弧形闸门牛腿支铰预埋螺栓一次浇筑工法

(山东临沂水利工程总公司，临沂 276000)

弧形闸门是水闸建筑中常用的一种挡水结构，通过支臂传导到支承铰铰座上受力，铰座与建筑物上的埋设构件(螺栓)连接，并传力于基础上。闸墩牛腿是支铰铰座的固定结构物，承受力矩、剪力以及扭矩作用，属于短悬臂梁结构，牛腿支铰预埋螺栓位置的准确性和稳定性对后期弧形钢闸门的启闭运行至关重要。

1 施工方法对比分析

在水利工程闸墩牛腿支铰常规施工中，首先进行闸墩牛腿混凝土一次浇筑，同时定位埋设牛腿支铰预埋螺栓钢套筒(钢套筒直径通常大于支铰预埋螺栓2～3cm)，再在牛腿支铰预埋螺栓与钢套筒之间灌注填充料的方式进行定位并固定闸墩牛腿支铰预埋螺栓。此类施工方法，不仅增加了钢套筒灌浆固定螺栓的作业量，也加大了牛腿上下端固定钢板及固定螺母二期填充料浇筑难度，且在浇筑完的闸墩牛腿上定位支铰螺栓难度大，费用高，安全风险高，同时施工作业周期长，金属结构安装工期延长。

针对上述情况，工程施工过程中，对牛腿支铰施工进行改进，首先根据设计图纸尺寸制作模具钢板，在工厂内将一组牛腿支铰预埋螺栓焊接固定成螺栓组，再通过定型钢模将牛腿支铰螺栓组进行整体定位，与闸墩模板整体拼装加固后校正，然后同闸墩混凝土进行整体一次浇筑。此方法不但减少了二期浇筑支铰预埋螺栓的施工步骤，也能准确定位牛腿支铰位置，使闸墩牛腿及牛腿支铰预埋螺栓整体性更好。

2 适用范围及工艺原理

2.1 适用范围

本工法适用于水利水电工程中弧形闸门闸墩牛腿支铰螺栓、人字门及船闸预埋螺栓施工，在水利、路桥、市政、建筑等其他具有类似结构特点的预埋构件混凝土工程施工中，具有推广应用价值。

2.2 工艺原理

弧形钢闸门牛腿支铰是连接牛腿与弧形闸门的重要结构，弧形钢闸门受到上游的水压力通过支臂传力给牛腿支铰进而作用到闸墩牛腿，而支铰支座轴心是整个闸门受力的合力中心点，因此闸墩支铰的施工质量尤为重要。

根据设计图纸中闸墩及牛腿的尺寸、位置，首先将牛腿支铰预埋螺栓定位端通过模具钢板进行固定，再利用钢筋将另一端进行焊接固定，达到各支铰预埋螺栓与模具钢板整体稳固的效果。同时根据设计图纸中各支铰预埋螺栓的相对位置在牛腿定型钢模板上进行机械钻孔(孔径比螺栓直径大4mm，方便螺栓安装)，并将固定好的支铰预埋螺栓组与闸墩、牛腿定型钢模板进行整体拼接固定，同时准确校正螺栓位置并加固完成后同闸墩牛腿进行混凝土一次浇筑施工。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程为：牛腿支铰预埋螺栓定型模具钢板加工→牛腿支铰预埋螺栓整体固定→牛腿定型钢模板预留孔加工处理→牛腿定型钢模板安装固定→牛腿支铰预埋螺栓定位及固定→牛腿钢筋安装→牛腿定型钢模板安装固定→牛腿混凝土浇筑→牛腿定型钢模板的拆模→混凝土养护。

3.2 操作要点

3.2.1 牛腿支铰螺栓结构形式改进

牛腿支铰螺栓由原来的直线形(见图1)改进为尾部弯钩状的形式(见图2)，使牛腿支铰螺栓与牛腿混凝土结合性更强，同时弯钩部位螺栓与牛腿钢筋更好的锚固，加强了牛腿支铰螺栓与闸墩牛腿的整体稳定性。

图1 直线型牛腿支铰螺栓设计图纸

图2 牛腿支铰预埋螺栓改进设计图纸 (单位:mm)

