水利工程弧形構造成型圓弧品質的研究

華耀沛

（河南省水利第一工程局，河南 鄭州 450000）

0 前言

現階段，在國內水利工程領域相關項目的施工作業過程中，工程建筑物對外觀造型的新穎以及美觀的要求越來越高，相關設計單位的設計人員在項目工程的外觀規劃設計過程中，多數情況下會采用弧形構造或者不規則的幾何形狀的構造來突出其設計特色，最大限度地實現造型上的突破和創新。努力打造集功能和造型美觀于一身的工程，但是帶有較大弧形造型或者不規則幾何構造的支模過程在實際操作過程中施工較難，特別定制的鋼質模具雖然可以滿足相關結構的操作需求，但是上述施工模式在支撐過程中對鋼質模具的強度標準要求較高，一次性資金投入的成本壓力較大，并且模具的通用性較差，很難實現多次重復利用，項目成本難以把控。因此，在工程實踐中，相關工程技術人員采用了一類弧形的單次一體成型圓弧質量的控制技術來彌補特殊定制的鋼質工藝方法中的缺陷。

1 項目工程的背景介紹

某地水利工程中的閘門應用了上下方向翻轉的弧形結構的鋼質閘門設計，閘室的底板是一種折線類型并且在中間位置設置成弧形的凹槽構造，方便弧形狀態的閘門進行下行與上翻的運行動作，弧形構件的凹槽的縱向寬度為 22 500 mm，圓弧構件的半徑為 R 5 750 mm，弧長R 5 750 mm，弦長為8 545 mm，弧深數值為1 945 mm，弧底距離基礎墊層的距離為2 095 mm。

2 工程測量技術

工程結構測量作業是相關工程施工作業的首道工序，測量操作的效果關系到整體工程的最終品質，影響到工程項目的平面位置、外觀尺寸以及標高等指標是否滿足規劃設計的相關要求。工程技術人員需要高度重視工程項目的測量操作。常規的建筑物造型多數為方形等規則圖形，外觀相對簡單，該文中出現的圓弧形結構，需要工作人員針對其測量施工相關技術進行深入研究。

2.1 直接拉線方法

該方法適用于圓弧形結構的半徑相對較小的狀況。確定出圓弧構造的圓心位置，安裝控制樁。圓心位置的控制樁設置包括以下3個步驟：1）控制樁的安裝需要相對牢固可靠，樁點位置比較堅固。2）使用鋼尺以樁點位置為中心劃弧，鋼尺的松緊程度保持一致，半徑較大的情況下可應用力矩尺進行輔助。3）對圓心樁進行保護并安裝引樁構件。

2.2 直接放樣方法

直接放樣方法也可以稱作矢高分解方法，指的是在作業現場直接測量設置出圓弧形平面結構的大體圖形結構。現場測量放線過程中不需要進行任何相關的計算過程。

2.3 坐標計算方法

該方法適合半徑較大的圓弧構造的測量放線過程，半徑比較大，圓心距離建筑主體較遠，不能直接使用上述方法實施測量時，就可以使用該方法進行測量。坐標計算方法可以將弦長當成矢高基準線，弦長的中垂直線為對稱軸，弦長上每隔1.5 m設置對稱軸的平行線與圓弧交匯，每隔 1.5 m 位置的矢高數值可用圓弧和三角函數關系式得到。

3 圓弧構造的品質對于弧形閘門運行過程的影響

在該工程項目中，位于面部分的弧形結構位置的圓弧建造質量是該翻轉形式弧形閘門可以平穩運行的重要影響因素，如果圓弧結構部分的曲率大于規劃設計的尺寸，將會導致弧形閘門裝置在運行過程中會受到相關結構的影響，閘門部分受到阻礙后會出現受力不平衡的情況，導致液壓開啟以及閉合機構的壓力大幅度上升，門體部分可能出現扭曲；如果出現圓弧結構的曲率小于規劃設計的需要的情況時，盡管閘門裝置可以正常地運行，但是由于門葉和基礎底板間的空隙過大所以會出現漏水的情況，除了閘門裝置的圓弧部分曲率之外，模具的膨脹、地臺的錯位也是影響相關弧形構造品質的主要環節，這些因素對弧形結構閘門的運動造成了很大的影響[1]。

4 影響弧形構造品質的要素

提高弧形構造的品質的主要目的是在相關裝置的結構上確?；⌒蔚拈l門可以安全穩定地運行?；⌒谓Y構的閘門在弧形結構上圍繞著支鉸的門軸部件進行翻轉運動，圓弧結構的曲率數值需要最大限度地接近弧形的閘門裝置的弧度，通常來講，在施工作業過程中地臺錯位的情況是比較明顯的，容易導致泥沙等雜物在相關的弧形構造內部出現沉積進而板結固化，這樣的情況會給弧形閘門裝置的開啟以及運行過程帶來較大的不利影響，而相關的弧形構造影響了系統內部過水剖面的水流行進方向，水系以及流體內部的中砂石顆粒也會對弧面構造造成侵蝕以及沖擊的影響，長久以來就會減小閘門裝置保護層的厚度，降低對鋼筋部分防止銹蝕的保護作用，因此，弧形構造部分的圓弧曲率數值、表面的保護層的厚度尺寸以及部件的表面品質必須作為提高弧形構造部件品質的核心要素。

