

5) 柱間支撐鋼管安裝順序為：先安裝沿框架梁長度方向柱間支撐，再安裝沿框架梁寬度方向柱間支撐，支撐與立柱均采用螺栓連接。安裝完成形成整體后，開始吊裝第2節(jié)鋼管柱(吊裝方法同第1節(jié))，2節(jié)鋼管柱采用6根M22高強度螺栓連接牢固，然后安裝第3節(jié)鋼管柱。

6) 安裝柱頭調(diào)節(jié)裝置，利用調(diào)節(jié)螺栓精調(diào)標(biāo)高。

7) 安裝主梁、次梁、模板，主梁與柱頂調(diào)節(jié)裝置及次梁均采用螺栓連接。

4.3 拆除

拆除流程：混凝土養(yǎng)護完成，結(jié)構(gòu)強度及溫差均滿足拆模要求→通過調(diào)節(jié)鋼管柱頂部螺栓降低高度→拆除模板→拆除次梁→安裝鋼軌→拆除主梁→拆除鋼管柱頂部調(diào)節(jié)螺栓裝置→拆除鋼管柱柱間支撐→拆除鋼管柱→用汽車式起重機運至指定地點。

1)調(diào)節(jié)柱頭調(diào)節(jié)裝置降低高度，實現(xiàn)模板與混凝土脫離，拆除模板。

2)擰開主、次梁間連接螺栓，拆除次梁。

3)安裝工字鋼軌道，拆除主梁，軌道采用I10，每段主梁下設(shè)2道軌道。

4)鋼管柱拆除要點 拆除順序為由外向內(nèi)，由上至下，先拆除最外側(cè)支架、再向內(nèi)側(cè)拆除，先拆除井字形鋼管柱之間連接，混凝土梁側(cè)邊鋼管柱通過起重機直接吊至指定位置，中間鋼管柱為避免歪拉斜吊，增設(shè)扁擔(dān)，將扁擔(dān)深入梁下，吊住鋼管柱后平移出梁底，吊至指定位置。采用模塊化拆除，分為5種單元，根據(jù)起重機性能、站位、鋼管柱支撐形式等選擇拆除模塊單元形式。

5)部分鋼管柱采用扁擔(dān)吊裝，避免歪拉斜吊，用鋼板作為其配重(見圖3)，采用螺栓或焊接連接，保證其整體穩(wěn)定，吊裝時設(shè)2道牽引溜繩，避免構(gòu)件平移過程中重物產(chǎn)生晃動導(dǎo)致與周邊構(gòu)筑物碰撞。

圖3 拆除裝置布置

5 結(jié)語

汽機臺板鋼管柱可調(diào)式支撐體系為首次用于核電站常規(guī)島廠房中彈性式汽輪機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的施工，采用大直徑鋼管樁作為立柱組合成一整套豎向鋼管柱支撐體系，整體強度和剛度得以較大幅度的提高，有利于支撐超大荷載，從而保證勵磁機、汽輪機和發(fā)電機的埋件精度要求。通過支撐架頂部可調(diào)節(jié)裝置，確保汽輪機基礎(chǔ)高精度標(biāo)高要求，并實現(xiàn)無切割拆除；從支撐體系設(shè)計之初即采用模塊化 設(shè)計、組裝、拆除，周轉(zhuǎn)使用方便快捷，拆分組合靈活，應(yīng)用廣泛，相對傳統(tǒng)腳手架支撐體系綜合效益顯著。