DZS40/500型造槽机结构设计优化

(1.湖北大禹水利水电建设有限责任公司，湖北 武汉 430061；2.宜昌市东风渠灌区管理局，湖北 宜昌 443000；3.宜昌市水利水电勘察设计院，湖北 宜昌 443000)

近年来随着水利施工技术的不断发展，大型化、集约化、自动化且安全性高的施工设备逐渐涌现，造槽机便是此间应运而生的一种兼具简单、高效、自动、安全等特点的新型渡槽施工设备，在国内已先后被用于广东东江—深圳的东深供水及南水北调等大型工程项目中的渡槽施工中。但已有应用实例皆为大型或特大型渡槽工程，东深供水工程渡槽内截面尺寸为7.0m×5.4m(宽×高)，跨度24m；南水北调中湍河渡槽工程单槽的内截面尺寸为7.23m×9.0m，跨度40m。目前根据水利建设完成情况的现状和需求，一些跨度大、高度高的中小型渡槽的建设对造槽机这种大型设备敞开了大门，也对造槽机向小型化、灵活化的设备发展提出了新的要求。

本文正是基于这种背景，结合造槽机在中小型规模的普溪河渡槽新建过程中的实际使用工况，对期间针对问题和不足而采取的优化方案进行论述。

1 概 况

普溪河渡槽为宜昌市东风渠灌区总干渠上的重要建筑物，渡槽跨度40m，最大高度达62m，矩形封闭式箱梁槽身，为造槽机在大跨度、小截面、端部高应力、非标准预应力矩形封闭式简支结构中的首次运用，为国内首例，被列为湖北省水利重点科研项目。普溪河预应力槽身截面如图1所示。

图1 普溪河预应力槽身横剖面示意图

2 DZ40/500造槽机的结构及工作原理

造槽机是应用于渡槽槽身结构混凝土原位逐跨现浇，配备可自动开合的定型模板，并具有自主行走过跨功能的一种大型施工设备。主要由支撑承重系统、模板系统、液压行走系统和电气系统组成。

支撑承重系统包括外梁和支腿。外梁由主梁、导梁、挑梁组成。主梁采用箱形组合梁，为单梁形式，是造槽机的主要承重结构；导梁与主梁直线连接，与主梁共同为造槽机移动过跨提供导轨；挑梁横贯于主梁，为挂在其上的外肋及外模系统提供承重和横向平移平台。在主梁上共安装有四个支腿，分为承重支腿与行走支腿。1号和4号为承重支腿，在非过跨工况支撑主梁，保证整个造槽机在施工期的稳定和安全，2号和3号支腿为液压行走支腿，在前行过跨工况中起到支撑及推动整个系统移动的作用。

模板系统分为外模系统和内模系统。外模系统由对开的两部分定型外模组成，通过外肋悬挂在挑梁上，闭合时形成封闭空间，为施工提供安全保障，行走过跨时需打开外模。内模系统独立于外模系统，通过铺设的导轨可自行进出作业，为针梁式结构，由四根吊杆与主梁相连，混凝土浇筑时悬浮在槽身内部适应主梁变形。如图2所示。

造槽机主要行走过跨原理为：当一跨槽身完成后需先打开外模，然后将悬挂于主梁后端的2号支腿吊运至已完跨槽身前端顶部并支立，松开1、4号承重支腿由2、3号支腿接替，承托整个造槽机系统。通过配备在2、3号支腿上的液压油缸推动造槽机向前滑行，前行13m后导梁前端到达前方墩上方，利用自身提升设备将1号支腿吊运至前方墩并就位支撑。此后的前行过程中外梁的受力状态由前期的两支点(3号、2号支腿)变为三支点(3号、2号、1号支腿)共同支撑，当前行至26m时，3号支腿将脱空，又回到两支点(2号、1号支腿)支撑状态，直至过跨作业完毕。

图2 DZS40/500矩形渡槽造槽机结构示意

3 DZ40/500造槽机应用过程中的结构设计优化

由于造槽机还没有被大范围普及，目前全部为定制设备，需适应各个项目的各自特点，没有通用形式，所以在进行针对性设计时难免会出现一些不足和有待优化之处。

本文提出的优化主要针对以下不足和问题：箱式导梁改为桁架形式带来的局部结构应力集中；主梁下部非过跨主受力区域截面强度不足；内外梁刚度不一致，导致承载状态下不能协调变形；外模系统外模顶口线可调杆件、支撑点不稳定，操作不便，影响外观质量；内模倒角未设计盖模，影响混凝土浇筑；防雷、安全防护不足等。

