(1.湖北大禹水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430061；2.宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局，湖北 宜昌 443000；3.宜昌市水利水電勘察設(shè)計(jì)院，湖北 宜昌 443000)

近年來(lái)隨著水利施工技術(shù)的不斷發(fā)展，大型化、集約化、自動(dòng)化且安全性高的施工設(shè)備逐漸涌現(xiàn)，造槽機(jī)便是此間應(yīng)運(yùn)而生的一種兼具簡(jiǎn)單、高效、自動(dòng)、安全等特點(diǎn)的新型渡槽施工設(shè)備，在國(guó)內(nèi)已先后被用于廣東東江—深圳的東深供水及南水北調(diào)等大型工程項(xiàng)目中的渡槽施工中。但已有應(yīng)用實(shí)例皆為大型或特大型渡槽工程，東深供水工程渡槽內(nèi)截面尺寸為7.0m×5.4m(寬×高)，跨度24m；南水北調(diào)中湍河渡槽工程單槽的內(nèi)截面尺寸為7.23m×9.0m，跨度40m。目前根據(jù)水利建設(shè)完成情況的現(xiàn)狀和需求，一些跨度大、高度高的中小型渡槽的建設(shè)對(duì)造槽機(jī)這種大型設(shè)備敞開(kāi)了大門，也對(duì)造槽機(jī)向小型化、靈活化的設(shè)備發(fā)展提出了新的要求。

本文正是基于這種背景，結(jié)合造槽機(jī)在中小型規(guī)模的普溪河渡槽新建過(guò)程中的實(shí)際使用工況，對(duì)期間針對(duì)問(wèn)題和不足而采取的優(yōu)化方案進(jìn)行論述。

1 概 況

普溪河渡槽為宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)總干渠上的重要建筑物，渡槽跨度40m，最大高度達(dá)62m，矩形封閉式箱梁槽身，為造槽機(jī)在大跨度、小截面、端部高應(yīng)力、非標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力矩形封閉式簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)中的首次運(yùn)用，為國(guó)內(nèi)首例，被列為湖北省水利重點(diǎn)科研項(xiàng)目。普溪河預(yù)應(yīng)力槽身截面如圖1所示。

圖1 普溪河預(yù)應(yīng)力槽身橫剖面示意圖

2 DZ40/500造槽機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

造槽機(jī)是應(yīng)用于渡槽槽身結(jié)構(gòu)混凝土原位逐跨現(xiàn)澆，配備可自動(dòng)開(kāi)合的定型模板，并具有自主行走過(guò)跨功能的一種大型施工設(shè)備。主要由支撐承重系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、液壓行走系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。

支撐承重系統(tǒng)包括外梁和支腿。外梁由主梁、導(dǎo)梁、挑梁組成。主梁采用箱形組合梁，為單梁形式，是造槽機(jī)的主要承重結(jié)構(gòu)；導(dǎo)梁與主梁直線連接，與主梁共同為造槽機(jī)移動(dòng)過(guò)跨提供導(dǎo)軌；挑梁橫貫于主梁，為掛在其上的外肋及外模系統(tǒng)提供承重和橫向平移平臺(tái)。在主梁上共安裝有四個(gè)支腿，分為承重支腿與行走支腿。1號(hào)和4號(hào)為承重支腿，在非過(guò)跨工況支撐主梁，保證整個(gè)造槽機(jī)在施工期的穩(wěn)定和安全，2號(hào)和3號(hào)支腿為液壓行走支腿，在前行過(guò)跨工況中起到支撐及推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)移動(dòng)的作用。

模板系統(tǒng)分為外模系統(tǒng)和內(nèi)模系統(tǒng)。外模系統(tǒng)由對(duì)開(kāi)的兩部分定型外模組成，通過(guò)外肋懸掛在挑梁上，閉合時(shí)形成封閉空間，為施工提供安全保障，行走過(guò)跨時(shí)需打開(kāi)外模。內(nèi)模系統(tǒng)獨(dú)立于外模系統(tǒng)，通過(guò)鋪設(shè)的導(dǎo)軌可自行進(jìn)出作業(yè)，為針梁式結(jié)構(gòu)，由四根吊桿與主梁相連，混凝土澆筑時(shí)懸浮在槽身內(nèi)部適應(yīng)主梁變形。如圖2所示。

