对应用工程力学理论实现施工技术方案优化的探讨分析
2020-09-10景小青
景小青
工程力学的定理、定律和结论是解决工程问题的基础，同时也为施工技术方案优化提供了科学的理论依据。本文应用工程力学相关理论知识对水利水电建筑工程施工技术方案的优化过程予以探讨与分析，以期进一步提高施工企业技术方案的优化水平，确保工程项目施工技术方案的科学性、安全性与可操作性，合理提升经济效益，同时为类似工程项目提供参考与借鉴。
应用;工程力学;技术方案优化
某水电站大坝泄洪底孔不但要承担提前发电期内的汛期施工导流，而且要承担降低库水位及向下游供水的任务（库水位降至EL.2339 m左右）;大坝临时底孔的主要任务是承担提前发电期内的汛期施工导流，后期将对其进行封堵。大坝临时底孔与底孔的布置基本相同，均分为进口段、有压段及弧形工作门墩段。进口底坎的高程为2320.0 m，进口处设置平板事故检修门，孔口尺寸为4.0 m×9.0 m;工作弧门的底坎高程为2320.0 m，孔口尺寸为4.0 m×6.0 m。
大坝临时底孔与底孔的孔身段均未设置钢衬，但孔口部位设计有钢衬，其流道长，深度大，而且顶板高度自上游至下游呈渐变形态。投标方案中，顶板拟采用273×12 mm、间排距1 m×3 m的钢管柱支撑，钢管柱间设置∠75×7的剪刀撑，钢管柱顶部铺设Ι25的水平梁、Ι28的找平梁及散装钢模板，共同形成钢平台。投标施工技术方案详见图1。
大坝底孔及临时底孔流道总长为73 m，其边墙净跨距为4 m，顶板及边墙均设计为钢筋混凝土。沿流道跨距方向，顶板的钢筋混凝土中设置有三层受力钢筋，顶部为Φ28，底部为两层Φ32，其平行间距均为20 cm，其竖向间距分别为30 cm、20 cm。
为确保大坝关键部位的施工工期，有效加快施工进度，利用工程力学相关知识，对大坝底孔及临时底孔的流道顶板钢筋混凝土的投标施工技术方案进行科学而细致的优化。特利用流道顶板钢筋混凝土中的设计受力钢筋与新增钢筋形成桁架支撑系统，将流道顶板钢筋混凝土的施工工艺改为吊模。施工技术方案优化详见图2。
以混凝土的最大浇筑高度为2 m、桁架下弦杆跨度为4.35 m、沿流道长为0.6 m，作为双榀桁架支撑系统覆盖范围的计算单元，大坝流道侧面剖视轮廓详见图3。
（1）现浇混凝土重量：以均布荷载计为=0.6 m×2 m×2500 kg/m×10 N/kg×1.25=37.5 kN/m（混凝土以2500 kg/m计，并考虑1.25的结构安全保证系数）
（2）桁架自重：单元校核总重量为649 kg，以均布荷载计为（已充分考虑架立钢筋与钢筋桁架中的上弦杆、下弦杆的连接强度，设计中的水平钢筋需计入桁架自重，其重量包含设计钢筋及钢筋桁架中的上弦杆、下弦杆、腹杆及连接钢筋）
（3）吊模材料自重：单元校核总重为368 kg，以均布荷载计为（包括螺帽、螺杆、钢垫板、胶合板、散装钢模及钢围檩）
（4）施工人员及设备重量：单元校核重量为425 kg（以3人×75 kg/人+200 kg计），以均布荷载计为
（5）振捣混凝土所产生的动荷载：以均布荷载计为=5 kN/m×0.6 m=3 kN/m
（6）卸料产生的动荷载：
①动荷载分析：浇筑混凝土的过程中，已限定混凝土吊罐的最大卸料高度应控制在3m以内，经对混凝土吊罐卸料过程进行实际分析，既不考虑混凝土相互间的粘滞力，也不考虑吊罐与混凝土卸料口间的粘滞力，假设卸料只受重力作用。同时，混凝土料的下落过程可近似看作流体运动，其实际冲击力相比于固体自由落體运动要小，混凝土料下落接触受料面后即刻产生锥形堆积，迅速增大受力面积，并随着混凝土料下落量的不断增多，受料面单位面积内承受的动荷载将逐渐减小。
为确保方案优化后的受力结构有足够的安全可靠性，特将混凝土料类似于流体运动的均匀下落过程转化为混凝土柱自由落体运动予以计算（以卸料口为正投影面、高1.5 m的圆形柱，下落高度设定为3 m），混凝土吊罐卸料动力计算转化详见图4。
首选A点为计算节点，假定N与N为拉力，并规定压力为“–”、拉力为“+”，建立A点处的平衡方程：
①桁架支撑系统中，腹杆的最大内力为N=89.62 kN（如CD），为最大拉杆内力，采用=0.83 m（有效的计算长度）、28的钢筋，依据轴心受力杆件的刚度计算公式，校验如下：
因腹杆中所有拉杆选用材料相同、计算长度均相等，校核最大拉力所在杆满足强度要求，故可知腹杆其余拉杆均满足强度要求。
②桁架腹杆中压杆（如AC）内力最大为N=88.93 kN，采用28、=0.83 m，则如下：
根据公式①求得=118.6<[] =150（压杆容许长细比）;
根据公式②求得=114.5 N/mm<γ·f=184.5 N/mm。
因腹杆中所有压杆选用材料相同、计算长度均相等，校核最大压力所在杆满足强度要求，故可知腹杆中其余压杆均满足强度要求。
根据已经求出腹杆中最大内力压杆的长细比，应确定该腹杆（如AC）为大柔度压杆还是小柔度压杆，之后选用相应的压杆稳定计算公式进行校核。
查表得Ⅰ级钢筋（HPB235）强度设计值f=205 N/mm、弹性模量E=2.1×10N/mm，则压杆柔度（长细比）临界值λ：（公式③）
由于N=90.64kN>N=88.93 kN，因此，通过校核结果可知，桁架支撑系统中的最大内力腹杆（28压杆）满足压杆稳定性的要求，故其它腹杆（28）均满足压杆稳定性的要求。
（2）校核弦杆。
①桁架支撑系统中的上弦杆与下弦杆的校验单元均为热轧带肋钢筋（Ⅱ级、=0.44 m的Φ32）。桁架支撑系统中的上弦杆受到的最大轴向压力为N=129.46 kN（如KM杆），且各杆均为压杆，则：
故桁架系统中的上弦杆的校核结果满足稳定性的要求。
②因桁架支撑系统中的下弦杆均为拉杆，最大拉杆内力为N=126.82 kN（如JL），采用=0.44 m的Φ32钢筋，据公式①得出=55<[]=150;又依据公式②得出=157.8 N/mm<γ·f=270 N/mm。
