杨房沟电站压力钢管内支撑结构研究

贾 天， 林 冬

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

杨房沟水电站设置有4条压力钢管，渐变段以后的下平段采用压力钢管衬砌。压力钢管垂直进入厂房与机组蜗壳延伸段相接，单条压力管道长度50.9 m。引水下平段压力钢管每条洞22节，内径由进口的φ9.2 m渐变到出口的φ8.82 m，分节长度最大2.4 m，钢管材质为600 MPa高强钢板和Q345R，板厚δ=26～42 mm。

根据常规安装方式，压力钢管制作和安装过程中一般采用固定内支撑，以防止在吊装、运输、浇筑中发生变形。为减少内支撑加固及拆除的工作量，降低对压力钢管内壁的损伤，节约施工成本，进行压力钢管内支撑结构优化。杨房沟水电站通过分析钢管受力并结合其他电站的成功经验，将固定内支撑安装方式优化为吊装运输阶段无内支撑和浇筑阶段的活动内支撑，取得了良好的效果。

2 内支撑优化结构分析

2.1 运输吊装过程中无内支撑结构

钢管在吊装和运输过程中容易产生变形，影响安装质量[1]。为配合杨房沟压力钢管运输及吊装过程中取消内支撑可行性研究工作，对压力钢管进行有限元计算分析，分析两种无内支撑结构下压力钢管的工况。

(1)根据压力钢管翻身过程中起吊方案，研究起吊过程中的钢管变形。以钢板最薄的管节为例，计算合位移及Mises应力。由钢管的竖向变形和横向变形整理可得钢管的圆度计算，钢管起吊过程中圆度最大偏差达到12.67 cm，不满足《水电水利工程压力钢管制作安装及验收规范》(GB50766-2012)“钢管横截面的形状允许偏差应符合：圆形截面的钢管，圆度偏差不应大于5D/1 000、且不应大于40 mm”的要求[2]。钢管起吊过程中在重力作用下最大Mises应力为181.5 MPa，远小于屈服强度，最大值出现在加劲环吊点位置，其余大部分区域应力较小。起吊中压力钢管合位移及 Mises应力见图1。

图1 起吊中压力钢管合位移和Mises应力图

(2)受自重影响,钢管顶部必然出现一定的下垂量[3]。根据钢管洞内运输方案，研究压力钢管在自重作用下的变形情况。同样以钢板最薄的管节为例，计算模型合位移及Mises应力。由钢管的竖向变形和横向变形整理可得钢管的圆度计算，钢管运输过程中圆度最大偏差达到6.19 cm，不满足规范要求。钢管运输过程中在重力作用下最大Mises应力为129.8 MPa，远小于屈服强度，最大值出现在钢管轨道支撑位置，其余大部分区域应力较小。压力钢管洞内运输过程中钢管合位移和Mises应力见图2。

图2 洞内运输中钢管合位移和Mises应力图

虽然压力钢管取消内支撑后，在吊装及洞内运输过程中，钢管横截面变形量较大，但由于变形产生的应力较小，低于压力钢材抗拉强度设计值，更远低于钢材屈服强度，表明变形处于弹性阶段，不会产生塑性变形。因此，可以在钢管就位后通过对缝台车调整圆度，证明可以采用无内支撑结构进行运输及吊装。

2.2 浇筑过程中的活动内支撑

根据压力钢管在浇筑过程中的受力情况，在浇筑过程中压力钢管内部使用活动内支撑顶紧可防止压力钢管在浇筑过程中受外力影响产生变形[4]。因此在压力钢管浇筑时可能存在的位移为整体位移，压力钢管在浇筑过程中主要承受上浮力，使用槽钢或工字钢将压力钢管与加固锚杆焊接固定在一起，使钢管壁承受向外的拉力，增强钢管的整体钢性。顶部使用型钢加固，下端与加劲环焊接，上端顶紧在岩层上，可防止混凝土浇筑上浮及变形。压力钢管活动内支撑和加固示意图见图3、4。

