玻璃鋼管在混凝土澆筑過程中抗浮實例

仇中為

(鎮(zhèn)江新華電建設(shè)勞務有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

1 工程概況

田灣核電站5、6號機組循環(huán)水進排水管道結(jié)構(gòu)(GD溝)施工段內(nèi)襯玻璃鋼管道直徑3600mm(主)、2400mm(支)，玻璃鋼管道為圓形，循環(huán)水進排水管溝結(jié)構(gòu)為方形。其中C、D、E、G段為上下雙層玻璃鋼管道，每段結(jié)構(gòu)分上下行支管，直徑2200mm。因受場地條件限制，此雙層內(nèi)襯玻璃鋼結(jié)構(gòu)需2次澆筑完畢(斜面分層)，第1次澆筑至-15.950m、第2次澆筑至-12.600m(頂部)(見圖1)。

2 施工難點

1)由于玻璃鋼管道直徑較大，且為全封閉結(jié)構(gòu)，在混凝土澆筑過程中，玻璃鋼管管道受混凝土浮力較大，玻璃鋼管道固定抗浮固定措施必須另行設(shè)計。

2)由于2011年部分回填已澆筑，未考慮玻璃鋼管道支架固定問題，部分支架下埋件需先植筋后鋼板塞孔焊接。

3)由于一側(cè)回填已施工完畢，玻璃鋼管道下1/3區(qū)域無法有效振搗，易出現(xiàn)漏振現(xiàn)象，影響混凝土澆筑質(zhì)量

3 技術(shù)措施及計算

直徑3600mm主管固定支座按圖2布設(shè)，10號槽鋼口對口雙拼，槽鋼底部預埋件布置間距不大于2200mm，預埋件型號為ME202010，采用雙鋼帶焊

混凝土側(cè)壓力取小值33.6kN/m2;混凝土有效壓頭高度h=F/γc=1.4m。當x＜2.2m時，P(x)=33.6kN/m2;當 x＞2.2m 時，P(x)=86.4-24x。

當混凝土澆筑至玻璃鋼管頂(見圖3)，將數(shù)值帶入式(1)得出玻璃鋼管承受浮力為87.87kN/m。玻璃鋼管標準件單位長度重力G’=ρ’gV，ρ’為玻璃鋼管密度，由廠家提供取2100kg/m3，故單位長度F2=接，玻璃鋼管與固定支座、鋼帶間墊橡膠板(防止對玻璃鋼管的破壞)。原2011年回填區(qū)域，采用植筋鋼板塞孔焊接：HRB40直徑14mm鋼筋，6根，基本錨固長度396mm。

3.1 有效浮力計算

計算玻璃鋼管道固定支座的抗浮能力需先計算出玻璃鋼管道在混凝土澆筑時的浮力。但混凝土非純液態(tài)，需另行設(shè)計計算模型［1］。通過建立模型微積分求導，得出具有普遍適用性的流態(tài)物質(zhì)對浸入物體的浮力計算式：

式中，S(x)為物體的截面積隨深度的變化曲線;P(x)為混凝土側(cè)壓力;x為物體浸入深度。

在混凝土澆筑不同階段，玻璃鋼管所受浮力不同，需劃分澆筑階段分析，同時分別求出積分式及阿基米德定律數(shù)值，相互比較得出最大浮力。

1)微積分法742kg，則玻璃鋼管有效浮力F=80.87kN/m。

當混凝土澆筑至管身一半以上1.4m時(見圖4)，將數(shù)值帶入公式(1)得出玻璃鋼管承受浮93.73kN/m，則玻璃鋼管有效浮力F=86.73kN/m。

當混凝土澆筑至管身一半以上0.7m時(見圖5)，將數(shù)值帶入公式(1)得出玻璃鋼管承受浮力為117.26kN/m，則玻璃鋼管有效浮力F=110.26kN/m。

2)阿基米德定律

阿基米德原理適用于全部或部分浸入靜止流體的物體，但要求物體下表面必須與流體接觸。綜上得出當混凝土澆筑至管身一半以上0.7m時，排出流體體積最大，浮力最大，取管身長 1m計算：F=ρgv=117.86kN/m，則玻璃鋼管有效浮力F=110.86kN/m。

根據(jù)2種理論計算辦法，可知混凝土澆筑至管身一半以上1/2有效壓頭高度時，圓形玻璃鋼管道產(chǎn)生的有效浮力最大，具有普遍適用性。因此，最不利浮力取值110.86kN/m。

