水利工程弧形构造成型圆弧品质的研究

华耀沛

（河南省水利第一工程局，河南 郑州 450000）

0 前言

现阶段，在国内水利工程领域相关项目的施工作业过程中，工程建筑物对外观造型的新颖以及美观的要求越来越高，相关设计单位的设计人员在项目工程的外观规划设计过程中，多数情况下会采用弧形构造或者不规则的几何形状的构造来突出其设计特色，最大限度地实现造型上的突破和创新。努力打造集功能和造型美观于一身的工程，但是带有较大弧形造型或者不规则几何构造的支模过程在实际操作过程中施工较难，特别定制的钢质模具虽然可以满足相关结构的操作需求，但是上述施工模式在支撑过程中对钢质模具的强度标准要求较高，一次性资金投入的成本压力较大，并且模具的通用性较差，很难实现多次重复利用，项目成本难以把控。因此，在工程实践中，相关工程技术人员采用了一类弧形的单次一体成型圆弧质量的控制技术来弥补特殊定制的钢质工艺方法中的缺陷。

1 项目工程的背景介绍

某地水利工程中的闸门应用了上下方向翻转的弧形结构的钢质闸门设计，闸室的底板是一种折线类型并且在中间位置设置成弧形的凹槽构造，方便弧形状态的闸门进行下行与上翻的运行动作，弧形构件的凹槽的纵向宽度为 22 500 mm，圆弧构件的半径为 R 5 750 mm，弧长R 5 750 mm，弦长为8 545 mm，弧深数值为1 945 mm，弧底距离基础垫层的距离为2 095 mm。

2 工程测量技术

工程结构测量作业是相关工程施工作业的首道工序，测量操作的效果关系到整体工程的最终品质，影响到工程项目的平面位置、外观尺寸以及标高等指标是否满足规划设计的相关要求。工程技术人员需要高度重视工程项目的测量操作。常规的建筑物造型多数为方形等规则图形，外观相对简单，该文中出现的圆弧形结构，需要工作人员针对其测量施工相关技术进行深入研究。

2.1 直接拉线方法

该方法适用于圆弧形结构的半径相对较小的状况。确定出圆弧构造的圆心位置，安装控制桩。圆心位置的控制桩设置包括以下3个步骤：1）控制桩的安装需要相对牢固可靠，桩点位置比较坚固。2）使用钢尺以桩点位置为中心划弧，钢尺的松紧程度保持一致，半径较大的情况下可应用力矩尺进行辅助。3）对圆心桩进行保护并安装引桩构件。

2.2 直接放样方法

直接放样方法也可以称作矢高分解方法，指的是在作业现场直接测量设置出圆弧形平面结构的大体图形结构。现场测量放线过程中不需要进行任何相关的计算过程。

2.3 坐标计算方法

该方法适合半径较大的圆弧构造的测量放线过程，半径比较大，圆心距离建筑主体较远，不能直接使用上述方法实施测量时，就可以使用该方法进行测量。坐标计算方法可以将弦长当成矢高基准线，弦长的中垂直线为对称轴，弦长上每隔1.5 m设置对称轴的平行线与圆弧交汇，每隔 1.5 m 位置的矢高数值可用圆弧和三角函数关系式得到。

3 圆弧构造的品质对于弧形闸门运行过程的影响

在该工程项目中，位于面部分的弧形结构位置的圆弧建造质量是该翻转形式弧形闸门可以平稳运行的重要影响因素，如果圆弧结构部分的曲率大于规划设计的尺寸，将会导致弧形闸门装置在运行过程中会受到相关结构的影响，闸门部分受到阻碍后会出现受力不平衡的情况，导致液压开启以及闭合机构的压力大幅度上升，门体部分可能出现扭曲；如果出现圆弧结构的曲率小于规划设计的需要的情况时，尽管闸门装置可以正常地运行，但是由于门叶和基础底板间的空隙过大所以会出现漏水的情况，除了闸门装置的圆弧部分曲率之外，模具的膨胀、地台的错位也是影响相关弧形构造品质的主要环节，这些因素对弧形结构闸门的运动造成了很大的影响[1]。

4 影响弧形构造品质的要素

提高弧形构造的品质的主要目的是在相关装置的结构上确保弧形的闸门可以安全稳定地运行。弧形结构的闸门在弧形结构上围绕着支铰的门轴部件进行翻转运动，圆弧结构的曲率数值需要最大限度地接近弧形的闸门装置的弧度，通常来讲，在施工作业过程中地台错位的情况是比较明显的，容易导致泥沙等杂物在相关的弧形构造内部出现沉积进而板结固化，这样的情况会给弧形闸门装置的开启以及运行过程带来较大的不利影响，而相关的弧形构造影响了系统内部过水剖面的水流行进方向，水系以及流体内部的中砂石颗粒也会对弧面构造造成侵蚀以及冲击的影响，长久以来就会减小闸门装置保护层的厚度，降低对钢筋部分防止锈蚀的保护作用，因此，弧形构造部分的圆弧曲率数值、表面的保护层的厚度尺寸以及部件的表面品质必须作为提高弧形构造部件品质的核心要素。