图3 压力钢管活动内支撑示意图

图4 压力钢管加固示意图

活动内支撑设计成米字形，主要包括支撑系统、顶杆系统以及行走系统。活动内支撑通过整体米字型钢结构形式，可以从强度上保证与固定内支撑的支撑作用一致，保证压力钢管浇筑过程中压力钢管的整体刚度。顶杆系统采用顶丝及胶皮以便进行内支撑的拆除拖运工作。通过实际钢管浇筑后对钢管变形情况进行复查，采用活动内支撑结构控制压力钢管的变形。

3 内支撑结构优化的应用

3.1 运输及吊装

从压力钢管制作厂至安装间的运输过程中钢管内部不加内支撑，为避免钢管运输过程变形，钢管装车时采用十字吊梁，4个吊点与钢管管壁基本垂直，不会在吊装过程中产生挤压变形。制作两个工字梁，安装在运输汽车上，加宽钢管支点距离，避免运输过程中的钢管下坠变形。在钢管吊装到运输汽车上后，使用4台手拉葫芦进行封车加固。

压力钢管翻身采用空翻的形式进行，在钢管翻身过程中钢管不与地面接触，以避免翻身过程中由于碰撞导致钢管变形。压力钢管运输到安装间后，由80 t桥机采用十字吊梁将钢管吊装到安装平台高程并在两机坑之间进行翻身。桥机80 t主钩吊装两对φ30 mm 6×37+1的钢丝绳用9.5 t卸扣固定于钢管上中心垂直吊耳。桥机32 t主钩吊装1对φ30 mm 6×37+1的钢丝绳用9.5 t卸扣固定于钢管下中心水平吊耳。桥机80 t主钩和32 t副钩同步将钢管吊离地面，80 t主钩缓慢起升，直到将钢管翻身至垂直状态。钢管翻身后摘掉副钩钢丝绳，由桥机80 t主钩将钢管吊装至施工平台。

3.2 拖运及组装

压力钢管在洞内运输采用台车运输，每条压力钢管洞内布置一套拖运系统，将钢管从出口施工平台拖运至安装位置。为保证压力钢管在洞内的运输安全，在每条钢管洞内布置运输轨道，在运输轨道安装完成后对轨道基础进行混凝土浇筑，混凝土型号与钢管回填混凝土相匹配，在混凝土回填时轨道基础不进行拆除。4条压力钢管洞拖运系统共用1台5 t卷扬机，卷扬机布置在4号引水下平洞与施工支洞交叉处，卷扬机钢丝绳通过导向地锚到达各条钢管洞内。

钢管吊装至施工平台后，将5 t卷扬机钢丝绳通过导向地锚牵至钢管处，并与运输台车吊耳之间用卸扣连接。启动卷扬机，慢速将压力钢管拖运至安装位置。为防止运输中钢管倾倒，加装倾倒措施。

压力钢管以下平段进口管节为定位节进行安装。钢管安装中心、里程、高程、圆度以及环缝对口错位调整合格后，外部使用工字钢、槽钢进行支撑固定，钢管环缝位置使用26 mm×100 mm×200 mm的钢板与两端相邻管节焊接牢固，每圈环缝使用20块钢板进行加固，加固点间距约为1.5 m。其余管节安装前先复测前一节管口的中心、里程以及管口垂直度，符合要求后开始下一节管节安装。钢管加固完毕后进行管口中心、桩号、圆度复测, 确认无误后实施焊接[5]。压力钢管安装时采用组焊台车进行施工，台车与管壁之间设置橡胶轮行走。上节钢管组焊完成后，由5 t卷扬机拖动台车至下节钢管。

