祝勝 程雪辰
摘要:姚江上游余姚西分工程是浙江省重點建設(shè)工程,其瑤街弄調(diào)控樞紐擋洪閘的工作閘門為露頂式平面直升鋼閘門,吊點間距45.0 m,閘門設(shè)計建造面臨不能整體入槽、質(zhì)量要求嚴、外觀要求高、現(xiàn)場施工安全風險大等特點和難點。結(jié)合工程實際,通過深入分析,提出了閘門分段分節(jié)安裝方法,解決了閘門不能整體入槽的難題;通過提出閘門拼裝質(zhì)量保證技術(shù),使超大跨度平面鋼閘門在門槽內(nèi)拼裝的整體質(zhì)量依然滿足規(guī)范要求;通過研究大型景觀浮雕與水工鋼閘門結(jié)合技術(shù),實現(xiàn)了閘門外觀與功能的結(jié)合;通過發(fā)明一種安全防護裝置,降低了門槽內(nèi)拼裝閘門的安全風險。研究成果可為類似工程項目提供借鑒和參考。
關(guān)鍵詞:平面鋼閘門; 超大跨度; 門槽內(nèi)拼裝; 外觀設(shè)計; 安全防護
中圖法分類號: TV663
文獻標志碼: A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.024
0引 言
姚江上游余姚西分工程位于浙江省寧波市余姚市,是浙江省重點建設(shè)工程。工程通過在姚江上游瑤街弄興建調(diào)控樞紐,新增姚江分洪出路,豐富流域防洪調(diào)控手段,減輕洪水期對余姚城區(qū)及姚江干流的防洪壓力。工程主要由瑤街弄調(diào)控樞紐、新開姚江至“北排”排澇通道及沿途泵閘站等建筑物組成[1]。其中瑤街弄調(diào)控樞紐擋洪閘工作閘門的門型為露頂平面直升鋼閘門,吊點間距45.00 m,是國內(nèi)跨度最大的平面直升鋼閘門,其設(shè)計建造具有顯著特點和難點。本文主要介紹該超大跨度平面鋼閘門入槽方法、質(zhì)量保證、外觀設(shè)計和現(xiàn)場安裝防護等關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用情況,以期為類似閘門設(shè)計建造提供參考。
1工程概況
瑤街弄調(diào)控樞紐按“三閘聯(lián)建”方案布置,擋洪閘
位于姚江河道正中間,南側(cè)布置削峰調(diào)控閘,北側(cè)布置應(yīng)急船閘。擋洪閘上下游正對姚江Ⅲ級限制性航道,主要功能是在汛期下閘擋洪,平時常開過流通航,在姚江流域發(fā)揮防洪減災和保持航運暢通的重要作用。
擋洪閘按單孔布置,孔口寬度45.30 m,考慮閘室鋼護舷厚度(2×0.15 m),凈寬45.00 m,底檻高程-3.67 m,設(shè)置工作閘門1扇。門型為露頂平面直升鋼閘門,門葉寬47.60 m,門高8.30 m,門厚3.824 m,重量約 340 t。門葉為桁架式結(jié)構(gòu),設(shè)置3榀水平主桁架,水平主桁架間距3.20 m,主要弦桿截面為焊接組合結(jié)構(gòu),節(jié)點間距3.80~4.00 m。水平梁系及縱向聯(lián)結(jié)系等結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q345B。
工作閘門平時鎖定在門槽頂部11.00 m高程處,通過設(shè)置在22.00 m高程啟閉平臺上的固定卷揚式啟閉機進行啟閉操作。工作閘門和啟閉機布置見圖1,擋洪閘設(shè)計參數(shù)見表1。
2閘門設(shè)計建造主要特點及難點
(1) 閘門跨度大,運行工況復雜。國內(nèi)的桁架平面閘門跨度均在35.00 m以下,但該工程桁架閘門吊點跨度為45.00 m,是目前國內(nèi)跨度最大的平面直升鋼閘門。桁架閘門一般用做檢修門,靜水啟閉;而該工程桁架閘門為工作門,需動水啟閉,水流條件更為復雜。一般的桁架閘門多采用疊梁形式,分節(jié)操作,單節(jié)起吊重量小,而該工程閘門重約340 t,采用整體桁架結(jié)構(gòu),吊點設(shè)置在邊柱,閘門開啟瞬間,除了自重作用,還需疊加水壓力作用下產(chǎn)生的內(nèi)力,邊柱應(yīng)力狀態(tài)復雜。