5 底板部分弧形構造的工藝方法選取

由于弧形構造涉及的工藝方法種類較多，鋼質模具的工藝通常適用在等截面的構件的工況之下。該情況下，現場的拼裝任務相對簡便、模具拆除之后構件的外觀品質比較理想，模具的通用性較好，重復適用率較高，然而該工藝一次性投資相對較高，施工現場的容錯能力比較差，單體結構部件的重量較大，拼裝過程中的尺寸精度執行標準相對較高，對于現場支撐結構的強度要求也比較高。竹膠材質的木模結構，除了具備鋼質模具的優良工藝特點之外，能夠有效彌補鋼質模具工藝流程中的某些缺陷和不足，能夠隨著施工現場的實際情況進行靈活的調節與改進，可以在模板上隨意為位置設計工藝過孔，減少了基礎底板支撐部分的承載壓力。因為弧形構造圓弧長度應用鋼質吊模形式，所以弧形構造基礎底部的施工品質很難達標。由于特殊定制的大直徑尺寸鋼質模具互換性不好無法重復利用，所以應用該方法成本較高。圓弧構造內部規劃設計了二期構造，施工難度較大，通過對于工藝方法的比較與研究，相關工程技術人員對竹膠木模工藝方法實施技術進行了改造，此時選取竹膠木模工藝方法更加方便弧形構造裝置進行施工作業，在確?；⌒螛嬙煨螤钇焚|的前提下，也滿足了工藝方案法選取符合經濟性工藝的相關要求[2]。

6 弧形構造部分圓弧形狀工藝方法

6.1 弧形構造圓弧形狀放樣研究

在基礎底板墊層表面進行測量并且放樣，形成弧形構造橫向中線以及圓弧構造的邊界線，在電腦上繪制弧形構造的圓弧形狀以及弦長，由弦長中點向兩端每間隔 550 mm繪出垂直于弦長的直線，連接于圓弧線，依據全部垂直弦長度尺寸在基礎墊層上繪制出圓弧線，將該圓弧線作為把控圓弧上所有點高度的依據，圓弧部分角鋼支撐立柱長度尺寸符合相關支撐高度的技術要求，把已經彎曲成形的圓弧形狀鋼筋固定在支持框架上，使用現場特殊定制的圓弧形狀模具樣尺對于弧形構造的圓弧部分曲率半徑以及結構保護層厚度尺寸實施套靠校核?；⌒螛嬙靾A弧墊層放樣如圖1所示。

圖1 弧形構造圓弧墊層放樣

6.2 圓弧表面模板規劃設計與安裝固定

相關工程技術人員采用2445 mm×1225 mm×15.5 mm竹膠模板對圓弧表面實施規劃設計，應用模板較長一邊容易彎曲的特性，把模板長邊垂直于圓弧表面進行埋設，45 mm×45 mm等邊結構的角鋼依據模板埋設區域實施安裝，根據兩邊距離105 mm、中心線距離 755 mm安裝五層角鋼支護模板，保證模板在緊固裝置的作用下緊靠于角鋼表面，因為角鋼外層挑板的彎曲弧度無法滿足弧形構造的技術要求，所以必須嚴格控制其使用長度，保證弧形構造的圓弧結構單次一體成型。

6.3 相關結構保護層位置規劃設計及其把控

弧形構造水泥混凝土材質保護層厚度通常是45 mm，為了精確地控制弧形構造相關保護層結構的尺寸，有效減少和模板的實際接觸區域的面積，應用角鋼寬度數值要與護層厚度數值相等，設置熱鍍鋅45 mm×45 mm等邊結構的角鋼把控保護層厚度，可以應對預制墊板實際接觸面積較大及排布不平衡造成的弧面構造表面缺陷及保護層厚度尺寸不合格的情況。

6.4 圓弧形狀模板固定工藝方法優化措施

相關工程技術人員為了實現弧形表面模板固定成整體結構，大幅度提升弧形構造圓弧尺寸施工作業品質的目的，通長方木采用平行于模板較短區域實現布置的解決方案，首先在木方結構上實施模板較短區域的接縫操作，然后依照155 mm～225 mm間距進行排布，木方構件的長度尺寸方向重復拼接尺寸為 1 050 mm，模板拼縫位置一般情況下通長木方間沿著模板較長區域搭縫位置使用755 mm短木方加強密度排布，用來避免模板接縫位置出現錯臺現象，通過Φ16 mm的對拉螺栓和Φ22 mm弧形加固筋固定“L”型等邊角鋼；因為使用Φ50 mm圓弧鋼筋部件對于弧形構造進行加固處理，預先彎曲精度無法與結構弧度相等，然而鋼筋部分可以在外在載荷的作用下能夠彎曲達到設計形狀的要求，配合14 mm竹膠板和2 mm新型PC板進行固定，所以應用兩段 Φ25 mm圓弧鋼筋造實施模板構件的加固操作，弧形模板加固示意圖如圖2所示。

