放水塔工作橋設(shè)計(jì)的有關(guān)問題

吳 釗 呂 磊

（1.西安市水利規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院 陜西 西安 710054；2.西安水務(wù)（集團(tuán)）石砭峪水庫管理有限公司 陜西 西安 710100）

1 前言

這些年來，在水庫除險(xiǎn)加固中，筆者曾參加設(shè)計(jì)的土石壩深式放水隧洞、涵洞（管）進(jìn)口放水建筑物多采用放水塔。放水塔支承結(jié)構(gòu)為支架（框架式）或支筒，支架為多層雙排架，其水平截面為方形或矩形；支筒通常為圓筒或方筒，圓筒水平截面為圓環(huán)，方筒水平截面為方形或矩形，中空。為便于操作管理，放水塔須用工作橋與壩頂或岸邊相連接。

工作橋一般為多跨（等跨）簡支梁橋，近端壩頂或岸上橋臺為圬工實(shí)體擋土墻，中墩多為單排架，當(dāng)墩較高時(shí)采用雙排架，遠(yuǎn)端為放水塔。當(dāng)工作橋軸線布置壩內(nèi)坡（或岸坡）時(shí)，工作橋基礎(chǔ)坐落在壩內(nèi)坡（或岸坡）以下一定深度處。

放水塔工作橋的功能、地形及地質(zhì)條件與一般交通橋差異很大，它的功能主要是通過工作橋運(yùn)送設(shè)備（啟閉機(jī)、有時(shí)有閘門）、部分建筑材料、人員（管理人員）；無汽車荷載，因而上部荷載小，橋面寬度小，橋墩基礎(chǔ)位于壩體內(nèi)坡或岸坡上；橋墩高度大，且愈向庫中高度愈大；壩體承載力小，故橋墩多用單排架，并用擴(kuò)大基礎(chǔ)，高排架可用樁基。

根據(jù)筆者參加設(shè)計(jì)多座放水塔及其工作橋工程的實(shí)踐，今就放水塔工作橋的設(shè)計(jì)方案談以下幾點(diǎn)意見，供設(shè)計(jì)參考。

2 工作橋總體布置

工作橋軸線應(yīng)垂直壩軸線或盡量垂直壩軸線，以減小橋的長度，如橋通向庫岸，亦應(yīng)線路最短。

工作橋?yàn)槎嗫绾喼Я簶颍业瓤纾瓤绾喼Я簶蚝唵危O(shè)計(jì)施工方便。近壩頂或近岸端下部構(gòu)造橋臺為漿砌石或砼重力式擋土墻，遠(yuǎn)端為放水塔。由于上部荷重小，高度大，壩體或岸坡土基允許承載力小，故下部構(gòu)造中墩為單排架，當(dāng)排架高時(shí)可采用雙排架，單排架宜適用15m以下，雙排架宜適用15m以上。因起重機(jī)一般無法到達(dá)大壩迎水坡或水庫岸坡上，故工作橋一般采用滿堂腳手架現(xiàn)澆梁板及排架砼，因?yàn)楝F(xiàn)澆不受起重機(jī)重量的限制，加之上部荷載小，排架高度大，故橋跨應(yīng)采用較大值，一般簡支梁工作橋跨度為10m～20m，這樣可減小排架的數(shù)量，減小工程量。跨度相等，各跨橋板梁尺寸及配筋相同，各跨對排架及橋臺作用力相同，便于設(shè)計(jì)與施工。

3 上部構(gòu)造橋面板梁的設(shè)計(jì)

3.1 上部構(gòu)造

橋面荷載主要是人荷、啟閉機(jī)重、自重等。橋面寬一般采用2m。橋面板梁整體澆筑，橫截面為肋形結(jié)構(gòu)。因?yàn)槭呛喼Я海瑯蛄喊宓暮侠斫孛鏋棣行危?dāng)跨度較小時(shí)，也可采用T形，其中性軸位于梁腹中。橋板按一跨雙懸臂計(jì)算。某水庫放水塔工作橋?yàn)?跨簡支梁橋，各跨跨度相等，每跨為16m，其π形梁截面如圖1。

圖1 梁截面圖

當(dāng)梁跨度10m以內(nèi)時(shí)，可在梁橋兩端支座處設(shè)橫隔梁，將兩梁連接，10m以上跨度，中間宜增設(shè)1～3道橫隔梁。某水庫16m跨度簡支梁共布設(shè)4道橫隔梁。橫隔梁間距5m多。

3.2 上部構(gòu)造梁的支座

簡支梁橋應(yīng)在每跨一端設(shè)置固定支座，另一端設(shè)置活動(dòng)支座。對于多跨簡支梁橋，相鄰兩跨的簡支梁固定支座不宜布置在一個(gè)橋墩上，若個(gè)別橋墩較高時(shí)可在其上布置相鄰兩跨的活動(dòng)支座。對于多跨簡支梁工作橋，壩頂（或岸坡）實(shí)體橋臺及放水塔剛度大，可將固定支座設(shè)在其上，然后各跨按一固定支座一活動(dòng)支座布置，并在最高單排架上布設(shè)2個(gè)活動(dòng)支座。如工作橋?yàn)?跨，設(shè)工作橋橋臺為右端，放水塔為左端，從右端向左端起算，第一跨橋臺設(shè)固定支座，1號排架右側(cè)設(shè)活動(dòng)支座，第二跨1號排架左側(cè)設(shè)固定支座，2號排架左右側(cè)均設(shè)活動(dòng)支座，放水塔設(shè)固定支座。對于其他多跨簡支梁橋支座設(shè)置可按此類推。如果最高排架為雙排架，可在其上布設(shè)一固定支座一活動(dòng)支座，而將兩活動(dòng)支座布設(shè)在最高一個(gè)單排架上。