(2) 閘門的巨大體積和重量使制造、運輸及安裝難度加大。按工程進度計劃,此閘門安裝工期短,現(xiàn)場存在交叉作業(yè),施工干擾多;受門槽周圍土建結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件所限,閘門不能整體入槽;因閘門水封、支承滑塊系統(tǒng)等受I型門槽限制,對閘門空間三維方向尺寸都有很高的精度要求,閘門制造和安裝面臨較多難題。
(3) 如此規(guī)模的閘門僅在汛期較短時段下閘擋水,平時懸掛鎖定在姚江主航道上,位于樞紐建筑外立面中央,具有很強的視覺沖擊,其外觀需與樞紐整體現(xiàn)代風格相協(xié)調(diào),應(yīng)具有良好的質(zhì)感和視覺效果,對閘門外觀提出了極高要求。
鑒于上述特點和難點,超大跨度平面直升鋼閘門設(shè)計建造具有較大的挑戰(zhàn)性,特別是閘門入槽方法、質(zhì)量控制、外觀設(shè)計和現(xiàn)場施工安全等關(guān)鍵技術(shù)問題,需開展專項研究。
3關(guān)鍵技術(shù)研究及主要成果
3.1超大跨度閘門單元體劃分及入槽方法
針對現(xiàn)場作業(yè)面狹窄、閘門不能整體入槽的難題,考慮將閘門分節(jié)分段為單元體,在工廠制造后運至現(xiàn)場,分單元體吊運入槽,在門槽內(nèi)完成整體拼裝。因此,從以下方面進行了專項研究。
3.1.1閘門單元體運輸方案
通過實地調(diào)研,閘門單元體運輸可采用全公路運輸方案和水路運輸為主的方案。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較,最終采用全公路運輸方案。
經(jīng)過路線勘察,調(diào)查沿途橋梁、涵洞、收費站等控制站點的通行情況,確定單元體運輸尺寸按寬度不大于4.50 m、長度不大于18.00 m、高度不大于3.83 m控制;單元體重量控制在50 t以內(nèi)。采用車輛底板高度為0.60 m的大型特種專用車輛在指定公路范圍內(nèi)運輸。
3.1.2閘門三維有限元結(jié)構(gòu)分析
工作閘門具有跨度大、動水啟閉、起吊重量大、鎖定環(huán)境差的特點。為使閘門分節(jié)分段避開應(yīng)力應(yīng)變大、應(yīng)力復雜、安全系數(shù)相對較小的區(qū)域,需弄清桁架平面閘門各部位受力狀態(tài)。采用數(shù)值模擬方法,通過有限元軟件對桁架平面閘門結(jié)構(gòu)進行靜力計算和穩(wěn)定分析,為閘門分段分節(jié)提供技術(shù)支撐。
綜合擋水、起吊、鎖定3種控制工況下的閘門應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果,對閘門分節(jié)分段提出如下要求:
① 閘門水平主桁架跨中一定范圍應(yīng)保持完整,不應(yīng)分段,跨中段長度宜為跨度的1/3,即15.00 m左右;
② 水平主桁架靠近閘門邊柱腹板區(qū)域不應(yīng)分段,至少應(yīng)在桁架梁邊柱第一節(jié)間以外分段;
③ 邊柱腹板受力復雜,應(yīng)保持邊柱上下完整和整體剛度,邊柱不應(yīng)上下分節(jié)。
3.1.3閘門單元體劃分及入槽方法
根據(jù)前述分析,結(jié)合閘門特點及要求,將閘門以分節(jié)、分段方式劃分為8個單元體,其中左右2件是垂直單元體、中間6件是水平單元體,如表2及圖2所示。
(1) 1號和8號單元體是閘門結(jié)構(gòu)的剛性區(qū)塊,主要由厚50 mm鋼板構(gòu)成。主要構(gòu)件承受閘門在起吊、擋水、鎖定3種控制工況下的全部荷載,應(yīng)力情況復雜。這兩個剛性區(qū)塊同時是側(cè)水封和主支承滑塊的設(shè)置區(qū),整個區(qū)塊要求有極高的平面度、直線度和加工精度。所以上下應(yīng)保持完整,不應(yīng)分節(jié)。
對這兩段的分割方式也是按照閘門分單元體入槽方案的要求考慮的。閘門分體入槽時,要有一個在寬度方向盡量小的垂直單元體從門槽頂部落槽后,再同其他已入槽的組合單元體進行焊接拼裝。
(2) 根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)受力分析成果,閘門在擋水、起吊、鎖定3種控制工況下,跨度方向的中心處左右2組結(jié)點之間區(qū)段內(nèi)的水平主桁架和面板會產(chǎn)生相對較大的Mises應(yīng)力和上下、前后兩個方向的變形,其中前后順水流方向最大變形達到25.30 mm。為確保閘門安全可靠,保持跨度中心兩側(cè)2組結(jié)點之間的區(qū)段完整是必要的。按此要求,閘門兩側(cè)垂直單元體之間有9組結(jié)點的長度范圍將分割成3件單元體,上節(jié)和底節(jié)分割方式相同,共分為6件單元體。
