三峽升船機(jī)橫梁支撐系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)及分析

劉新清，何 煒

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司三峽分公司，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽垂直升船機(jī)是三峽水利樞紐的永久通航設(shè)施之一，設(shè)計(jì)過(guò)船規(guī)模為3 000噸級(jí)，最大提升高度為113m，具有提升高度大、提升質(zhì)量大、水位變幅大和水位變化快的特點(diǎn)，技術(shù)難度和建設(shè)規(guī)模居當(dāng)今世界之首。三峽升船機(jī)船廂室段塔柱為薄壁墻體結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)水平面內(nèi)呈雙重對(duì)稱(chēng)布置，在每個(gè)塔柱的上、下游布置有剪力墻。上、下游塔柱與剪力墻之間通過(guò)縱梁實(shí)現(xiàn)縱向連接，左右兩側(cè)塔柱通過(guò)塔柱頂部的橫梁實(shí)現(xiàn)橫向連接[1～3]。

升船機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)混凝土外觀質(zhì)量要求高，規(guī)模巨大，技術(shù)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特殊，施工時(shí)為高空作業(yè)，受起吊能力、技術(shù)要求限制，經(jīng)綜合分析比較，決定采用貝雷架結(jié)合模板排架系統(tǒng)支撐施工。貝雷架采用B321型貝雷架拼裝而成，模板排架系統(tǒng)搭設(shè)在貝雷架上部，每榀貝雷架兩端均坐落在塔柱墻面的鋼支座上。B321型貝雷架由Q345型鋼制作，由上下弦桿、豎桿和斜桿等拼裝而成，弦桿由10號(hào)槽鋼組成，腹桿系由8號(hào)工字鋼組成。鋼支座系統(tǒng)主要由鋼箱梁、鋼支座及埋件組成。鋼支座對(duì)稱(chēng)布置在船廂室兩側(cè)的塔柱墻壁上，垂直于水流方向，通過(guò)高強(qiáng)螺栓組與埋件結(jié)構(gòu)連接。鋼支座與貝雷架之間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)箱梁。

升船機(jī)塔柱頂部橫梁結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)澆混凝土，橫梁不分層一次澆筑成型。全部施工荷載通過(guò)模板排架、貝雷架最終傳遞到鋼支座系統(tǒng)上。整個(gè)施工支撐體系跨度大，所承受的施工荷載大，且為高空作業(yè)。因此，通過(guò)安全監(jiān)測(cè)手段監(jiān)測(cè)施工支撐體系的應(yīng)力與變形情況，以保證貝雷架支撐系統(tǒng)、模板排架和鋼支座系統(tǒng)的安全穩(wěn)定就顯得至關(guān)重要。

2 安全監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

順?biāo)鞣较颍瑱M梁從上游至下游依次編號(hào)為HL1～HL13。為保證三峽升船機(jī)塔柱橫梁施工安全，根據(jù)塔柱橫梁結(jié)構(gòu)施工荷載受力情況，選擇承受荷載最大的HL2、HL7和HL12橫梁（上、中、下3個(gè)澆筑塊）的支撐系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。這3根橫梁的支撐系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下。a.監(jiān)測(cè)貝雷架支撐系統(tǒng)在混凝土澆筑前后以及混凝土澆筑過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變、自振頻率和貝雷架跨中橫截面撓度及側(cè)彎。b.貝雷架兩端支座位移及監(jiān)測(cè)。c.監(jiān)測(cè)相應(yīng)的塔柱混凝土墻體結(jié)構(gòu)變形。d.由于HL12和HL7橫梁排架分別被HL11排架和HL6排架遮擋，故只有對(duì)HL2、HL6和HL11 3根橫梁排架的立桿垂直度和位移進(jìn)行觀測(cè)。

3 安全監(jiān)測(cè)的實(shí)施

3.1 鋼管排架系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

為了準(zhǔn)確地反映橫梁排架立桿的變形情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)位置及監(jiān)測(cè)方法如下。a.在HL2橫梁排架下游側(cè)、HL6橫梁排架上游側(cè)和HL11橫梁排架上游側(cè)中部各選擇一根立桿作為排架立桿垂直度監(jiān)測(cè)對(duì)象，在每根立桿的上、中、下部位置貼反射片。b.利用全站儀測(cè)量出監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)變化值，從而計(jì)算出排架立桿垂直度。c.監(jiān)測(cè)頻率為在橫梁混凝土澆筑前、每坯層混凝土澆筑后以及全部混凝土澆筑完成1 h后各進(jìn)行一次。

3.2 貝雷架系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

3.2.1 貝雷架系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)頻次

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目a.HL2、HL7和HL12橫梁貝雷架的自振頻率監(jiān)測(cè)。b.HL2、HL7和HL12橫梁貝雷架腹桿、弦桿應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)。c.HL2、HL7和HL12橫梁貝雷架跨中橫截面撓度及側(cè)彎監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)頻率與鋼管排架系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)頻率相同。