造槽機(jī)主要行走過(guò)跨原理為：當(dāng)一跨槽身完成后需先打開(kāi)外模，然后將懸掛于主梁后端的2號(hào)支腿吊運(yùn)至已完跨槽身前端頂部并支立，松開(kāi)1、4號(hào)承重支腿由2、3號(hào)支腿接替，承托整個(gè)造槽機(jī)系統(tǒng)。通過(guò)配備在2、3號(hào)支腿上的液壓油缸推動(dòng)造槽機(jī)向前滑行，前行13m后導(dǎo)梁前端到達(dá)前方墩上方，利用自身提升設(shè)備將1號(hào)支腿吊運(yùn)至前方墩并就位支撐。此后的前行過(guò)程中外梁的受力狀態(tài)由前期的兩支點(diǎn)(3號(hào)、2號(hào)支腿)變?yōu)槿c(diǎn)(3號(hào)、2號(hào)、1號(hào)支腿)共同支撐，當(dāng)前行至26m時(shí)，3號(hào)支腿將脫空，又回到兩支點(diǎn)(2號(hào)、1號(hào)支腿)支撐狀態(tài)，直至過(guò)跨作業(yè)完畢。

圖2 DZS40/500矩形渡槽造槽機(jī)結(jié)構(gòu)示意

3 DZ40/500造槽機(jī)應(yīng)用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于造槽機(jī)還沒(méi)有被大范圍普及，目前全部為定制設(shè)備，需適應(yīng)各個(gè)項(xiàng)目的各自特點(diǎn)，沒(méi)有通用形式，所以在進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)一些不足和有待優(yōu)化之處。

本文提出的優(yōu)化主要針對(duì)以下不足和問(wèn)題：箱式導(dǎo)梁改為桁架形式帶來(lái)的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中；主梁下部非過(guò)跨主受力區(qū)域截面強(qiáng)度不足；內(nèi)外梁剛度不一致，導(dǎo)致承載狀態(tài)下不能協(xié)調(diào)變形；外模系統(tǒng)外模頂口線可調(diào)桿件、支撐點(diǎn)不穩(wěn)定，操作不便，影響外觀質(zhì)量；內(nèi)模倒角未設(shè)計(jì)蓋模，影響混凝土澆筑；防雷、安全防護(hù)不足等。

3.1 箱式導(dǎo)梁改為桁架形式后局部應(yīng)力集中的問(wèn)題

本例中造槽機(jī)原設(shè)計(jì)為80m長(zhǎng)箱梁結(jié)構(gòu)，后優(yōu)化縮短為67m長(zhǎng)變截面箱形梁結(jié)構(gòu)，主要包括長(zhǎng)50m、截面尺寸為4m×2m的主梁段，長(zhǎng)17m、截面尺寸為3m×2m的導(dǎo)梁段。但最終為降低造價(jià)將導(dǎo)梁又改為桁架結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接拼接板并用高強(qiáng)螺栓與主梁連接。詳細(xì)構(gòu)造見(jiàn)圖3。

圖3 主梁與導(dǎo)梁連接圖

在過(guò)跨期間，受3號(hào)支腿水平滑靴加工精度以及下部支撐混凝土頂面平整度的影響，加大了水平滑靴表面摩擦系數(shù)，當(dāng)摩擦阻力比較大時(shí)，很小的法向力作用也能激勵(lì)出摩擦振動(dòng)[1]。在實(shí)際作業(yè)中每個(gè)滑動(dòng)周期的初期振動(dòng)表現(xiàn)明顯。按照模態(tài)振動(dòng)的理論來(lái)解釋，因摩擦力變化激起的高聲強(qiáng)級(jí)摩擦振動(dòng)，其摩擦力變化時(shí)間τ對(duì)靜摩擦的作用相當(dāng)于一種沖擊荷載。特別是在造槽機(jī)前行15～37.5m范圍內(nèi)，在主梁與導(dǎo)梁變截面連接處會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊應(yīng)力，而當(dāng)前行至30m時(shí)主梁與導(dǎo)梁接頭處彎矩最大，在考慮振動(dòng)沖擊的最不利工況下，最大彎矩可達(dá)1120.85tf·m，超過(guò)設(shè)計(jì)彎矩347.85tf·m；前行至34m時(shí)，主梁與導(dǎo)梁接頭處剪力最大，在考慮振動(dòng)沖擊的最不利工況下，最大剪力可達(dá)176.9tf，超過(guò)設(shè)計(jì)剪力54.9tf，存在極大的安全隱患。

