潘雪松

（辽宁省朝阳水文局，辽宁朝阳122000）

PCCP输水工程大型空间弯头整体安装新工艺

潘雪松

（辽宁省朝阳水文局，辽宁朝阳122000）

大型pccp管道空间弯头的安装既是管道安装的难点，也是安装的重点。文中通过对空间弯头吊装最佳吊点布设、起吊钢丝绳内力计算和吊装钢丝绳选择、钢桁架受力分析与制作安装等一系列的改进，由传统的分节安装改进为整体安装，达到了保证安装质量、提高工作效率、节省工程投资的目的。对类似工程管配件设计和安装施工都具有指导作用。

大型空间弯头；整体安装；新工艺；PCCP管道

1 研究与应用背景

辽宁省某重点输水工程，PCCP输水管道线路总长373 km，管径范围在3.2～3.8 m，工作压力范围0.6～1.6 MPa，有空间弯头142个，长度范围在3.27～11.5 m，角度范围在2.04°～34.62°，单件重量范围在17.74～62.39 t。

管道输水工程施工过程中不可避免地要应用空间弯头管件，大型空间弯头管件的安装一直是PCCP管道安装施工中的难点：安装时节点两端承插口管头方位角和高程控制难度大；空间弯头安装质心与型心不一致，甚至不在管件上；空间弯头设置的位置往往地形较为复杂，吊装难度大；大型空间弯头存在固定难度大的问题。根据传统施工工艺，在2006年国家批准的《特大型PCCP安装施工工法》（国家级法）中，主要详细阐述了大型PCCP管道标准管的安装方法，对排气三通、排水三通及各种弯头管件安装只提出了安装要求，没有具体的安装工艺。而在实际安装过程中，对于长度大于7 m的配件弯头，采取管厂分节提供，现场拼接的安装方法。由于空间弯头不具有对称性，且混凝土管道工程中所用的空间弯头平面既不水平也不垂直。基于以上不利因素，空间弯头的安装不但费时费力，而且精度很难保证。

针对这一问题，该工程研究采用了一套大型空间弯头管件整体安装的新方法，从吊具、钢桁设计到吊点布设技术提出一套解决方案，可极大地提高PCCP施工过程中关键部位的施工效率和安装质量。

2 吊装最佳吊点布设

结合空间弯头厂内吊装试验，在实际安装中采用4点起吊，其中一点为插口端固定吊点，一点为承口端可调节吊点，另两点为弯头内侧可调节吊点，内侧位置可进行微调，吊点位置可进行微调，因此该吊装模型可简化为双悬臂简支梁进行计算，其受均布荷载q作用（即为空间弯头自身重力），其最合理的吊点位置是负弯矩（Mc，Md）与跨中正弯矩（Mmax）绝对值相等的吊点处，承口端至吊点的距离x与承口端长度L之间的关系见公式（1）。

式中：q——均布荷载，kN；x——承口至吊点的距离，m；L——承口端长度，m。

结合实际工程中的可操作性，吊点至插口端位置选为1.0 m。

3 起吊钢丝绳内力计算

图1 空间弯头承口端起吊钢丝绳的内力计算简图

根据所吊空间弯头的重量、钢丝绳的根数和钢丝绳与水平夹角的大小，可计算空间弯头起吊钢丝绳的内力，将空间弯头分为承口端和插口端两部分进行计算，承口端内力计算简图如图1所示，计算公式：

式中：S——单根钢丝绳所承受的内力，kN；Q——所吊弯头承口端的重力，kN；n——钢丝绳的支(根)数；α——钢丝绳与水平面的夹角，一般为45°～60°，最小不小于30°；Sb——钢丝绳的破断拉力总和，kN，可由钢丝绳规格及荷重性能表查得，也可近似按Sb= 0.5d2计算，其中d为钢丝绳直径，mm；k——钢丝绳安全系数，取值范围为5～6。计算结果见表1。

表1 钢丝绳破坏拉力极限值表

4 吊装钢丝绳选择

对钢丝绳的选定应遵循上述计算原则，即选用的钢丝绳其破坏拉力总和应大于计算的临界值。因此，选用可满足工程需要的钢丝绳作捆绑吊索，其钢丝绳的钢丝破坏拉力总和大于计算临界值，即可满足要求。根据计算结果，选择钢丝绳的破坏拉力应大于310 kN，钢丝绳直径与破坏拉力成正比。钢丝绳直径的计算公式：

由计算Sb＞310 kN，即d＞25.16，因此钢丝绳的直径至少选择为26 mm，考虑施工实际情况，选择30 mm钢丝绳进行吊装，并同时配备吊链、卸扣，满足工程施工要求。

