构皮滩升船机船厢空载原位顶升受力分析与研究

2022-04-12宋金育

水利建设与管理 2022年3期

宋金育

(构皮滩水电站，贵州遵义 550000)

构皮滩水电站通航建筑物工程由上下游引航道、3座钢丝绳卷扬提升式垂直升船机和2级中间渠道(含通航隧洞、渡槽及明渠)等建筑物组成(升船机整体组成见图1)。其中，第二级船厢采用全平衡式，船厢结构为钢质槽形结构，由80根钢丝绳悬吊，船厢通过钢丝绳与外侧平衡重相连，以达到全平衡的目的[1-3]。

图1 第二级升船机整体面貌

船厢作为大型金属结构，因形体尺寸较大、结构型式复杂，采用分块单元形式，即按照运输及吊装限制条件进行厂内分块制作[4]，将拼装所需胎架根据要求布置在船厢室内，再将分块单元落位在胎架上进行原位拼焊形成整体。施工过程中，在船厢拼焊形成整体后，由于胎架高程不足，发生了船厢结构无法正常连接钢丝绳索结的现象，导致船厢无法正常安装。因此，本文针对上述问题，提出了构皮滩升船机船厢空载原位顶升施工方案，将船厢顶升至预定高程，达到船厢和钢丝绳能够连接的目的。本文对施工流程和船厢受力特性等内容进行重点讨论，并对存在的问题提出了修改建议。

1 船厢空载原位顶升方案设计

根据第二级船厢室的现状，在船厢空载顶升方案设计时[5]，需设定如下两个前提条件：

a.假定船厢侧向刚度无穷大，即在顶升的过程中不会发生整体倾覆、扭转。

b.假定船厢顶升支撑点同时工作时，忽略因人工操作和设备误差而引起的加载不同步问题，即假定各个顶升点在顶升过程中是平稳同步进行的，由此还可消除由基准面不平而引起的观测误差。

基于上述两点假定，即可认为船厢在顶升的过程中能够整体被提升，且不发生平面外任何扭转和倾覆现象，船厢主纵梁始终保持在一个平面，从而重点关注船厢自身平面内的受力、变形和挠曲等问题。

1.1 方案设计

构皮滩第二级船厢初始落位于拼装胎架上，船厢结构已经全部焊接完成，其中船厢下锁定装置已经完全焊接于船厢结构上。顶升方案设计思路为：借用船厢下锁定装置，通过操作液压千斤顶并配合填塞钢支墩和钢垫板，逐步将船厢顶升至适当的高程，再将船厢与钢丝绳相连。

船厢原位顶升施工工艺流程为：施工准备→承船厢数次顶升过程实施→检查承船厢变形及稳定情况→承船厢最后一次顶升→承船厢顶升就位后进行变形量复测及钢丝绳连接。

在船厢下设四个顶升点，每个顶升点下设有6个钢垫墩(一)和4个钢垫墩(二)，用于船厢顶升过程中的高度调整互换。每个顶升点配置一台液压泵站，采用一拖四分配阀形成4套液压管路，控制4台千斤顶，从而达到一台泵站控制4台千斤顶的效果，最大程度上保证顶升加载过程的同步性。船厢的顶升点布置见图2。

图2 船厢原位顶升点布置

1.2 技术特点

本文所涉及的项目工况为船厢结构原位顶升，根据所设计的方案，在技术上能够实现船厢结构的同步抬升，并且在一定程度上能够保证顶升过程中实现高程微调的目标。在达到目标高程后，作业人员通过液压装置将钢支墩和钢板垫块塞入下锁定梁处，循环操作千斤顶，从而实现船厢结构稳定被提升。从技术特点上，本方案需重点关注同步性和平稳性，以及船厢结构在顶升过程中的挠度问题。

1.3 实施步骤

1.3.1 施工准备

根据施工工艺流程，确定并组织承船厢顶升施工项目的人员，熟悉图纸，掌握工艺及标准，对进入施工的相关人员进行技术交底以及安全作业培训；申报消耗材料耗用计划、机械及工器具使用计划。

1.3.2 工作面检查

施工前需要相关责任单位清理船厢室底板杂物，将顶升所需的工器具布置就位。承船厢顶升前，测量承船厢纵梁、底铺板的水平度及垂直度，根据测点的布置情况，制定好测量方案，并做好原始记录。

1.3.3 船厢顶升

第二级船厢与钢丝绳索结高程相差约1632mm，由于千斤顶行程有限，加之考虑顶升过程中的稳定性、船厢受力等因素，采用分次加载顶升的办法。具体如下。

1.3.3.1 第1次顶升

首次顶升时，先缓慢试顶起一部分(约5～10mm)，仔细检查液压千斤顶无异常后，再继续进行顶升。

1.3.3.2 第2～11次顶升

首次顶升检查船厢整体情况后，后续每次顶升时，顶升高程控制在150mm左右，是因为千斤顶行程大约在150mm。

1.3.3.3 第12次顶升

最后一次顶升时，根据每次顶升过程中记录的数据，计算出最后一次顶升所需要的行程，操作时要统一协调，确保最后一次顶升到位。

1.3.3.4 锁定状态

在船厢顶升至设计高程且完成船厢与钢丝绳的连接后，船厢底部顶升的液压千斤顶需保持保压状态，并进行船厢位置偏差复查。

1.3.3.5 最终检查

为防止完成钢丝绳连接后，解除液压千斤顶过程中，船厢发生上下游摇摆，船厢顶升到位后需继续保持液压千斤顶的顶升状态，此时需在船厢上四条夹紧轨道处布置夹紧锁定装置。船厢主要测点分布见图3。

图3 船厢测点布置

2 受力分析

由图2可知，船厢结构受力形式为简支梁，在船厢自重作用下，顶升点两侧承受负弯矩，船厢中部承受正弯矩，船厢结构在自重荷载作用下的受力形式见图4。

图4 船厢结构受力

2.1 整体受力分析

第二级船厢承船厢为钢质槽形结构，主纵梁为贯通的箱形梁结构，为竖向主要抗弯构件。底铺板采用次纵梁用铺板连接形式，次纵梁从厢头位置开始间隔布置，最终由铺板连接形成一个平面。因此在整体分析时，根据受力性能选择相应截面计算。

由船厢结构受力特性可知，主纵梁跨中弯矩最大，相应的挠度最大。因此选取跨中截面进行最大挠度计算。厢头作为外伸梁，取其自由端作为挠度最大点进行计算。主纵梁和厢头荷载工况下的挠度计算结果见表1。

表1 挠度计算结果

由表1可知，在自重荷载作用下，厢头因设备层截面刚度较大，所产生的位移为3.3mm；主纵梁跨中部位所产生的挠度为49.1mm(主纵梁两支点的距离为43m，故挠度比为1 ∶1100)，满足《钢结构设计标准》(GB/T 50017—2017)[6]附录B中主梁挠度容许值(容许挠度比为1 ∶500)的要求。