過(guò)跨移位15～37.5m范圍內(nèi)主梁與導(dǎo)梁節(jié)點(diǎn)剪力和彎矩對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 過(guò)跨移位15～37.5m期間主梁與導(dǎo)梁結(jié)點(diǎn)剪力和彎矩對(duì)比

在上述工況下，加之主梁與導(dǎo)梁連接處的截面突變，導(dǎo)致在連接拼接板處因沖擊荷載產(chǎn)生的應(yīng)力集中問(wèn)題非常突出。

在實(shí)際案例中，當(dāng)造槽機(jī)從16號(hào)槽身向17號(hào)槽身過(guò)跨作業(yè)時(shí)，前行至27m處時(shí)，桁架導(dǎo)梁與主梁連接處下部的拼接板焊接處局部焊縫出現(xiàn)裂紋破壞，在立即停止過(guò)跨作業(yè)后，對(duì)破壞部位進(jìn)行了焊縫補(bǔ)強(qiáng)的補(bǔ)救措施。具體焊縫破壞情況見(jiàn)圖5。

圖5 過(guò)跨期間主梁與導(dǎo)梁結(jié)點(diǎn)焊縫開(kāi)裂

鑒于此類情況，應(yīng)考慮將主梁與桁架連接設(shè)計(jì)優(yōu)化為漸變，將矩形箱梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成箱形漸變形式，增加主梁與桁架結(jié)構(gòu)間連接的漸變段，由箱梁的空間面受力形式逐步過(guò)渡轉(zhuǎn)換為桁架桿件受力形式。

3.2 主梁下部非過(guò)跨主受力區(qū)域截面強(qiáng)度不足的問(wèn)題

造槽機(jī)過(guò)跨時(shí)前移至13m后，呈現(xiàn)三支點(diǎn)聯(lián)合受力狀態(tài)，理想狀態(tài)下三支點(diǎn)頂部高程具有一致性，各支點(diǎn)內(nèi)力分配與理論計(jì)算一致。為強(qiáng)化對(duì)應(yīng)支撐區(qū)域主梁的截面強(qiáng)度，自導(dǎo)梁連接處在主梁內(nèi)部向后19m的范圍，在主梁下部與滾輪、油頂支撐的對(duì)應(yīng)區(qū)域設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋板和加厚腹板。

受造槽機(jī)主梁、導(dǎo)梁加工，安裝精度的限制，其下底面與各支撐面接觸部位存在一定高差，同一支撐位置左右兩側(cè)也無(wú)法保證絕對(duì)水平；加之下部混凝土澆筑面平整度誤差的影響，各支撐點(diǎn)頂部高程在過(guò)跨過(guò)程中難以達(dá)到理論同高狀態(tài)。各支點(diǎn)無(wú)法做到絕對(duì)水平，導(dǎo)致各支點(diǎn)間內(nèi)力分布呈隨機(jī)紊亂狀態(tài)，形成局部應(yīng)力集中，可能會(huì)出現(xiàn)某處內(nèi)力遠(yuǎn)大于主梁支撐部位設(shè)計(jì)強(qiáng)度的情況。特別是2號(hào)支腿一旦出現(xiàn)支墊超高，將導(dǎo)致3號(hào)支腿提前脫空，使2號(hào)支腿對(duì)應(yīng)主梁下部未加強(qiáng)區(qū)域承受超設(shè)計(jì)荷載，另外由過(guò)跨振動(dòng)形成的沖擊荷載將進(jìn)一步增加發(fā)生局部失穩(wěn)的可能性。