圖1 循環(huán)進排水主、支管道布設(shè)示意

圖2 直徑3600mm主管固定支座示意

圖3 混凝土澆筑至玻璃鋼管頂

圖4 混凝土澆筑至管身一半以上1．4m

圖5 混凝土澆筑至管身一半以上0．7m

3.2 玻璃鋼管道支座體系抗浮驗算

玻璃鋼管道支座體系構(gòu)成復雜，各構(gòu)件均對最終浮力有影響，需分別對各構(gòu)件單獨計算。本計算附加1.5的安全系數(shù)，以消除各構(gòu)件的組裝偏差。

3.2.1 鋼帶與支架焊接焊縫強度驗算

玻璃鋼管抗浮措施采用雙拼槽鋼支架，2根鋼帶分別與支架焊接收緊玻璃鋼管方式。

單根鋼帶與槽鋼焊接的方式：每條鋼帶兩端均與槽鋼焊接，每端焊縫為，2道豎向焊縫長300mm，焊腳尺寸6mm;1道水平焊縫長100mm，焊腳尺寸6mm(水平焊縫不計入驗算)，焊縫均為角焊縫。

根據(jù)GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中側(cè)面角焊縫(作用力平行于焊縫長度方向)公式7.1.3-2得：N=387.072kN，根據(jù)力學原理，1根鋼帶焊縫可承受N=774.144kN。

鋼帶布置取槽鋼支架榀間最大間距2.2m，取最不利浮力F為110.86kN/m，取安全系數(shù)為1.5，鋼帶拉力為365.838kN＜774.144kN，故只考慮豎向焊縫，安全系數(shù)取1.5的情況下，1根鋼帶焊縫強度仍滿足抗浮要求，2根鋼帶必定滿足要求，且安全儲備較大。

3.2.2 鋼帶自身強度驗算

鋼帶為Q235B材質(zhì)，厚6mm，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》式 3.4.1-1抗拉強度設(shè)計值［σ］為215N/mm2，根據(jù) N/A≤［σ］，1根鋼帶可承受 N≤A［σ］=129.00kN。玻璃鋼管所受浮力取安全系數(shù)1.5，F(xiàn)浮約為 365.838kN，每根鋼帶所受拉力為91.46kN＜129.00kN。因此現(xiàn)場采用2根鋼帶抗拉，安全系數(shù)1.5的情況下，拉力符合要求，且安全儲備較大。

3.2.3 立柱與埋件焊縫驗算驗算

立柱采用10號雙拼槽鋼與埋件焊接，焊縫尺寸10mm。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中正面角焊縫(作用力垂直于焊縫長度方向)式7.1.3-1得出1塊埋件焊縫N≤he·lw·βf·ffw=358.4kN。取最不利浮力F為110.86kN，榀間最大間距2.2m，取安全系數(shù)1.5，則1榀承受最大浮力為365.838kN。

每榀3根槽鋼立柱，按極限狀態(tài)考慮：中間立桿不受力，兩側(cè)立桿受拉力。單根槽鋼立柱抗拉拔力［N立柱］=182.919kN＜358.4kN，在安全系數(shù)取1.5的情況下，槽鋼立柱焊縫抗浮滿足要求，且安全儲備較大。

3.2.4 預埋件植筋抗拉驗算

取最不利浮力F為110.86kN，榀間最大間距2.2m，取安全系數(shù)1.5，則1榀承受最大浮力為365.838kN。每榀3根槽鋼立柱，每立柱下埋件含6根錨筋，則單根槽鋼立柱抗拉拔力最小不得小于［N立柱］＞121.946kN，單根植鋼筋抗拉拔力不得小于［N鋼筋］＞20.32kN。

本工程采用HRB400直徑14mm鋼筋，基本錨固長度lb=afy=396mm。

抗拉強度設(shè)計值［N鋼筋］=fy·As=55.4kN＞20.32kN(根據(jù)現(xiàn)場抗拉拔試驗單根實測拉拔力分別為 60.0，63.4，62.1kN)。

實測結(jié)果大于計算結(jié)果原因：①核電C15混凝土強度基本達C20以上;②2011年澆筑混凝土強度發(fā)育時間長。符合實際情況。

因此，每根立桿下埋件6根直徑14mm鋼筋，安全系數(shù)取1.5的情況下，抗拉拔力仍遠大于玻璃鋼管浮力要求。

3.3 玻璃鋼管抗壓驗算

玻璃鋼管受到混凝土壓力主要體現(xiàn)在混凝土澆筑至管身中間以下時，混凝土對管身的浮力，及混凝土澆筑至管身中間以上時，混凝土的重力在管身上的壓力。其中混凝土布料時產(chǎn)生的沖擊偶然荷載也不容忽視。