3.1 箱式导梁改为桁架形式后局部应力集中的问题

本例中造槽机原设计为80m长箱梁结构，后优化缩短为67m长变截面箱形梁结构，主要包括长50m、截面尺寸为4m×2m的主梁段，长17m、截面尺寸为3m×2m的导梁段。但最终为降低造价将导梁又改为桁架结构，通过焊接拼接板并用高强螺栓与主梁连接。详细构造见图3。

图3 主梁与导梁连接图

在过跨期间，受3号支腿水平滑靴加工精度以及下部支撑混凝土顶面平整度的影响，加大了水平滑靴表面摩擦系数，当摩擦阻力比较大时，很小的法向力作用也能激励出摩擦振动[1]。在实际作业中每个滑动周期的初期振动表现明显。按照模态振动的理论来解释，因摩擦力变化激起的高声强级摩擦振动，其摩擦力变化时间τ对静摩擦的作用相当于一种冲击荷载。特别是在造槽机前行15～37.5m范围内，在主梁与导梁变截面连接处会产生较大的冲击应力，而当前行至30m时主梁与导梁接头处弯矩最大，在考虑振动冲击的最不利工况下，最大弯矩可达1120.85tf·m，超过设计弯矩347.85tf·m；前行至34m时，主梁与导梁接头处剪力最大，在考虑振动冲击的最不利工况下，最大剪力可达176.9tf，超过设计剪力54.9tf，存在极大的安全隐患。

过跨移位15～37.5m范围内主梁与导梁节点剪力和弯矩对比见图4。

图4 过跨移位15～37.5m期间主梁与导梁结点剪力和弯矩对比

在上述工况下，加之主梁与导梁连接处的截面突变，导致在连接拼接板处因冲击荷载产生的应力集中问题非常突出。

在实际案例中，当造槽机从16号槽身向17号槽身过跨作业时，前行至27m处时，桁架导梁与主梁连接处下部的拼接板焊接处局部焊缝出现裂纹破坏，在立即停止过跨作业后，对破坏部位进行了焊缝补强的补救措施。具体焊缝破坏情况见图5。

图5 过跨期间主梁与导梁结点焊缝开裂

鉴于此类情况，应考虑将主梁与桁架连接设计优化为渐变，将矩形箱梁结构优化设计成箱形渐变形式，增加主梁与桁架结构间连接的渐变段，由箱梁的空间面受力形式逐步过渡转换为桁架杆件受力形式。

3.2 主梁下部非过跨主受力区域截面强度不足的问题

造槽机过跨时前移至13m后，呈现三支点联合受力状态，理想状态下三支点顶部高程具有一致性，各支点内力分配与理论计算一致。为强化对应支撑区域主梁的截面强度，自导梁连接处在主梁内部向后19m的范围，在主梁下部与滚轮、油顶支撑的对应区域设计了加强筋板和加厚腹板。

受造槽机主梁、导梁加工，安装精度的限制，其下底面与各支撑面接触部位存在一定高差，同一支撑位置左右两侧也无法保证绝对水平；加之下部混凝土浇筑面平整度误差的影响，各支撑点顶部高程在过跨过程中难以达到理论同高状态。各支点无法做到绝对水平，导致各支点间内力分布呈随机紊乱状态，形成局部应力集中，可能会出现某处内力远大于主梁支撑部位设计强度的情况。特别是2号支腿一旦出现支垫超高，将导致3号支腿提前脱空，使2号支腿对应主梁下部未加强区域承受超设计荷载，另外由过跨振动形成的冲击荷载将进一步增加发生局部失稳的可能性。

在实际使用过程中，发生了在主梁加强区域范围外的箱梁局部腹板变形的事故。见图6。

图6 主梁下部非过跨主受力区域变形情况

解决方案：延长主梁下部受支撑区域截面加强范围，将原加强区域延长至35m范围，加强方式采取增加主箱梁下底支撑面与腹板内外侧倒角筋板，同时在主箱梁下底面与其腹板下部内侧第一道加强横向筋板间、腹板内侧竖向加强筋板中部增加竖向截面强化筋板。

建议：每次在造槽机移位过跨时，多次测量，尽量调平每组支腿支撑顶面高程，确保每组支腿均匀受力。并在2号支腿上部增设垫高警示刻度，防止支垫超高，出现3号支腿提前脱空现象。