3.2.2 貝雷架系統(tǒng)應(yīng)力、應(yīng)變及頻率測(cè)點(diǎn)布置

橫梁混凝土澆筑前，在承受荷載最大的HL2和HL12橫梁處的貝雷架支撐體系布置12個(gè)應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，在HL7橫梁處的貝雷架支撐體系布置24個(gè)應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和1個(gè)頻率測(cè)點(diǎn)，其中頻率測(cè)點(diǎn)布置在貝雷架中間底部位置。采用應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)貝雷架的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。頻率監(jiān)測(cè)采用無(wú)線(xiàn)環(huán)境激勵(lì)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 HL2、HL7和HL12橫梁貝雷架應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 The layout diagram of stress-strainm onitoring pointsof HL2，HL7 and HL12 Bailey rack注：圖中括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為HL7橫梁監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)

3.2.3 貝雷架系統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)

為了準(zhǔn)確地反映橫梁貝雷架的變形情況，貝雷架變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)位置及監(jiān)測(cè)方法如下。a.在HL2、HL7和HL12橫梁貝雷架上游側(cè)面底部1、5、9節(jié)處布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每點(diǎn)貼反射片。b.利用全站儀測(cè)量出監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)變化值，并據(jù)此計(jì)算出貝雷架的撓度和側(cè)彎變化值。

3.2.4 貝雷架系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備

貝雷架系統(tǒng)安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目所采用的主要設(shè)備見(jiàn)表1。主要監(jiān)測(cè)設(shè)備均經(jīng)過(guò)檢定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的精度，并且處于檢定周期范圍內(nèi)。

3.3 鋼支座系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

采用在墻壁上安裝托架并布設(shè)百分表的方法監(jiān)測(cè)鋼支座系統(tǒng)。利用膨脹螺栓將角鋼固定在梁支座周邊并以此作為支撐點(diǎn)，然后焊接支撐托架并固定。在每個(gè)支座及高強(qiáng)螺栓處分別布置6個(gè)百分表進(jìn)行監(jiān)控。其中，在支座位置的6個(gè)百分表監(jiān)測(cè)支座X、Y、Z3個(gè)方向位移變化，在高強(qiáng)螺栓處的6個(gè)百分表監(jiān)測(cè)高強(qiáng)螺栓的位移量。百分表托架在安裝過(guò)程中需保證其支撐完全依附于混凝土墻壁，與貝雷架支座系統(tǒng)完全獨(dú)立，以確保后續(xù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)能夠真實(shí)反映支座系統(tǒng)與混凝土墻壁間的相互位移關(guān)系。監(jiān)控表針與監(jiān)控對(duì)象的監(jiān)控點(diǎn)接觸面頂緊并進(jìn)行表值讀數(shù)與記錄，并以此時(shí)的表值作為監(jiān)控起始值。在混凝土澆筑過(guò)程中分段進(jìn)行表值讀取與記錄。

表1 貝雷架監(jiān)測(cè)主要儀器設(shè)備表Table1 Major equipmentsof safetymonitoring on Bailey rack

3.4 塔柱墻體變形監(jiān)測(cè)

分別在距離橫向貝雷架底部0.5m處靠船廂室側(cè)的兩側(cè)墻體上埋設(shè)監(jiān)測(cè)棱鏡，通過(guò)膨脹螺絲固定在墻體上，作為塔柱墻體變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)時(shí)將全站儀架設(shè)在位于下閘首84.00m高程平臺(tái)的觀測(cè)墩上，測(cè)出儀器到左、右兩個(gè)棱鏡的水平距離以及兩個(gè)棱鏡與儀器組成的夾角，計(jì)算出兩個(gè)棱鏡之間的水平距離。通過(guò)計(jì)算得出的棱鏡之間的水平距離來(lái)反映塔柱墻壁的變形。

3.5 安全監(jiān)測(cè)預(yù)警

根據(jù)貝雷架原型荷載試驗(yàn)[4]的監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為貝雷架及排架施工監(jiān)測(cè)安全限值、通常值及預(yù)警值的基礎(chǔ)值。采取原型荷載試驗(yàn)中100%荷載數(shù)據(jù)作為通常值，110%荷載數(shù)據(jù)作為預(yù)警值，根據(jù)線(xiàn)性分析計(jì)算出120%荷載對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為安全限值，見(jiàn)表2。

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常值、預(yù)警值和安全限值Table2 Thenormalvalue，alarm valueand safety lim it valueofmonitoring data

1）安全限值。為保證在澆筑混凝土?xí)r承載結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)局部失穩(wěn)、整體較大變形，貝雷架結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足的限值指標(biāo)。超過(guò)此值時(shí)，必須采取一定措施確保安全。

貝雷架豎向撓度安全限值包括貝雷架安裝后的初始撓度值和澆筑過(guò)程中的撓度值，根據(jù)貝雷架結(jié)構(gòu)豎向撓跨比安全限值為L(zhǎng)/400（L為跨度）計(jì)算出的安全限值為63.75mm，該值大于試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算值62.62mm，因此豎向撓度安全限制取63.75mm。