3.3.1 混凝土澆筑至管身中間以下時

根據(jù)前文中相關(guān)內(nèi)容，混凝土側(cè)壓力取小值F3=min(F1，F(xiàn)2)=33.6kN/m2;混凝土有效壓頭高度h=F/γc=1.4m。

據(jù)此，玻璃鋼管中下部分受到混凝土側(cè)壓力為33.6kN/m2＜70.0kN/m2(根據(jù)廠家資料《鋼筋混凝土增強回填》SN5000無內(nèi)部支撐時的最大灌漿壓力取值)，滿足要求。

3.3.2 混凝土澆筑至管身中間以上時

混凝土澆筑至管身中間以上時，隨著混凝土澆筑面的升高，混凝土對玻璃鋼管的壓力越大。當混凝土澆筑至下層玻璃鋼管頂部以上1.4m時，下層玻璃鋼管頂部壓力達到最大，此壓力為混凝土壓強G=γcgh=33.6kN/m2＜70.0kN/m2，滿足要求。

3.3.3 偶然沖擊荷載

根據(jù)前文對玻璃鋼管道剛度、抗彎、擾度的驗算內(nèi)容可知：玻璃鋼管無內(nèi)襯時，混凝土對玻璃鋼管側(cè)壓力滿足要求。實際情況中，混凝土澆筑時，振動棒會對玻璃鋼管產(chǎn)生沖擊力，根據(jù)JGJ162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》表4.1.2可知：溜槽、串筒或套管下料時，沖擊荷載取2kN/m2。本工程玻璃鋼管內(nèi)采用鋼管米字撐抵消混凝土沖擊荷載，米字撐2m一檔。

計算模型建立：將玻璃鋼管切割展開，近似為普通模板壓力計算。玻璃鋼管作為混凝土模板厚31mm;內(nèi)楞使用 40mm×90mm木方 2個，間距1.413m;外楞采用鋼管φ48mm×3.5mm按1.413m×2.000m布置(見圖6)。

圖6 玻璃鋼管模型

3.3.4 玻璃鋼管驗算

1)剛度驗算

取小值 F3=min(F1，F(xiàn)2)=33.6kN/m2，取玻璃鋼管寬4.239m為計算單元，按3跨連續(xù)梁計算，跨度1.413mm，作用于模板上的線荷載設(shè)計值：q=142.43kN/m。

根據(jù)廠家資料《玻璃鋼加筋剛度計算》：管壁彎曲模量Eb=25056MPa;管壁加筋處彈性模量Er=27000MPa，本計算取不利模量E=25056MPa。玻璃鋼管廠家許可的管道垂直變形為108mm，最大允許長期垂直變形(直徑)為195.12mm。廠家許用屈服壓力為1.788×103kN/m2。

2)抗彎強度驗算

最大彎矩Mmax=0.1ql12=28.44kN·m;玻璃鋼管道截面模量W=0.32m3;抗彎強度σ=M/W=88.875kN/m2＜玻璃鋼管抗彎強度設(shè)計值［fm］=1.788 ×103kN/m2，滿足要求。

3)撓度驗算

玻璃鋼管道慣性矩I=0.58m4，最大撓度μmax=0.062mm＜108.000mm，滿足要求。

3.3.5 內(nèi)楞木方驗算

1)抗彎強度驗算 q=2×1.413=2.826kN/m，最大彎矩Mmax=0.1ql12=1.13kN·m，2根40mm×90mm木方截面模量 W=10.8×10-5m3，則 σ=Mmax/W=10.77×103kN/m2＜［fm］=13.00×103kN/m2，滿足要求。

2)撓度驗算 2根40mm×90mm木方慣性矩I=4.86 ×10-6m4，最大撓度 μmax=6.3mm ＜min(2000/150，10)=10mm，滿足要求。

3.3.6 頂撐鋼管驗算

1)立桿軸向壓力設(shè)計值計算，N鋼管 =5.652kN。

2)立桿的穩(wěn)定性計算σ=N/φA=31.5N/mm2＜［f］=205N/mm2;滿足要求。

4 結(jié)語

通過以上設(shè)計計算及采取的措施在技術(shù)上有效保證了內(nèi)襯玻璃鋼管的管廊結(jié)構(gòu)在混凝土澆筑時的穩(wěn)定。在田灣核電站5、6號機組循環(huán)水進排水管道結(jié)構(gòu)(GD溝)混凝土澆筑過程中的實際運用，達到預期效果。

參考文獻：

［1］李明輝.混凝土澆筑過程中對模板浮力的研究［J］.施工技術(shù)，2011，40(6) ：61-63.

［2］建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范：JGJ162—2008［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］建筑施工扣件式鋼管腳手架 安全技術(shù)規(guī)范：JGJ130—2011［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.