3.3 造槽机内外模板系统协调变形不一致的问题

内模系统主要由内模板、内梁、走行台车、50t千斤顶等组成。内梁主要承受内模系统的自重以及浇筑过程中混凝土产生的侧压力，为桁架结构，共分3节，节间采用螺栓法兰连接。内梁中部通过4道吊杆与主梁连接，两端分别由千斤顶将内模系统支撑，千斤顶支点位于上下游墩帽上。内模系统的浇筑状态如图7所示。

图7 造槽机上下端2支点、中部4吊点示意

由于内梁上下游端部受到固定支撑且整体刚度较强，造成内模轴线不能适应主梁及外模的预拱曲线，导致内外模的变形过程不能协调一致。造成的不良后果会导致浇筑完成的槽身顶板及底板混凝土厚度及钢筋保护层不能整体一致，进一步影响槽身底板设计纵坡(如图8所示)，使槽身过水流态发生变化，不能满足设计要求。严重时会影响槽身使用寿命甚至危及槽身结构安全。

图8 槽身纵坡曲线示意

为了实现协调变形，通过增加连接限位杆件将内梁上下游两端由原来50t千斤顶支撑在墩帽上的方式，改为由吊杆直接与主梁连接，使内梁能完全感应外梁的变形过程。内梁受力方式由上下端2支点、中部4吊点(见图9)优化为上下端2吊点、中部4吊点(见图9)的方案，将内梁完全悬挂于主梁底部形成整体。

图9 造槽机上下端2吊点、中部4吊点示意

3.4 外模系统外模顶口线可调杆件

为了确保造槽机外模上顶口线的线型，最初设计为通过顶丝调节外侧模上口纵向线条。外侧模上部共配置了48个独立的顶丝，分别架设于上部行走平台外檐与外肋之间，但未设计顶丝固定和拉回装置。首跨施工效果表明：顶丝调节模板线条时，很难协调一致，效果不明显；并且因无固定装置，混凝土浇筑时的施工振动容易导致顶丝掉落，造成跑模并给下方通过的人车带来了安全隐患。

优化方案为分别在外模顶口、外肋上焊接固定耳板座，设可调撑杆进行调节。分别用48个可调撑杆替换所有上口顶丝，并且为了增加可调撑杆稳定性将其按45°角布置。其可操作性简单，牢固安全可靠，线条顺直易于控制。

3.5 内膜系统倒角盖模的问题

为便于内模系统自动收缩折叠，内模倒角底部未设计防翻浆盖模。但为了解决从侧墙底部倒角处发生翻浆的问题，待底板浇筑完毕后在倒角模板外侧增加盖模。盖膜一侧嵌入倒角模板底边20mm左右，外侧采用钢管，利用桁架撑压模板，撑压力度以模板与混凝土面刚好完全接触即可。盖模的宽度过窄会影响效果，过宽又会导致倒角内混凝土振捣后气泡不能排出，最后确定盖模宽度以400mm为宜。

3.6 高空避雷及防护的问题

造槽机属于大型钢结构移动模架，在设计、制造及安装过程中，未考虑到避雷装置的设计、安装，对造槽机雷雨季节施工的人员及设备带来重大安全隐患，为实现全天候作业增设了高空避雷装置和能够方便开合的上部顶棚。

4 结 语

a.造槽机应考虑因摩擦振动所引起的冲击荷载对结构的不利影响，同时对结构中的主承重构件与非主承重构件进行连接设计时，应充分考虑必要的截面渐变，减小因截面突变所带来的应力集中问题，特别是对箱梁立体空间受力结构转换为桁架杆件受力模型，可以考虑将三维受力截面通过面受力渐变为杆件受力。

b.大跨度承载箱形梁式构件在移位工况中，应尽量避免出现超过3组支点同时支撑的工况，避免因各种无法预估的干扰因素而无法达到理论状态造成截面局部失稳。

c.大跨度箱形混凝土浇筑主受力造槽机支撑构件，受跨度大、荷载大、挠度大等的影响，应分别计算主支撑构件与内模支撑构件随着混凝土浇筑荷载增加产生的挠度。当受大跨度小截面箱梁结构影响，无法将内梁与主梁做到同样刚度时，须采用吊杆将主梁与内梁连成整体，保持同步变形，避免混凝土凝结期出现不良裂缝，影响结构使用寿命。

以上为针对造槽机在普溪河渡槽施工中的实际使用情况及出现的问题所采取的优化措施或改进方案，可为后期类似的中小型项目中造槽机的设计提供参考和借鉴。