楊房溝電站壓力鋼管內支撐結構研究

賈 天， 林 冬

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

楊房溝水電站設置有4條壓力鋼管，漸變段以后的下平段采用壓力鋼管襯砌。壓力鋼管垂直進入廠房與機組蝸殼延伸段相接，單條壓力管道長度50.9 m。引水下平段壓力鋼管每條洞22節，內徑由進口的φ9.2 m漸變到出口的φ8.82 m，分節長度最大2.4 m，鋼管材質為600 MPa高強鋼板和Q345R，板厚δ=26～42 mm。

根據常規安裝方式，壓力鋼管制作和安裝過程中一般采用固定內支撐，以防止在吊裝、運輸、澆筑中發生變形。為減少內支撐加固及拆除的工作量，降低對壓力鋼管內壁的損傷，節約施工成本，進行壓力鋼管內支撐結構優化。楊房溝水電站通過分析鋼管受力并結合其他電站的成功經驗，將固定內支撐安裝方式優化為吊裝運輸階段無內支撐和澆筑階段的活動內支撐，取得了良好的效果。

2 內支撐優化結構分析

2.1 運輸吊裝過程中無內支撐結構

鋼管在吊裝和運輸過程中容易產生變形，影響安裝質量[1]。為配合楊房溝壓力鋼管運輸及吊裝過程中取消內支撐可行性研究工作，對壓力鋼管進行有限元計算分析，分析兩種無內支撐結構下壓力鋼管的工況。

(1)根據壓力鋼管翻身過程中起吊方案，研究起吊過程中的鋼管變形。以鋼板最薄的管節為例，計算合位移及Mises應力。由鋼管的豎向變形和橫向變形整理可得鋼管的圓度計算，鋼管起吊過程中圓度最大偏差達到12.67 cm，不滿足《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范》(GB50766-2012)“鋼管橫截面的形狀允許偏差應符合：圓形截面的鋼管，圓度偏差不應大于5D/1 000、且不應大于40 mm”的要求[2]。鋼管起吊過程中在重力作用下最大Mises應力為181.5 MPa，遠小于屈服強度，最大值出現在加勁環吊點位置，其余大部分區域應力較小。起吊中壓力鋼管合位移及 Mises應力見圖1。

圖1 起吊中壓力鋼管合位移和Mises應力圖

(2)受自重影響,鋼管頂部必然出現一定的下垂量[3]。根據鋼管洞內運輸方案，研究壓力鋼管在自重作用下的變形情況。同樣以鋼板最薄的管節為例，計算模型合位移及Mises應力。由鋼管的豎向變形和橫向變形整理可得鋼管的圓度計算，鋼管運輸過程中圓度最大偏差達到6.19 cm，不滿足規范要求。鋼管運輸過程中在重力作用下最大Mises應力為129.8 MPa，遠小于屈服強度，最大值出現在鋼管軌道支撐位置，其余大部分區域應力較小。壓力鋼管洞內運輸過程中鋼管合位移和Mises應力見圖2。

圖2 洞內運輸中鋼管合位移和Mises應力圖

雖然壓力鋼管取消內支撐后，在吊裝及洞內運輸過程中，鋼管橫截面變形量較大，但由于變形產生的應力較小，低于壓力鋼材抗拉強度設計值，更遠低于鋼材屈服強度，表明變形處于彈性階段，不會產生塑性變形。因此，可以在鋼管就位后通過對縫臺車調整圓度，證明可以采用無內支撐結構進行運輸及吊裝。

2.2 澆筑過程中的活動內支撐

根據壓力鋼管在澆筑過程中的受力情況，在澆筑過程中壓力鋼管內部使用活動內支撐頂緊可防止壓力鋼管在澆筑過程中受外力影響產生變形[4]。因此在壓力鋼管澆筑時可能存在的位移為整體位移，壓力鋼管在澆筑過程中主要承受上浮力，使用槽鋼或工字鋼將壓力鋼管與加固錨桿焊接固定在一起，使鋼管壁承受向外的拉力，增強鋼管的整體鋼性。頂部使用型鋼加固，下端與加勁環焊接，上端頂緊在巖層上，可防止混凝土澆筑上浮及變形。壓力鋼管活動內支撐和加固示意圖見圖3、4。