在實(shí)際使用過(guò)程中，發(fā)生了在主梁加強(qiáng)區(qū)域范圍外的箱梁局部腹板變形的事故。見(jiàn)圖6。

圖6 主梁下部非過(guò)跨主受力區(qū)域變形情況

解決方案：延長(zhǎng)主梁下部受支撐區(qū)域截面加強(qiáng)范圍，將原加強(qiáng)區(qū)域延長(zhǎng)至35m范圍，加強(qiáng)方式采取增加主箱梁下底支撐面與腹板內(nèi)外側(cè)倒角筋板，同時(shí)在主箱梁下底面與其腹板下部?jī)?nèi)側(cè)第一道加強(qiáng)橫向筋板間、腹板內(nèi)側(cè)豎向加強(qiáng)筋板中部增加豎向截面強(qiáng)化筋板。

建議：每次在造槽機(jī)移位過(guò)跨時(shí)，多次測(cè)量，盡量調(diào)平每組支腿支撐頂面高程，確保每組支腿均勻受力。并在2號(hào)支腿上部增設(shè)墊高警示刻度，防止支墊超高，出現(xiàn)3號(hào)支腿提前脫空現(xiàn)象。

3.3 造槽機(jī)內(nèi)外模板系統(tǒng)協(xié)調(diào)變形不一致的問(wèn)題

內(nèi)模系統(tǒng)主要由內(nèi)模板、內(nèi)梁、走行臺(tái)車、50t千斤頂?shù)冉M成。內(nèi)梁主要承受內(nèi)模系統(tǒng)的自重以及澆筑過(guò)程中混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力，為桁架結(jié)構(gòu)，共分3節(jié)，節(jié)間采用螺栓法蘭連接。內(nèi)梁中部通過(guò)4道吊桿與主梁連接，兩端分別由千斤頂將內(nèi)模系統(tǒng)支撐，千斤頂支點(diǎn)位于上下游墩帽上。內(nèi)模系統(tǒng)的澆筑狀態(tài)如圖7所示。

圖7 造槽機(jī)上下端2支點(diǎn)、中部4吊點(diǎn)示意

由于內(nèi)梁上下游端部受到固定支撐且整體剛度較強(qiáng)，造成內(nèi)模軸線不能適應(yīng)主梁及外模的預(yù)拱曲線，導(dǎo)致內(nèi)外模的變形過(guò)程不能協(xié)調(diào)一致。造成的不良后果會(huì)導(dǎo)致澆筑完成的槽身頂板及底板混凝土厚度及鋼筋保護(hù)層不能整體一致，進(jìn)一步影響槽身底板設(shè)計(jì)縱坡(如圖8所示)，使槽身過(guò)水流態(tài)發(fā)生變化，不能滿足設(shè)計(jì)要求。嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響槽身使用壽命甚至危及槽身結(jié)構(gòu)安全。

圖8 槽身縱坡曲線示意

為了實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變形，通過(guò)增加連接限位桿件將內(nèi)梁上下游兩端由原來(lái)50t千斤頂支撐在墩帽上的方式，改為由吊桿直接與主梁連接，使內(nèi)梁能完全感應(yīng)外梁的變形過(guò)程。內(nèi)梁受力方式由上下端2支點(diǎn)、中部4吊點(diǎn)(見(jiàn)圖9)優(yōu)化為上下端2吊點(diǎn)、中部4吊點(diǎn)(見(jiàn)圖9)的方案，將內(nèi)梁完全懸掛于主梁底部形成整體。