圖2 弧形模板加固示意圖

6.5 圓弧模板抗浮穩固方法

圓弧形狀模板結構尺寸較大并且呈現凹形，隨著水泥混凝土表面和弧形表面模板實際接觸面積的增加，針對模板作用的浮托力就相應增大，為了提升弧形構造模板的抗浮效果，除了使用科學的灌筑工藝方法減少水泥混凝土對于模板的浮托力以外，還需要增大圓弧模板固定支撐桿的半徑尺寸，并且和CPH管樁頂部法蘭通過焊接的方法構成固定位置的拉結點，模板一側應用雙螺帽結構加大緊固構件的長度尺寸，大幅度提升緊固螺桿的抵抗拉拔效果。

7 弧形構造弧形表面成型品質把控研究

7.1 角鋼部件的設置及把控

一般情況下，在弧形構造內進行設置安裝45 mm×45 mm規格的等邊角鋼可以準確地控制相關裝置所需的保護層厚度尺寸以及圓弧形狀部分的曲率半徑的數值，現場操作過程中，操作人員需要依據角鋼安裝排布的具體情況和位置把控其設置方向，采用1 050 mm的間隔尺寸在鋼筋部件表面的焊接短鋼筋作為支撐結構，并且根據每根角鋼的實際高程數值使用短鋼筋對角鋼進行操作，角鋼部件需要隨著弧度進行平裝，防止弱三角區域的產生，縱向方向的搭接長度使用對接的焊接方法，等邊角鋼的設置區域及高程數值使用弧形樣板來校驗其和規劃設計情況是否一致?！癓”型等邊角鋼與焊接筋的搭接關系如圖3所示。

圖3 弧形構造角鋼設置實例圖

7.2 弧面形狀的模板的工藝方法優化

在弧形構造的模板的表面設置規格為2.5 mm新型的透明度較高 PC 板，可以提升圓弧表面的光潔程度，最大限度地淡化模板拼縫痕跡。PC 板按照模板定位在模板下避讓拼縫位置進行預先安裝，避免互相壓蓋，安裝長度依據圓弧形長度確定，由里到外，中間到兩側把PC 板攤平，應用釘槍依照雙向305 mm間距尺寸使用梅花狀鋼釘固在模板上，沿著 PC 板縱向接縫使用透明膠帶封縫，達到弧面無印記的外觀品質。

7.3 弧面質量控制技術

弧形構造的現場操作難度較高，為了提高弧面的外觀品質，根據灌注的相關工藝方法事先在模板上開出155 mm×155 mm的上料孔、105 mm×105 mm的搗振孔，在弧形結構的底部及中部設置搗振孔，上料孔和搗振孔錯開布置。在圓弧結構的底部的搗振孔兩邊開出上料孔，上料孔和搗振孔縱向的間距設置為2 500 mm，上料孔也可以兼具搗振孔使用，開孔切出的小塊材料固定在工藝孔周圍，方便復位的時候取用，最后使用Φ8.5 mm鉆頭在模板表面開出排氣孔用來去除弧形模板上方的氣泡。

8 圓弧形狀模板的形變情況監控

相關工程技術人員為了了解圓弧形狀的模板在灌注階段的形狀改變量，在弧形構造模板上排布了4個監控斷面，所有的監控斷面均設置3個監控位置，應用相關儀器測得各監控位置的原始參數信息，當水泥混凝土灌注過程中的監控數據大于監控位置的原始數值并且連續改變時，需要立即暫停灌注工作，用下排以及上壓的方案對拉螺栓進行緊固，使模板回調到適當的安裝區域。在灌注進程中，需要強化監控作業的頻率，直到模板的改變量達到穩定的情況[3]。

9 弧形構造技術實際效果

弧形構造單次一體成型的控制方案執行簡便，能夠改善弧形構造的品質，應用該方案后，材料的利用率可達92.5%，降低了成本并且操作簡便，控制弧形構造的圓弧的曲率半徑及保護層厚度，降低了拆模以后修補的工作量，提升了弧形構造單次成型的品質。

10 結語

綜上所述，弧形構造在水利工程規劃設計過程中屬于一類常規的構造形式，其具有弧形曲線長度較大、陰角和陽角順直程度及弧面圓滑程度控制較難的特性，是弧形構造施工過程中的難點，弧形構造使用的是綜合性作業技術，通過弧形構造的單次一體成型控制相關技術，結合計算機輔助設計弧形的模板放樣及圓弧的曲率半徑的把控，可以提升弧形構造的品質，降低施工成本，有較強的實用價值與推廣價值。