钢丝绳与空间弯头相接触部分，采用橡胶或麻袋布等柔性材料包覆后才能进行空间弯头吊装，以防止钢丝绳刮损管道。

钢丝绳长度的计算公式：

式中：L——钢丝绳长度，m；D——弯头外径，m；L1——承口端长度，m。

根据计算及实际工程需要，a线、b线和c线分别选择2个5 t吊链、2个5 t卸扣及2个10 t吊链，以满足工程需求。实际施工中考虑到便于统一施工管理等实际因素，选择a线、b线和c线中钢丝绳最长的一组作为统一的钢丝绳长度进行吊装，即共使用7条钢丝绳，其中7号钢丝绳长21 m，1号和 2号钢丝绳分别长14 m和6 m，并配用2个10 t吊链，3号和4号钢丝绳长16 m，并配用2个5 t卸扣，5号和6号钢丝绳长1.5 m，并配用2个5 t吊链，经过在施工现场的试验论证，该装置有效可行，具体吊装如图2所示。

图2 空间弯头管件示意图

5 钢桁架受力分析与制作安装

5.1 受力分析

根据管件加固方式及钢桁架支座样式，空间弯头材料的连续性、均匀性等性质，将空间弯头的受力情况简化为作用在杆件轴线上的力，杆件用轴线表示，杆件之间的连接区用结点表示，桁架的所有结点都为铰结点，杆长用结点间的距离表示，力的作用点也转移到轴线上。简化桁架的支座如图3所示。

图3 钢桁架支座计算简化图

由图3可知，此桁架支座为一次超静定结构，切断多余链杆，在切口处代以未知轴力，其基本体系如图3（b）所示（其中各杆件均以序号表示）。利用多余约束处的变形条件：基本体系沿X方向的位移应与原结构相同，即等于0。因此可写成△1= 0，其中，△1是基本体系沿X1方向的位移。将基本体系在荷载和未知力X1作用下的位移△1分解，先分别计算基本结构在每种力单独作用下的位移：荷载单独作用时，相应位移为△1p；单位力X1= 1单独作用时，相应位移为δ11，未知力X1单独作用时，相应位移为δ11X1。由叠加原理，得△1=δ11X1+△1p，因此变形条件为δ11X1+△1p=0，由此得一次超静定结构的力法基本方程，计算结果见表2。

表2 轴力Fn的计算

根据轴力公式计算结果可知，桁架中轴力最大为1.024F，选择直径为75 mm的钢管，参考相关规范可得其抗压承载力为24 kN，因此Fn= 1.024F≤［σ1］·A，其中A为准75钢管的面积，由此可得F≤24.54 kN。

因此，综合以上两方面因素，a线需要设置8个桁架，b线需要设置10个桁架，c线需要设置12个桁架。

5.2 钢桁架制作与安装

拼装胎架设置：各桁架结构尺寸一致，拼装过程设置标准胎架。拼装胎架场地需硬化处理，防止桁架拼装过程中发生胎架下陷，影响桁架拼装进度。拼装胎架采用槽钢焊接而成，根据桁架立拼时各节点的相对高差进行全站仪放样，焊接相应位置牛腿，以便桁架拼装过程中构件临时就位（如图4所示）。

拼装测量：桁架由准75的钢管组成，底边长2.8 m，立体高度0.6 m，上边长2.1 m，侧边长0.7 m。共有a线、b线和c线3个空间弯头，故每横排摆放3个桁架，每个桁架相隔2.9 m。在拼装过程中采用全站仪进行全程拼装监测，从桁架弦杆就位开始，严格控制各杆件汇聚点的位置。

图4 钢桁架支座细部图

6 结论

根据理论研究提出多管同槽大直径PCCP空间弯头现场整体安装技术，采用4点吊装、拉链微调技术，确保了安装精度。结合钢桁架固定，实现了快速、准确对接安装，确保工程质量。

通过应用空间弯头整体安装技术，现场施工的进度得到了很大的提高，工程建设的质量保证和进度保障能力均得以增强。在保证安全生产的同时，加快了建设进度，提高了工作效率，极大地缓解了工程建设进度压力。同时该技术的应用为施工及各级建设管理单位节省了大量的人工投入成本。该工程全线的所有大直径PCCP空间弯头已全部安装完成，全部满足精度要求。证明了该大型空间弯头管件整体安装新工艺的理论研究通过了实践检验，具有良好的应用前景和推广价值。

［1］黄兵.超长大口径空间弯头整体安装技术研究［J］.东北水利水电，2015（6）.

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2016-08-22