圖3 壓力鋼管活動內支撐示意圖

圖4 壓力鋼管加固示意圖

活動內支撐設計成米字形，主要包括支撐系統、頂桿系統以及行走系統。活動內支撐通過整體米字型鋼結構形式，可以從強度上保證與固定內支撐的支撐作用一致，保證壓力鋼管澆筑過程中壓力鋼管的整體剛度。頂桿系統采用頂絲及膠皮以便進行內支撐的拆除拖運工作。通過實際鋼管澆筑后對鋼管變形情況進行復查，采用活動內支撐結構控制壓力鋼管的變形。

3 內支撐結構優化的應用

3.1 運輸及吊裝

從壓力鋼管制作廠至安裝間的運輸過程中鋼管內部不加內支撐，為避免鋼管運輸過程變形，鋼管裝車時采用十字吊梁，4個吊點與鋼管管壁基本垂直，不會在吊裝過程中產生擠壓變形。制作兩個工字梁，安裝在運輸汽車上，加寬鋼管支點距離，避免運輸過程中的鋼管下墜變形。在鋼管吊裝到運輸汽車上后，使用4臺手拉葫蘆進行封車加固。

壓力鋼管翻身采用空翻的形式進行，在鋼管翻身過程中鋼管不與地面接觸，以避免翻身過程中由于碰撞導致鋼管變形。壓力鋼管運輸到安裝間后，由80 t橋機采用十字吊梁將鋼管吊裝到安裝平臺高程并在兩機坑之間進行翻身。橋機80 t主鉤吊裝兩對φ30 mm 6×37+1的鋼絲繩用9.5 t卸扣固定于鋼管上中心垂直吊耳。橋機32 t主鉤吊裝1對φ30 mm 6×37+1的鋼絲繩用9.5 t卸扣固定于鋼管下中心水平吊耳。橋機80 t主鉤和32 t副鉤同步將鋼管吊離地面，80 t主鉤緩慢起升，直到將鋼管翻身至垂直狀態。鋼管翻身后摘掉副鉤鋼絲繩，由橋機80 t主鉤將鋼管吊裝至施工平臺。

3.2 拖運及組裝

壓力鋼管在洞內運輸采用臺車運輸，每條壓力鋼管洞內布置一套拖運系統，將鋼管從出口施工平臺拖運至安裝位置。為保證壓力鋼管在洞內的運輸安全，在每條鋼管洞內布置運輸軌道，在運輸軌道安裝完成后對軌道基礎進行混凝土澆筑，混凝土型號與鋼管回填混凝土相匹配，在混凝土回填時軌道基礎不進行拆除。4條壓力鋼管洞拖運系統共用1臺5 t卷揚機，卷揚機布置在4號引水下平洞與施工支洞交叉處，卷揚機鋼絲繩通過導向地錨到達各條鋼管洞內。

鋼管吊裝至施工平臺后，將5 t卷揚機鋼絲繩通過導向地錨牽至鋼管處，并與運輸臺車吊耳之間用卸扣連接。啟動卷揚機，慢速將壓力鋼管拖運至安裝位置。為防止運輸中鋼管傾倒，加裝傾倒措施。

壓力鋼管以下平段進口管節為定位節進行安裝。鋼管安裝中心、里程、高程、圓度以及環縫對口錯位調整合格后，外部使用工字鋼、槽鋼進行支撐固定，鋼管環縫位置使用26 mm×100 mm×200 mm的鋼板與兩端相鄰管節焊接牢固，每圈環縫使用20塊鋼板進行加固，加固點間距約為1.5 m。其余管節安裝前先復測前一節管口的中心、里程以及管口垂直度，符合要求后開始下一節管節安裝。鋼管加固完畢后進行管口中心、樁號、圓度復測, 確認無誤后實施焊接[5]。壓力鋼管安裝時采用組焊臺車進行施工，臺車與管壁之間設置橡膠輪行走。上節鋼管組焊完成后，由5 t卷揚機拖動臺車至下節鋼管。