(3) 閘門高度為8.30 m,由3榀水平主桁架從上往下均布構(gòu)成。因為閘門底部有止水要求,閘門底部2~4號這3件單元體由兩榀水平桁架為主構(gòu)成,這樣形成的封閉結(jié)構(gòu)會使底部2~4號單元體剛度和穩(wěn)定性比上節(jié)各單元體明顯提高,底部3件同兩側(cè)共5件單元體在工廠內(nèi)預拼裝成門字型剛性結(jié)構(gòu),具備在工廠內(nèi)進行水封和支承滑塊定位安裝的條件,滿足出廠預驗收的要求,也為工地入槽后焊接拼裝先形成剛性區(qū)塊創(chuàng)造了有利條件。
因閘門上節(jié)的5~7號單元體中僅有一榀水平主桁架無法形成封閉結(jié)構(gòu),易產(chǎn)生彎曲和扭曲變形,應(yīng)采取臨時加固措施解決。
(4) 為了防止各單元體分節(jié)分段處在現(xiàn)場焊接拼裝時出現(xiàn)交叉焊縫,造成應(yīng)力集中,對閘門中部2~7號單元體之間垂直分割面錯開0.80 m以上。
8件單元體在工廠制造完成,整體預拼裝并驗收合格,拆分后直接運輸至現(xiàn)場,按1→2→3→4→5→6→7→8順序依次吊裝入槽,在門槽內(nèi)完成閘門整體焊接拼裝。
閘門分段分節(jié)入槽安裝關(guān)鍵技術(shù)解決了超大跨度閘門不能整體入槽的問題,有效減少現(xiàn)場焊接工作量和工作面占壓時間,縮短了工期,既實現(xiàn)了閘門跨中不被分段,也保持了兩端剛性區(qū)塊完整和側(cè)向水封安裝面不被分割,有力保證了兩端水封、支承滑塊的安裝精度。
3.2超大跨度平面閘門質(zhì)量保證關(guān)鍵技術(shù)
現(xiàn)行GB/T 14173-2008《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規(guī)范》規(guī)定了平面閘門制造、組裝的公差或極限偏差要求,對于寬度不超過20 m的平面閘門,從寬度5 m開始,每增加5 m,允許偏差同步增加1~3 mm;而對于寬度超過20 m的平面閘門,不論寬度多大,僅在20 m允許偏差基礎(chǔ)上增加1~3 mm。寬度47.6 m的擋洪閘門允許偏差與寬度25 m的閘門允許偏差相同,即寬度增加了5檔,允許偏差僅增加1檔。此外,對于門葉橫向直線度、豎向直線度、底緣直線度、底緣傾斜度及兩邊梁底緣平面度等的允許偏差,不論跨度大小,僅規(guī)定了一個限制數(shù),這不僅對閘門單元體制作,更對單元體槽內(nèi)整體拼裝提出了極為嚴苛的質(zhì)量標準。
對于將超大跨度閘門同時分節(jié)、分段,主梁4次分割成為8件單元體,運到工地現(xiàn)場再用焊接方式拼接的方案,因主梁被多次分割后經(jīng)焊接拼接形成整體的累積誤差會增大,其允許偏差也不可避免地存在線性增加的客觀事實,這是擋洪閘門制造安裝必須面臨的一個關(guān)鍵性問題。
為保證超大跨度工作閘門質(zhì)量滿足規(guī)范要求,在閘門制造、安裝過程中首次采用智能測量及BIM虛擬拼裝技術(shù),通過激光跟蹤智能測量,對每件單元體進行外形尺寸的測量和定位,取得相應(yīng)的三維形位數(shù)據(jù),并進行BIM虛擬拼裝,復核單元體虛擬拼裝形成整體后的相關(guān)尺寸,通過高精度大件三維測量,能輸出可靠和精確的測量數(shù)據(jù),為大跨度閘門整體拼裝質(zhì)量滿足規(guī)范要求提供關(guān)鍵性的技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上,通過“控制單元體形位公差、整體預拼裝精確定位裝置、門槽設(shè)置可調(diào)拼裝平臺、門葉約束控制、控制焊接次序、精準預留焊接收縮量”等一系列關(guān)鍵技術(shù),使超大跨度閘門在門槽內(nèi)拼裝的整體質(zhì)量滿足GB/T 14173-2008《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規(guī)范》中20 m寬度平面閘門質(zhì)量標準要求,詳見表3。