對(duì)于貝雷架側(cè)彎，由于貝雷架安裝時(shí)的初始值和試驗(yàn)時(shí)的初始值不同，故用試驗(yàn)時(shí)的側(cè)彎變化值作為安全限值，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的側(cè)彎變化值安全限值為±6mm。

2）通常值。超過(guò)此值時(shí)，應(yīng)仔細(xì)檢查承載結(jié)構(gòu)是否存在隱藏的病害（如支撐架、聯(lián)板不強(qiáng)等）。

3）預(yù)警值。超過(guò)此值時(shí)，應(yīng)仔細(xì)檢查承載結(jié)構(gòu)，并采取降低混凝土入倉(cāng)強(qiáng)度以及坯層厚度等措施。

4）貝雷架自振頻率安全預(yù)警。在混凝土澆筑過(guò)程中為保證結(jié)構(gòu)的剛度和整體性良好，其澆筑過(guò)程中貝雷架的自振頻率必須大于貝雷架原型荷載試驗(yàn)時(shí)的自振頻率。

5）貝雷架支座監(jiān)測(cè)安全預(yù)警。為滿(mǎn)足施工安全要求，貝雷架支座系統(tǒng)高強(qiáng)螺栓在監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)生伸縮量位移時(shí)需立即停止施工。

4 安全監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

4.1 安全監(jiān)測(cè)結(jié)果

塔柱橫梁結(jié)構(gòu)共分為上游塊、中游塊和下游塊3個(gè)倉(cāng)次澆筑，整個(gè)澆筑過(guò)程順利，并全程進(jìn)行了安全監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果見(jiàn)表3～表5。

表3 HL2貝雷架支撐系統(tǒng)及筒體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表Table3 Themonitoring datasheetof HL2Bailey rack supporting system and cylinder

表5 HL12貝雷架支撐系統(tǒng)及筒體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表Table5 Themonitoring datasheetof HL12Bailey rack supporting system and cylinder

4.2 安全監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

1）通過(guò)比較監(jiān)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)限值可以發(fā)現(xiàn)，貝雷架的撓度值、側(cè)彎變化值、自振頻率和排架垂直度均比通常值小，筒體位移滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。這表明在橫梁混凝土的澆筑過(guò)程中，橫梁支撐系統(tǒng)穩(wěn)定、安全，技術(shù)方案可靠，能夠保證混凝土澆筑的順利進(jìn)行。

2）混凝土澆筑過(guò)程中鋼支座系統(tǒng)部分百分表監(jiān)測(cè)出了微小位移量變化，其中HL2貝雷架左側(cè)支座高強(qiáng)螺栓監(jiān)測(cè)出了0.08mm的位移變化，HL7貝雷架支座局部監(jiān)測(cè)出0.05mm的位移變化，HL12貝雷架支座局部監(jiān)測(cè)出0.1mm的位移變化。根據(jù)各鋼支座的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，出現(xiàn)位移量變化的監(jiān)測(cè)點(diǎn)只是少數(shù)點(diǎn)，而且出現(xiàn)的位移量變化是非線(xiàn)性且可逆的。分析認(rèn)為支座及高強(qiáng)螺栓的變形屬?gòu)椥宰冃危O(jiān)測(cè)位移量變化主要是因?yàn)檎駝?dòng)引起的，對(duì)整個(gè)支撐系統(tǒng)的安全穩(wěn)定影響不大。

5 結(jié)語(yǔ)

三峽升船機(jī)塔柱橫梁結(jié)構(gòu)采用貝雷架結(jié)合模板排架系統(tǒng)支撐施工。施工支撐體系跨度大，所承受的施工荷載大，且為高空作業(yè)，為了保證橫梁施工的安全進(jìn)行，在施工過(guò)程中，對(duì)整個(gè)支撐系統(tǒng)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和頻率等項(xiàng)目進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。將監(jiān)測(cè)結(jié)果與原型荷載試驗(yàn)中獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，據(jù)此來(lái)評(píng)價(jià)整個(gè)支撐系統(tǒng)的安全狀況。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，貝雷架桿件應(yīng)力、撓度變形以及排架變形均滿(mǎn)足安全要求，筒體位移滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，貝雷架支撐系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠保證橫梁混凝土的安全順利澆筑。

工程安全監(jiān)測(cè)是掌握施工質(zhì)量、指導(dǎo)施工、監(jiān)控工程運(yùn)行工況的重要手段，必須予以高度重視。本文從監(jiān)測(cè)對(duì)象的選擇、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的確定、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置以及監(jiān)測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)等方面詳細(xì)地介紹了三峽升船機(jī)橫梁支撐系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)情況，累積了很多安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)可以為類(lèi)似工程安全監(jiān)測(cè)的實(shí)施提供借鑒，具有一定的推廣價(jià)值。

[1] 鈕新強(qiáng).三峽升船機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[2] 蘇海東，謝小玲，祁勇峰.三峽升船機(jī)塔柱聯(lián)系梁三維有限元內(nèi)力計(jì)算[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009，26（1）：38-41.

[3] 朱 虹，林新志.三峽升船機(jī)塔柱抗震設(shè)計(jì)[J].人民長(zhǎng)江，2009，40（23）：56-58.

[4] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.