3.3 加固及澆筑

在定位節鋼管設置2圈加固錨筋，其余每節鋼管布置1圈加固錨筋，用于鋼管安裝加固外支撐。加固錨筋與支撐型鋼焊接加固在每節鋼管中間加勁環上。壓力鋼管澆筑分5段進行，最大澆筑段包含5節壓力鋼管(需要5套內支撐)，定位節和相鄰管節需要灌漿后才可拆除內支撐(占用2套內支撐)。因此單條洞內共設置7榀活動內支撐。內支撐在鋼管內行走采用卷揚機拖動。壓力鋼管安裝、焊接完成并驗收合格后，將活動內支撐與管壁之間頂緊，中間墊膠皮，作為鋼管澆筑時的內支撐。

壓力鋼管每安裝焊接完成一個澆筑分段后，將活動內支撐頂在鋼管內，驗收合格后移交土建施工單位進行混凝土澆筑，澆筑過程中注意控制混凝土的上升速度。鋼管外壁混凝土達到凝期后，松開頂桿系統，將內支撐行走至下一澆筑段。壓力鋼管混凝土全部澆筑完成后，將活動內支撐拆至下條洞使用。

4 內支撐優化的優點

(1)節省制作及安裝工期。傳統方式下的固定內支撐結構需要在壓力鋼管制作階段就進行制作安裝，同時需在鋼管澆筑完成后進行分段逐節的拆除工作。每節鋼管都需要增長制作時間和拆除時間且需占用較多的壓力鋼管制作安裝工期。

楊房溝水電站優化后的施工方式為壓力鋼管運輸和吊裝采用無內支撐結構，節省了內支撐下料制作焊接安裝過程，同時避免了澆筑后內支撐的割除倒運工作，可以大幅度節省內支撐對施工工期的占用，實現節省壓力鋼管安裝工期的目標。

(2)降低施工成本。按照傳統的安裝方式及投標階段的施工組織設計要求，楊房溝水電站88節壓力鋼管設置由鋼管和方鋼組成的滿堂固定內支撐體系，需要內支撐鋼材約230 t。同時內支撐鋼材到現場后還需進行切割及焊接等工作。

采用優化后的運輸吊裝階段的無內支撐和安裝階段的活動內支撐結構，壓力鋼管總體安裝工作只需制作7套活動內支撐，實際設置安裝的單套活動內支撐重量0.3 t，節省了220 t的內支撐加固材料。同時還免去了固定內支撐的制作安裝及拆除工作和內支撐割除后的補漆探傷工作。焊接過程中采用移動式的焊接臺車可以免去固定內支撐下每節鋼管需要單獨搭設焊接施工平臺的過程，從整體來看大幅度降低了施工成本。根據核算，楊房溝水電站壓力鋼管實現了優化施工成本79萬元的經濟效益。

(3)保證安裝質量。固定內支撐結構需要將內支撐全部焊接在壓力鋼管內壁上，焊接及割除的質量對壓力鋼管內壁鋼材的損傷較大，故割除焊接不當很容易對母材造成不可逆的損傷，重新焊接修補的質量對過流階段的正常運行也會造成一定的隱患。

活動內支撐后的安裝方式避免了內支撐焊接加固及割除的施工過程，能夠很好地保證壓力鋼管內壁質量。壓力鋼管結構設計及加勁環的布置能夠保證壓力鋼管較大的剛度，實現無內支撐下彈性變形小。同時吊裝支撐點和澆筑過程中的加固點驗算強度能夠實現壓力鋼管的整體剛度強度要求，以保證壓力鋼管安裝澆筑過程中的變形質量控制，實現控制壓力鋼管整體安裝質量。

5 結 語

楊房溝水電站4條壓力鋼管安裝通過分析采用無內支撐和活動內支撐結構下壓力鋼管的變形受力情況后，制定了運輸吊裝階段采用無內支撐結構和澆筑階段采用活動內支撐的安裝方式，并通過專家咨詢予以確定。在實際施工過程中通過該施工方式的應用，采取外部加固和合理設置吊點、支撐點的有效措施，實現了保證施工質量、降低施工成本和節約施工工期的目標，對該施工方式實現了再次論證。

通過該電站壓力鋼管內支撐結構研究，為國內其他水電工程壓力鋼管鋼管內支撐優化或取消提供可借鑒的經驗，該施工方式具有較大的實踐價值及推廣意義。