3.3大型景觀浮雕與水工鋼閘門結(jié)合技術(shù)
西分工程擋洪閘工作閘門寬47.60 m,高8.30 m,整幅面板面積約395 m2。如此規(guī)模的閘門僅在汛期較短時段下閘擋水,平時懸掛鎖定在姚江主航道上,具有很強的視覺沖擊效果。結(jié)合擋洪閘工作閘門使用功能,在閘門面板上首次采用浮雕飾面。閘門上游側(cè)配置的浮雕畫面是以中國漢代傳統(tǒng)的畫像磚為造型基礎(chǔ)和構(gòu)圖原則,整幅畫面由3幅景象內(nèi)容組成:中間人物為大禹及其所代表的偉大勞動人民,左側(cè)是河姆渡文化最為顯著的儲存器皿制作景象,右側(cè)是治水之后所帶來的安寧農(nóng)耕文明。
擋洪閘門下游側(cè)配置文字,閘門上、下游飾面設(shè)計見圖3。
該浮雕安裝于閘門面板,懸掛在航道上方,主要供過往船只乘客和兩岸行人觀賞,屬于高部位、中遠距離觀賞的大型浮雕。浮雕采用多層次結(jié)構(gòu),人物和動物浮高控制在150~200 mm,其它景觀(如山脈、流水、星星、云彩等)浮高控制在50~150 mm,利用層次重疊效果,使畫面上產(chǎn)生明顯的納光和納陰效果,有輪廓清晰、立體感強、形象逼真的視覺沖擊。
上游側(cè)浮雕面積360 m2,連同底架總重量約8 t。工作閘門啟閉及擋水過程中,如何保證浮雕在江水浸泡沖刷、漂浮物沖擊和淤泥頂托擠壓等情況下牢固不脫落、不開裂、不變形,是水工鋼閘門采用浮雕飾面必須解決的問題。采用“內(nèi)襯底架+空腔填充”的工藝可提高浮雕強度、剛度;采用浮雕底架與閘門螺栓連接、浮雕板周邊與閘門面板焊接的雙重組合連接方式,以及在浮雕底部設(shè)置防護裝置等技術(shù)措施,解決了工作閘門運行各種工況下的浮雕強度、剛度,以及浮雕與閘門聯(lián)結(jié)可靠性問題。
3.4超大跨度閘門拼裝安全防護關(guān)鍵技術(shù)
因工期極為緊張,在門槽內(nèi)拼裝閘門的時段,門槽正上方的樞紐人行廊橋及觀光幕墻也在安裝。怎樣消除上、下工作面同時作業(yè)帶來的安全隱患,是門槽內(nèi)拼裝閘門必須解決的又一個難題。如從閘室底板滿堂搭設(shè)安全防護棚和人行廊橋幕墻安裝平臺,高度將達30 m,不僅會使閘室空間區(qū)域運輸?shù)跹b受限,而且搭拆工作量大、周期長、費用高。為此研究采用“懸吊式門槽防護棚兼做人行廊橋及幕墻安裝平臺”方案(圖4),即在人行廊橋主體桁架吊裝就位情況下,在其下方滿堂懸吊封閉防護棚,既為門槽閘門拼裝提供安全防護,有效消除立體交叉作業(yè)所帶來的安全隱患,且閘室運輸空間未受影響,也為人行廊橋及幕墻安裝提供了施工平臺,顯著減少工期和施工費用。
4結(jié) 論
瑤街弄調(diào)控樞紐項目超大跨度平面鋼閘門設(shè)計建造面臨不能整體入槽、質(zhì)量要求嚴、外觀要求高、現(xiàn)場安全風險大等特點和難點,并且作為EPC總包項目,既要考慮技術(shù)可行性,還需要綜合考慮工期和經(jīng)濟性,這對EPC總承包方是一個嚴峻挑戰(zhàn)。本文結(jié)合項目的特點和難點,通過深入分析研究,提出了適宜的解決方案:
(1) 提出了一種超大跨度平面鋼閘門分段分節(jié)安裝方法,解決了閘門不能整體入槽的難題。
(2) 提出了一種在門槽內(nèi)拼裝閘門的質(zhì)量保障技術(shù),并形成平面鋼閘門建造質(zhì)量保證技術(shù)體系,使超大跨度平面鋼閘門在門槽內(nèi)拼裝的整體質(zhì)量滿足規(guī)范要求。
(3) 研究了大型景觀浮雕與水工鋼閘門結(jié)合技術(shù),既實現(xiàn)與樞紐整體風格相協(xié)調(diào)的觀賞效果,又達到安全可靠、經(jīng)久耐用的目標。
(4) 發(fā)明了一種閘門現(xiàn)場拼裝的安全防護裝置,使門槽上、下工作面可同時施工,有效降低施工安全風險,顯著縮短工期,減少施工費用。
參考文獻:
[1]宋志忠,王程,余勝祥,等.姚江上游余姚西分項目-瑤街弄調(diào)控樞紐工程初步設(shè)計報告[R].武漢:長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司,2018.
(編輯:胡旭東)