5 底板部分弧形构造的工艺方法选取

由于弧形构造涉及的工艺方法种类较多，钢质模具的工艺通常适用在等截面的构件的工况之下。该情况下，现场的拼装任务相对简便、模具拆除之后构件的外观品质比较理想，模具的通用性较好，重复适用率较高，然而该工艺一次性投资相对较高，施工现场的容错能力比较差，单体结构部件的重量较大，拼装过程中的尺寸精度执行标准相对较高，对于现场支撑结构的强度要求也比较高。竹胶材质的木模结构，除了具备钢质模具的优良工艺特点之外，能够有效弥补钢质模具工艺流程中的某些缺陷和不足，能够随着施工现场的实际情况进行灵活的调节与改进，可以在模板上随意为位置设计工艺过孔，减少了基础底板支撑部分的承载压力。因为弧形构造圆弧长度应用钢质吊模形式，所以弧形构造基础底部的施工品质很难达标。由于特殊定制的大直径尺寸钢质模具互换性不好无法重复利用，所以应用该方法成本较高。圆弧构造内部规划设计了二期构造，施工难度较大，通过对于工艺方法的比较与研究，相关工程技术人员对竹胶木模工艺方法实施技术进行了改造，此时选取竹胶木模工艺方法更加方便弧形构造装置进行施工作业，在确保弧形构造形状品质的前提下，也满足了工艺方案法选取符合经济性工艺的相关要求[2]。

6 弧形构造部分圆弧形状工艺方法

6.1 弧形构造圆弧形状放样研究

在基础底板垫层表面进行测量并且放样，形成弧形构造横向中线以及圆弧构造的边界线，在电脑上绘制弧形构造的圆弧形状以及弦长，由弦长中点向两端每间隔 550 mm绘出垂直于弦长的直线，连接于圆弧线，依据全部垂直弦长度尺寸在基础垫层上绘制出圆弧线，将该圆弧线作为把控圆弧上所有点高度的依据，圆弧部分角钢支撑立柱长度尺寸符合相关支撑高度的技术要求，把已经弯曲成形的圆弧形状钢筋固定在支持框架上，使用现场特殊定制的圆弧形状模具样尺对于弧形构造的圆弧部分曲率半径以及结构保护层厚度尺寸实施套靠校核。弧形构造圆弧垫层放样如图1所示。

图1 弧形构造圆弧垫层放样

6.2 圆弧表面模板规划设计与安装固定

相关工程技术人员采用2445 mm×1225 mm×15.5 mm竹胶模板对圆弧表面实施规划设计，应用模板较长一边容易弯曲的特性，把模板长边垂直于圆弧表面进行埋设，45 mm×45 mm等边结构的角钢依据模板埋设区域实施安装，根据两边距离105 mm、中心线距离 755 mm安装五层角钢支护模板，保证模板在紧固装置的作用下紧靠于角钢表面，因为角钢外层挑板的弯曲弧度无法满足弧形构造的技术要求，所以必须严格控制其使用长度，保证弧形构造的圆弧结构单次一体成型。

6.3 相关结构保护层位置规划设计及其把控

弧形构造水泥混凝土材质保护层厚度通常是45 mm，为了精确地控制弧形构造相关保护层结构的尺寸，有效减少和模板的实际接触区域的面积，应用角钢宽度数值要与护层厚度数值相等，设置热镀锌45 mm×45 mm等边结构的角钢把控保护层厚度，可以应对预制垫板实际接触面积较大及排布不平衡造成的弧面构造表面缺陷及保护层厚度尺寸不合格的情况。

6.4 圆弧形状模板固定工艺方法优化措施

相关工程技术人员为了实现弧形表面模板固定成整体结构，大幅度提升弧形构造圆弧尺寸施工作业品质的目的，通长方木采用平行于模板较短区域实现布置的解决方案，首先在木方结构上实施模板较短区域的接缝操作，然后依照155 mm～225 mm间距进行排布，木方构件的长度尺寸方向重复拼接尺寸为 1 050 mm，模板拼缝位置一般情况下通长木方间沿着模板较长区域搭缝位置使用755 mm短木方加强密度排布，用来避免模板接缝位置出现错台现象，通过Φ16 mm的对拉螺栓和Φ22 mm弧形加固筋固定“L”型等边角钢；因为使用Φ50 mm圆弧钢筋部件对于弧形构造进行加固处理，预先弯曲精度无法与结构弧度相等，然而钢筋部分可以在外在载荷的作用下能够弯曲达到设计形状的要求，配合14 mm竹胶板和2 mm新型PC板进行固定，所以应用两段 Φ25 mm圆弧钢筋造实施模板构件的加固操作，弧形模板加固示意图如图2所示。

