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全国市政工程行业科技成果展示:大型空间曲壳体水工结构建造关键技术研究

    “大型空间曲壳体水工结构建造关键技术研究”项目于2013年7月立项,2016年7月完成并通过了北京市住房和城乡建设委员会组织的项目成果鉴定。该项目研究由北京市政建设集团有限责任公司、北京交通大学、北京市市政三建设工程有限责任公司承担。该项目先后获得“全国市政行业2016年度市政工程科学技术奖”一等奖及2016年度“北京市政路桥集团有限公司科学技术奖”一等奖,其研究成果适用于大型水厂机械加速澄清池结构的建造施工。

    项目研究关键技术要点

    “大型空间曲壳体水工结构建造关键技术研究”项目依托北京市南水北调市内配套工程——郭公庄净水厂(一期)工程机械加速澄清池施工项目进行,该项目研究的关键技术要点如下。

    根据以直代曲的相关理论,将机械加速澄清池大型空间曲壳体水工结构的锥形壳体内模在水平环向上均匀划分为80等份,可使每单元之间的模板相互通用。每单元2根工字钢龙骨之间,沿斜向自上向下分为8块模板,每块模板的长度均为900 mm,使每层模板安装后混凝土浇筑高度一致,便于施工振捣作业,使上下层混凝土衔接密实,同时也保证了圆弧曲率。

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加速澄清池曲面壳体结构底摸支架系统施工

    通过制作模板专用加工模具,保证了模板加工精度,使模板加工误差控制在3 mm以内。采用18 mm厚竹胶板及35 mm厚的方木作为肋板,可确保模板刚度,保证在浇筑混凝土过程中插模不发生超限变形。

    采用工字钢作为单元之间龙骨,充分利用工字钢强度、刚度优点并可反复周转使用。工字钢龙骨固定牢固,在混凝土浇筑过程中,工字钢龙骨不发生超限位移,混凝土表面曲率、平整度均达到要求。

    将每块插模进行编号,将编号的单块插模插入2根工字钢之间后,使用木楔子插入模板肋板与工字钢翼缘之间备紧,手锤敲击木楔松动后即可拆除。模板缝封堵海绵条防止漏浆。通过此种方法进行安装,保证插模之间模板安装严密,无错台,模板表面平整,模板安、拆速度快,效率高。

    与混凝土搅拌站联合制定详细浇筑方案:每个壳体采用1台混凝土泵车进行混凝土浇筑;浇筑时自下向上逐层插模进行浇筑,每层混凝土浇筑时按照顺时针方向进行,人工采用振捣棒将混凝土振捣密实。在搅拌站设专人进行联系、盯守,确保混凝土准时发出,保证现场始终有3辆混凝土运输车等待浇筑。采用上述浇筑方法,使壳体混凝土分层连续浇筑,一次成型,不出现施工缝。

    每层模板范围内混凝土分2层浇筑,每层厚度30 cm;与人工使用振捣棒振捣及插模安装的工效相匹配;同时在搅拌站设专人进行指挥,控制混凝土运输车的发车间隔,在保证混凝土连续供应的同时,防止混凝土发送过快,造成现场混凝土运输车过多。每层模板范围内混凝土浇筑时间控制在70分钟,整个壳体混凝土浇筑时间控制在7~8小时。

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加速澄清池曲面壳体结构插摸及混凝土浇筑施工

    项目关键技术创新点

    该项目研究的关键技术及创新点如下。

    1)提出了一种用于大型空间曲壳体水工结构的分层、交替、往复式插模施工工艺,实现了结构无对拉螺栓,无水平施工缝一次连续浇筑成型,有效提高了水工构筑物的耐久性与抗渗性。

    2)利用以直代曲、混凝土初凝时间、振捣棒等控制因素,研制了一套大型空间曲壳体水工结构模板设计模型并开发了相应的软件分析系统,已经成功应用于郭公庄水厂工程,并取得了软件著作权“曲面壳体水工构筑物结构模板及支架设计软件”(登记号:2015SR241827);申请了发明专利“一种圆台水工构筑物内模板尺寸确定方法”(专利号:201510885427.9)。

    3)针对水工构筑物支护结构稳定性对于水厂机加池尺寸影响较大等难点,研制了一套大型空间曲壳体结构模板支护体系稳定性分析软件系统,并已经在实际工程中成功应用,取得了软件著作权“曲面壳体水工构筑物结构模板及支架力学分析软件”(登记号:2016SR009756),申请了发明专利“一种倾斜支架稳定性检算方法”(专利号:201510885659.4)。

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竣工后的加速澄清池曲面壳体结构外观

    与国内外同类技术的比较

    机械加速澄清池是目前大型水厂中重要的水处理构筑物。由于水工构筑物结构应具备抗渗性强、整体稳定性强等特点,所以在施工过程中要尽量避免少设对拉螺栓、施工缝等,以便从根本上杜绝水工构筑物渗漏的隐患。郭公庄水厂机械加速澄清池每个池体直径29 m,深8 m,池体容积2 979 m3,池体环形斜壁厚400 mm,斜壁表面积593 m2,是目前国内供水行业中单池容积最大的大面积曲面壳体结构机械加速澄清池。“大型空间曲壳体水工结构建造关键技术研究”项目首次提出采用以直代曲的理论进行模板分割,斜壁采用无对拉螺栓无水平施工缝的模板架设体系,并开发设计了辅助计算机设计系统,结合理论比选,现场试验及工程实践等成果研究,形成了大型空间曲壳体水工结构的创新性施工工法。通过查新,国内外尚未见同类技术,该项目成果与国内外同类技术比具有工期较短、经济效益明显等优点,技术处于国际先进水平。

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投入运行后的加速澄清池

    项目应用成果与效益

    该项目研究成果在北京市南水北调市内配套工程郭公庄水厂(一期)工程机械加速澄清池施工中得到应用。该项目研究技术成果的应用,大大提高了机械加速澄清池曲面壳体结构的施工效率,保障了水工混凝土结构的施工质量,取得了很好的社会效益和经济效益。

    经济效益 1)缩短工期:该工程12座机械加速澄清池曲面壳体结构施工计划工期60天,采用该项技术创新成果后,实际施工只用时40天,节省工期20天。2)节约成本:根据现场测算,模板可实现3次周转使用,经济合理。在模架安装阶段单池体593 m2,常规方法需15人10天完成,插模方法只需15人3天完成,节省工力105工日。南北两系12座机加池共计节约工日105×12=1 260工日,仅人工费一项即节约33万元。本工程共节约成本约40万元。

    社会效益 目前,净水处理厂机械加速澄清池普遍为锥形壳体结构,而大型空间曲壳体水工结构历来是水厂水工结构施工的重点、难点。该项目研究成果应用于郭公庄水厂机械加速澄清池的施工建造,形成了一套适合大型空间曲壳体水工结构建造的标准化插模、薄壁混凝土抗裂施工工法及关键技术,编制开发了具有自主知识产权的设计和施工辅助分析软件系统,对推动标准化插模、薄壁混凝土抗裂技术在曲面壳体水工结构以及类似异形建筑结构中更大范围的应用具有积极的推动作用,社会效益显著,推广应用前景良好。

    (北京市政建设集团有限责任公司 供稿)

    注:本文刊载于《市政技术》2018年第3期,第1、2页。