由校核计算结果可知，桁架支撑系统中的下弦杆的强度满足要求。
（3）校核吊点螺杆。
吊点螺杆的最大内力为2P=38.4 kN，且均为受拉杆件，拉杆采用=0.464 m的20钢筋，依据公式①得出=92.8<[] =250;依据公式②得出=122.3 N/mm<γ·f=184.5 N/mm，故吊点螺杆校核结果满足强度要求。
桁架弦杆与腹杆的连接方式采用搭接双面满焊，搭接长度为20 cm，為保证足够的搭接焊缝长度和强度，特将腹杆在弦杆两侧交错焊接，两腹杆拐头与弦杆搭接相交部分（长度为5 cm）不施焊，避免焊接损伤弦杆母材，故单拐实际焊缝长度为30 cm（15 cm×2面），详见图6。
弦杆与腹杆钢筋焊接以直角焊缝计算，得焊角尺寸h=23 mm，则焊角有效计算高度h=0.7h=16 mm;同时，为考虑焊缝的施工缺陷，有效计算长度l以实际焊缝长度的80%（即240mm）作为计算长度，查表得Q235钢的焊缝强度设计值为160 N/mm，则根据以下公式得：
已求得桁架各杆内力最大值N=129.46 kN<
吊模支撑系统主要由桁架受力弦杆、腹杆与垂直于桁架平面的刚性材料固接，形成整体空间框架结构，其实际强度及稳定性指标高于单榀平面桁架。因此，经校核计算可知，主坝临时底孔与底孔的流道顶板大体积混凝土采用优化后的桁架支撑与吊模工艺，其承载力完全满足强度及稳定性要求，优化方案科学、合理、可行。
因大坝底孔与临时底孔的流道顶板混凝土由两段坡面渐变段接续组成，钢管柱渐变高度为6.1m-8.3m，需将型钢运至施工现场，由缆机入仓，在已成型的大坝底孔与临时底孔的流道底部，由大量工人加工成单榀支撑后，由仓面吊并全程配合人工进行吊装。
①因施工现场的环境较复杂，且存在交叉作业，施工干扰大，钢管柱支撑下料精度把控难度较大，无法保证施工质量，制安耗时。
②受力结构属于被动支撑，且整体支撑结构较大，不仅拆模困难，而且对拆模前的混凝土强度有较高的要求。
钢筋桁架支撑（）
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單榀钢筋桁架的自重仅208.6kg，较单榀钢管柱体积小、重量轻，且可在后方加工厂内批量制作，运至施工现场，采用缆机入仓至已成型的大坝底孔与临时底孔的流道两边墙顶部，由仓面吊临时辅助5名施工人员即可进行循环安装。
①在加工厂内批量制作，不仅加工精度有保证，而且通过“三检一验”，有效保证了每榀钢筋桁架的加工质量。
②施工现场安装所需的人工与机械较少，施工成本与安装工期可控。
③受力结构属于主动支撑，整体支撑结构较小，不仅便于拆模，而且待混凝土强度达到70%时即可拆模，有效加快了施工进度。
针对某水电站大坝泄洪临时底孔与底孔的流道顶板大体积混凝土施工技术，经充分应用工程力学的相关理论知识，及合理选材、科学校验，最终采用优化后的钢筋桁架支撑与吊模工艺，该工艺既实现了提质增效的目标，也充分体现了施工企业的实践能力。在遵循国家标准规范、设计要求的前提下，实现了理论与实践的有机结合，积极推陈出新，有效提升施工企业的整体技术水平，因此带来可观的经济效益。
[1] 孙训方，方孝淑，等著.材料力学（1）[M].第6版.北京：高等教育出版社，2019.
[2] 包头钢铁设计研究总院、中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会编著.钢结构设计与计算[M].第2版.北京：机械工业出版社，2006.
（Sinohydro Engineering NO.4 Bureau Co.， Ltd.， Xining Qinghai 810007）
The theorems， laws， and conclusions of engineering mechanics are important foundations for solving practical engineering problems， and also provide a scientific theoretical basis for the optimization of construction technical solutions. The article analyzes and summarizes the process of successfully applying the theoretical knowledge of engineering mechanics to optimize the construction technical scheme of water conservancy and hydropower construction projects. The purpose is to further improve the optimization level of optimization technical schemes of construction enterprises and ensure the scientificity， safety and security of construction project technical schemes. Operability， reasonable increase of economic benefits， and the same time provide reference for similar engineering projects.
application; engineering mechanics; technical solution optimization