图2 弧形模板加固示意图

6.5 圆弧模板抗浮稳固方法

圆弧形状模板结构尺寸较大并且呈现凹形，随着水泥混凝土表面和弧形表面模板实际接触面积的增加，针对模板作用的浮托力就相应增大，为了提升弧形构造模板的抗浮效果，除了使用科学的灌筑工艺方法减少水泥混凝土对于模板的浮托力以外，还需要增大圆弧模板固定支撑杆的半径尺寸，并且和CPH管桩顶部法兰通过焊接的方法构成固定位置的拉结点，模板一侧应用双螺帽结构加大紧固构件的长度尺寸，大幅度提升紧固螺杆的抵抗拉拔效果。

7 弧形构造弧形表面成型品质把控研究

7.1 角钢部件的设置及把控

一般情况下，在弧形构造内进行设置安装45 mm×45 mm规格的等边角钢可以准确地控制相关装置所需的保护层厚度尺寸以及圆弧形状部分的曲率半径的数值，现场操作过程中，操作人员需要依据角钢安装排布的具体情况和位置把控其设置方向，采用1 050 mm的间隔尺寸在钢筋部件表面的焊接短钢筋作为支撑结构，并且根据每根角钢的实际高程数值使用短钢筋对角钢进行操作，角钢部件需要随着弧度进行平装，防止弱三角区域的产生，纵向方向的搭接长度使用对接的焊接方法，等边角钢的设置区域及高程数值使用弧形样板来校验其和规划设计情况是否一致。“L”型等边角钢与焊接筋的搭接关系如图3所示。

图3 弧形构造角钢设置实例图

7.2 弧面形状的模板的工艺方法优化

在弧形构造的模板的表面设置规格为2.5 mm新型的透明度较高 PC 板，可以提升圆弧表面的光洁程度，最大限度地淡化模板拼缝痕迹。PC 板按照模板定位在模板下避让拼缝位置进行预先安装，避免互相压盖，安装长度依据圆弧形长度确定，由里到外，中间到两侧把PC 板摊平，应用钉枪依照双向305 mm间距尺寸使用梅花状钢钉固在模板上，沿着 PC 板纵向接缝使用透明胶带封缝，达到弧面无印记的外观品质。

7.3 弧面质量控制技术

弧形构造的现场操作难度较高，为了提高弧面的外观品质，根据灌注的相关工艺方法事先在模板上开出155 mm×155 mm的上料孔、105 mm×105 mm的捣振孔，在弧形结构的底部及中部设置捣振孔，上料孔和捣振孔错开布置。在圆弧结构的底部的捣振孔两边开出上料孔，上料孔和捣振孔纵向的间距设置为2 500 mm，上料孔也可以兼具捣振孔使用，开孔切出的小块材料固定在工艺孔周围，方便复位的时候取用，最后使用Φ8.5 mm钻头在模板表面开出排气孔用来去除弧形模板上方的气泡。

8 圆弧形状模板的形变情况监控

相关工程技术人员为了了解圆弧形状的模板在灌注阶段的形状改变量，在弧形构造模板上排布了4个监控断面，所有的监控断面均设置3个监控位置，应用相关仪器测得各监控位置的原始参数信息，当水泥混凝土灌注过程中的监控数据大于监控位置的原始数值并且连续改变时，需要立即暂停灌注工作，用下排以及上压的方案对拉螺栓进行紧固，使模板回调到适当的安装区域。在灌注进程中，需要强化监控作业的频率，直到模板的改变量达到稳定的情况[3]。

9 弧形构造技术实际效果

弧形构造单次一体成型的控制方案执行简便，能够改善弧形构造的品质，应用该方案后，材料的利用率可达92.5%，降低了成本并且操作简便，控制弧形构造的圆弧的曲率半径及保护层厚度，降低了拆模以后修补的工作量，提升了弧形构造单次成型的品质。

10 结语

综上所述，弧形构造在水利工程规划设计过程中属于一类常规的构造形式，其具有弧形曲线长度较大、阴角和阳角顺直程度及弧面圆滑程度控制较难的特性，是弧形构造施工过程中的难点，弧形构造使用的是综合性作业技术，通过弧形构造的单次一体成型控制相关技术，结合计算机辅助设计弧形的模板放样及圆弧的曲率半径的把控，可以提升弧形构造的品质，降低施工成本，有较强的实用价值与推广价值。