3.2.2 牛腿支铰预埋螺栓定型模具钢板加工处理

根据设计图纸中牛腿支铰螺栓的相对位置及尺寸进行选择用来固定支铰预埋螺栓的定型模具钢板的尺寸，通过不同焊接厚度的钢板受力试验，最终选定厚度为10mm的钢板作为模具钢板材料进行加工，确保预埋螺栓组各螺栓之间的稳定性。根据支铰螺栓设计尺寸及位置在模具钢板上的对应位置进行机械钻孔用来固定支铰螺栓，为方便螺栓安装，钻孔直径取值比螺栓大4mm，并预先在工厂车间将一个牛腿的预埋螺栓按坐标尺寸准确焊接在模具板上，使一个牛腿的支铰螺栓能整体固定。

3.2.3 预埋螺栓位置牛腿定型钢模板加工处理

根据图1可知，定型钢模板为预埋螺栓处的模板，需提前进行加工处理。按照预埋螺栓设计位置在模板中采用机械钻孔的方法切割出相应的预留孔，以备预埋螺栓组的安装固定。

3.2.4 确保牛腿模板安装位置坐标准确性

根据设计图纸在牛腿模板准确定位支铰螺栓的位置，采用机械钻孔的方法在相应位置进行钻孔，在牛腿模板准确安装固定后，再将提前加工固定好的支铰螺栓组与牛腿模板进行拼装结合，并在定型钢模板每根外露支铰螺栓上安装两个螺丝帽，拧紧螺丝帽确保支铰螺栓组与牛腿定型钢模板紧密牢固结合。固定牢固后，对牛腿钢筋进行安装，并在与支铰螺栓接触位置进行焊接加固，确保支铰螺栓与牛腿钢筋形成一个整体结构。最后，将牛腿剩余模板进行依次拼接安装、加固。在牛腿混凝土浇筑完成后，利用钢尺、垂球或水准仪、经纬仪等对牛腿底面标高及牛腿垂直度进行后期监测，监测结果见表1。

表1 牛腿底面标高及牛腿垂直度监测结果

根据《水电水利工程模板施工规范》(DL/T 5110—2013)中关于一般现浇结构模板安装的允许偏差中规定：底模上表面标高允许偏差为0～5mm；局部垂直(全高大于5m)允许偏差为8mm。经后期监测，牛腿模板全满足规范要求。

3.2.5 闸墩及牛腿模板单位面积内丝对拉螺栓使用根数计算

闸墩及闸墩牛腿的定型钢模板之间都是用螺丝紧密连接，确保各模板之间不存在相对位移的现象，在闸墩牛腿定型钢模板安装完成后采用内丝对拉螺栓对闸墩两侧牛腿模板进行固定，确保闸墩牛腿与闸墩之间相对位置的准确性，从而保证牛腿处的支铰预埋螺栓位置的准确性。内丝对拉螺栓的制作材料为φ14热轧光圆钢筋，可确保闸墩牛腿之间的定型钢模板不变形。

根据《水利水电工程模板施工规范》(DL/T 5110—2013)，新浇筑混凝土对模板侧面的压力，采用内部振捣器时，最大侧压力可按式(1)和式(2)计算，并取其中的较小值：

F=0.22γct0β1β2v1/2

(1)

F=γcΗ

(2)

式中F——新浇筑混凝土对模板的最大侧压力，kN/m2；

γc——混凝土的重力密度，kN/m3；

t0——新浇筑混凝土的初凝时间，可按实测确定，当缺乏实验材料时，可采用t0=200/(T+15)计算(T为混凝土的浇筑温度，℃)，h；

β1——外加剂影响修正系数，不掺外加剂时取1.0，掺具有缓凝作用的外加剂时取1.2；

β2——混凝土坍落度影响修正系数，坍落度小于300mm时取0.85，坍落度为30～90mm时取1.0，坍落度大于90mm时取1.15；

v——混凝土的浇筑速度，m/h；

Η——混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度，m。

经计算可知新浇筑混凝土对模板的最大侧压力为20.944kN/m2。

根据《水工混凝土钢筋施工规范》(DL/T 5169—2013)中钢筋主要机械性能相关内容可知：热轧光圆钢筋的屈服点为235MPa，即235000kN/m2。

通过计算可知，选用φ14的内丝对拉螺栓加固钢模板每平方米0.58根既可以满足施工要求，为充分保证施工中模板的稳定性，在内丝对拉螺栓加固模板时每平方米设1根对拉丝。