3.3 加固及浇筑

在定位节钢管设置2圈加固锚筋，其余每节钢管布置1圈加固锚筋，用于钢管安装加固外支撑。加固锚筋与支撑型钢焊接加固在每节钢管中间加劲环上。压力钢管浇筑分5段进行，最大浇筑段包含5节压力钢管(需要5套内支撑)，定位节和相邻管节需要灌浆后才可拆除内支撑(占用2套内支撑)。因此单条洞内共设置7榀活动内支撑。内支撑在钢管内行走采用卷扬机拖动。压力钢管安装、焊接完成并验收合格后，将活动内支撑与管壁之间顶紧，中间垫胶皮，作为钢管浇筑时的内支撑。

压力钢管每安装焊接完成一个浇筑分段后，将活动内支撑顶在钢管内，验收合格后移交土建施工单位进行混凝土浇筑，浇筑过程中注意控制混凝土的上升速度。钢管外壁混凝土达到凝期后，松开顶杆系统，将内支撑行走至下一浇筑段。压力钢管混凝土全部浇筑完成后，将活动内支撑拆至下条洞使用。

4 内支撑优化的优点

(1)节省制作及安装工期。传统方式下的固定内支撑结构需要在压力钢管制作阶段就进行制作安装，同时需在钢管浇筑完成后进行分段逐节的拆除工作。每节钢管都需要增长制作时间和拆除时间且需占用较多的压力钢管制作安装工期。

杨房沟水电站优化后的施工方式为压力钢管运输和吊装采用无内支撑结构，节省了内支撑下料制作焊接安装过程，同时避免了浇筑后内支撑的割除倒运工作，可以大幅度节省内支撑对施工工期的占用，实现节省压力钢管安装工期的目标。

(2)降低施工成本。按照传统的安装方式及投标阶段的施工组织设计要求，杨房沟水电站88节压力钢管设置由钢管和方钢组成的满堂固定内支撑体系，需要内支撑钢材约230 t。同时内支撑钢材到现场后还需进行切割及焊接等工作。

采用优化后的运输吊装阶段的无内支撑和安装阶段的活动内支撑结构，压力钢管总体安装工作只需制作7套活动内支撑，实际设置安装的单套活动内支撑重量0.3 t，节省了220 t的内支撑加固材料。同时还免去了固定内支撑的制作安装及拆除工作和内支撑割除后的补漆探伤工作。焊接过程中采用移动式的焊接台车可以免去固定内支撑下每节钢管需要单独搭设焊接施工平台的过程，从整体来看大幅度降低了施工成本。根据核算，杨房沟水电站压力钢管实现了优化施工成本79万元的经济效益。

(3)保证安装质量。固定内支撑结构需要将内支撑全部焊接在压力钢管内壁上，焊接及割除的质量对压力钢管内壁钢材的损伤较大，故割除焊接不当很容易对母材造成不可逆的损伤，重新焊接修补的质量对过流阶段的正常运行也会造成一定的隐患。

活动内支撑后的安装方式避免了内支撑焊接加固及割除的施工过程，能够很好地保证压力钢管内壁质量。压力钢管结构设计及加劲环的布置能够保证压力钢管较大的刚度，实现无内支撑下弹性变形小。同时吊装支撑点和浇筑过程中的加固点验算强度能够实现压力钢管的整体刚度强度要求，以保证压力钢管安装浇筑过程中的变形质量控制，实现控制压力钢管整体安装质量。

5 结 语

杨房沟水电站4条压力钢管安装通过分析采用无内支撑和活动内支撑结构下压力钢管的变形受力情况后，制定了运输吊装阶段采用无内支撑结构和浇筑阶段采用活动内支撑的安装方式，并通过专家咨询予以确定。在实际施工过程中通过该施工方式的应用，采取外部加固和合理设置吊点、支撑点的有效措施，实现了保证施工质量、降低施工成本和节约施工工期的目标，对该施工方式实现了再次论证。

通过该电站压力钢管内支撑结构研究，为国内其他水电工程压力钢管钢管内支撑优化或取消提供可借鉴的经验，该施工方式具有较大的实践价值及推广意义。