圖9 造槽機(jī)上下端2吊點(diǎn)、中部4吊點(diǎn)示意

3.4 外模系統(tǒng)外模頂口線可調(diào)桿件

為了確保造槽機(jī)外模上頂口線的線型，最初設(shè)計(jì)為通過(guò)頂絲調(diào)節(jié)外側(cè)模上口縱向線條。外側(cè)模上部共配置了48個(gè)獨(dú)立的頂絲，分別架設(shè)于上部行走平臺(tái)外檐與外肋之間，但未設(shè)計(jì)頂絲固定和拉回裝置。首跨施工效果表明：頂絲調(diào)節(jié)模板線條時(shí)，很難協(xié)調(diào)一致，效果不明顯；并且因無(wú)固定裝置，混凝土澆筑時(shí)的施工振動(dòng)容易導(dǎo)致頂絲掉落，造成跑模并給下方通過(guò)的人車帶來(lái)了安全隱患。

優(yōu)化方案為分別在外模頂口、外肋上焊接固定耳板座，設(shè)可調(diào)撐桿進(jìn)行調(diào)節(jié)。分別用48個(gè)可調(diào)撐桿替換所有上口頂絲，并且為了增加可調(diào)撐桿穩(wěn)定性將其按45°角布置。其可操作性簡(jiǎn)單，牢固安全可靠，線條順直易于控制。

3.5 內(nèi)膜系統(tǒng)倒角蓋模的問(wèn)題

為便于內(nèi)模系統(tǒng)自動(dòng)收縮折疊，內(nèi)模倒角底部未設(shè)計(jì)防翻漿蓋模。但為了解決從側(cè)墻底部倒角處發(fā)生翻漿的問(wèn)題，待底板澆筑完畢后在倒角模板外側(cè)增加蓋模。蓋膜一側(cè)嵌入倒角模板底邊20mm左右，外側(cè)采用鋼管，利用桁架撐壓模板，撐壓力度以模板與混凝土面剛好完全接觸即可。蓋模的寬度過(guò)窄會(huì)影響效果，過(guò)寬又會(huì)導(dǎo)致倒角內(nèi)混凝土振搗后氣泡不能排出，最后確定蓋模寬度以400mm為宜。

3.6 高空避雷及防護(hù)的問(wèn)題

造槽機(jī)屬于大型鋼結(jié)構(gòu)移動(dòng)模架，在設(shè)計(jì)、制造及安裝過(guò)程中，未考慮到避雷裝置的設(shè)計(jì)、安裝，對(duì)造槽機(jī)雷雨季節(jié)施工的人員及設(shè)備帶來(lái)重大安全隱患，為實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)增設(shè)了高空避雷裝置和能夠方便開(kāi)合的上部頂棚。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.造槽機(jī)應(yīng)考慮因摩擦振動(dòng)所引起的沖擊荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)中的主承重構(gòu)件與非主承重構(gòu)件進(jìn)行連接設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮必要的截面漸變，減小因截面突變所帶來(lái)的應(yīng)力集中問(wèn)題，特別是對(duì)箱梁立體空間受力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為桁架桿件受力模型，可以考慮將三維受力截面通過(guò)面受力漸變?yōu)闂U件受力。

b.大跨度承載箱形梁式構(gòu)件在移位工況中，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)超過(guò)3組支點(diǎn)同時(shí)支撐的工況，避免因各種無(wú)法預(yù)估的干擾因素而無(wú)法達(dá)到理論狀態(tài)造成截面局部失穩(wěn)。

c.大跨度箱形混凝土澆筑主受力造槽機(jī)支撐構(gòu)件，受跨度大、荷載大、撓度大等的影響，應(yīng)分別計(jì)算主支撐構(gòu)件與內(nèi)模支撐構(gòu)件隨著混凝土澆筑荷載增加產(chǎn)生的撓度。當(dāng)受大跨度小截面箱梁結(jié)構(gòu)影響，無(wú)法將內(nèi)梁與主梁做到同樣剛度時(shí)，須采用吊桿將主梁與內(nèi)梁連成整體，保持同步變形，避免混凝土凝結(jié)期出現(xiàn)不良裂縫，影響結(jié)構(gòu)使用壽命。

以上為針對(duì)造槽機(jī)在普溪河渡槽施工中的實(shí)際使用情況及出現(xiàn)的問(wèn)題所采取的優(yōu)化措施或改進(jìn)方案，可為后期類似的中小型項(xiàng)目中造槽機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。