3.2.6 确保闸墩立模垂直度

在闸墩立模施工中采用闸墩定型钢模板的方法进行施工，由各个部位的定型钢模板依次拼接组合固定而成，定型钢模板自带钢梁起到加强模板自身整体刚度的作用，也能加强模板间的稳固性。整个闸墩模板立模完成后，在闸墩两侧模板指定位置通过钢丝绳连接到提前预埋在闸底板的锚固筋上，通过调节钢丝绳调整闸墩模板的垂直度，加强了闸墩模板的稳定性。

3.2.7 牛腿定型钢模板封顶安装

在牛腿定型钢模板上距模板两端0.5m处各预留一个振捣孔，以备后期混凝土浇筑振捣使用。

3.2.8 闸墩及牛腿整体混凝土浇筑过程控制

闸墩及牛腿混凝土采用一次浇筑的方式，在浇筑过程中，采用分层法进行浇筑，保证整个浇筑过程中质量可控。为满足牛腿受力需要，牛腿混凝土比闸墩混凝土一般高1～2个等级，当混凝土浇筑到牛腿部位时调整配合比单独对牛腿进行浇筑，当充分满足牛腿混凝土断面后再调回原配比继续闸墩其他位置的浇筑。浇筑牛腿时，利用插入式振动棒插进预留孔进行混凝土振捣，同时采用附着式振动器在牛腿模板外侧进行适当的振捣，确保牛腿混凝土振捣密实。牛腿混凝土浇筑完成后及时将模板预留振捣孔用木模板进行封堵，防止浇筑牛腿上部闸墩混凝土时混凝土溢出。

3.2.9 牛腿定型钢模板的拆模

在牛腿混凝土浇筑过程中，同时预留混凝土试块，并在同等条件下进行养护，由于牛腿部位属于悬挑梁结构，承重模板及支架拆除时混凝土强度标准值为悬臂梁构件跨度不大于2m时，混凝土强度达到标准值的75%，可以进行模板拆除。

4 牛腿支铰预埋螺栓一次浇筑施工技术优点

4.1 支铰预埋螺栓与牛腿混凝土的结合性强

通过牛腿支铰预埋螺栓与闸墩牛腿一次浇筑的施工方法，可以有效避免牛腿混凝土与预埋螺栓之间施工冷缝的出现，避免了二期埋设造成的不牢固和结构强度不足的现象，增强了整体性，保证了闸墩牛腿的施工质量。

4.2 确保预埋螺栓定位准确

通过加工定型钢模具板固定支铰预埋螺栓，以及闸墩及牛腿定型钢模板依次拼接安装的方法准确定位支铰预埋螺栓的空间位置，确保后期弧形闸门支臂安装的准确性，减少了整个放线控制的繁琐过程。

4.3 缩短施工工期，节约施工成本

选用牛腿支铰预埋螺栓一次浇筑的施工方法，减少了二期浇筑支铰预埋螺栓的施工过程，简化了施工步骤，降低了施工成本。在闸墩单项工程施工工期中缩短了二期浇筑的施工工期，加快了施工进度。

5 工程应用情况

在沂河河湾水源工程施工中应用牛腿支铰预埋螺栓一次浇筑的施工工法,有效简化了施工步骤，缩短了工期，为汛前完成施工提供了必要条件；同时节约了材料使用和设备租赁，降低了工程消耗，累计节约资金58.14万元，取得了良好的经济效益。

在费县石沟拦河闸除险加固工程中应用此工法充分解决了牛腿支铰螺栓二期施工繁琐、定位难的问题；通过牛腿支铰预埋螺栓一次浇筑，使得牛腿支铰施工更加简便、快捷，累计节约资金27.84万元，取得了良好的经济效益。

本工法可广泛应用于水利、路桥、市政、建筑等其他具有类似结构特点的预埋构件混凝土工程施工中，具有很好的推广应用价值。

6 结 语

本工法的创新促进了牛腿支铰预埋螺栓施工工法进步，通过牛腿支铰预埋螺栓一次浇筑的方法，减少了二期混凝土施工过程，在闸墩单项工程施工工期中缩短了二期混凝土施工的工期，降低了施工成本，且有效避免了牛腿混凝土与预埋螺栓之间施工冷缝的出现，增强了整体性。保证了牛腿支铰螺栓的施工质量，加快了闸墩的施工进度，是一项值得推广应用的工法。