當(dāng)簡支梁工作橋的標(biāo)準(zhǔn)跨徑小于10m時(shí)，支座可用1cm厚（壓縮后）油毛氈墊層，此時(shí)支座處上部構(gòu)造梁與排架的摩擦系數(shù)為0.5。當(dāng)跨徑10m左右時(shí)，亦可采用平板鋼支座，其摩擦系數(shù)為0.5。當(dāng)橋跨徑為10m～20m時(shí)，可采用平板橡膠支座，平板橡膠支座無固定與活動(dòng)支座之分，板式橡膠支座的摩擦系數(shù)為0.20～0.30。為減小溫度變化時(shí)作用在墩臺上的水平力，滑動(dòng)支座亦可采用聚乙烯板支座，其支座摩擦系數(shù)為0.05～0.1。固定支座設(shè)錨筋，錨筋直接澆入梁及排架砼中，活動(dòng)支座亦可設(shè)錨筋，錨筋下部澆入排架中，上部伸入梁支座處套筒中，套筒中留有梁因溫度變化而產(chǎn)生的伸縮余量，如采用直徑D5mm套筒，深入套筒的錨筋用油麻等柔性材料纏繞包裹一圈。梁端無錨筋約束而處于游離狀態(tài)是不容許的。在地震區(qū)，排架上部支座處兩側(cè)還應(yīng)設(shè)防震擋塊。

4 下部構(gòu)造排架的計(jì)算

位于壩坡上的排架均采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，位于岸坡上排架一般采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，排架高，地基承載力低時(shí)可采用樁基，故排架可視為下端固定上端自由的偏心受壓構(gòu)件。雙排架可按兩個(gè)單排架計(jì)算，這樣計(jì)算簡單且偏于安全，雙排架及單排架應(yīng)分別進(jìn)行沿橋縱向及橫行兩個(gè)方向計(jì)算。

4.1 排架橋縱向的計(jì)算

因排架高度大，單排架沿橋縱向剛度小，沿橋縱向如有偏心荷載或排架頂有水平溫度力作用而不能平衡時(shí)，排架受力最不利。

當(dāng)工作橋各跨高度不相等或雖為等跨，但排架相鄰兩跨，一跨滿荷，一跨無活荷，此時(shí)排架偏心受壓，此種情況是排架一種不利情況。

當(dāng)溫度變化時(shí)，如工作橋跨度相等，且各跨荷載相等，則上部構(gòu)造作用在排架上的豎向荷載無偏心，且各支座水平摩擦力相等，作用在排架上水平摩擦力相抵消，排架軸心受壓。當(dāng)工作橋各跨高度不等或雖等跨，但各跨活荷不等，此時(shí)作用在排架上豎向荷載不僅有偏心，而且溫度產(chǎn)生的支座水平摩擦力因不相等而不能抵消，排架受力不利，應(yīng)為另一種計(jì)算情況。

4.2 排架橫向計(jì)算

工作橋橫向剛度小，而上部構(gòu)造縱梁橫向迎風(fēng)面大，風(fēng)荷大；且橋重量集中在上部構(gòu)造縱梁上，頭重腳輕水平地震荷載大，這兩種情況上部構(gòu)造梁作用在排架頂端橫向水平力大。當(dāng)上部構(gòu)造豎向荷載最小時(shí)（梁上無活載），排架遇設(shè)計(jì)風(fēng)荷，排架橫向受力最不利，橫向計(jì)算應(yīng)該包括這兩種情況。同時(shí)此時(shí)，排架的穩(wěn)定性最小，應(yīng)按此兩種情況進(jìn)行排架橫向穩(wěn)定性計(jì)算。

排架橫向計(jì)算應(yīng)包括以下幾種情況：

（1）空庫，上部構(gòu)造豎向荷載最大，無水平荷載；

（2）空庫，上部構(gòu)造豎向荷載最小，橋橫向的水平風(fēng)荷最大；

（3）空庫，上部構(gòu)造豎向荷載最大，橋橫向?yàn)樵O(shè)計(jì)水平地震荷載；

（4）滿庫時(shí)排架在水中，此種情況可能對排架計(jì)算不起控制作用；

（5）其他情況。

4.3 排架穩(wěn)定驗(yàn)算

排架為高聳建筑物，應(yīng)進(jìn)行抗滑抗傾穩(wěn)定驗(yàn)算。

排架縱向穩(wěn)定驗(yàn)算，應(yīng)考慮到有剛度較大的近壩（或近岸）端實(shí)體圬工橋臺及放水塔支撐，而每個(gè)排架上端又有梁約束。

當(dāng)上部構(gòu)造豎向荷載最小，而橫向風(fēng)荷最大或?yàn)樗皆O(shè)計(jì)地震荷載時(shí)，排架橫向抗滑抗傾穩(wěn)定性最小（特別是后者），應(yīng)對此兩種情況進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。

4.4 排架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)注意下面兩個(gè)問題：

（1）地基允許承載力應(yīng)采用水中飽和土的地基久許承載力；

（2）庫中有水時(shí)，下部構(gòu)造及其基礎(chǔ)容重計(jì)算可采用下列計(jì)算中的任一種：一是排架及基礎(chǔ)均采用干容重，計(jì)入基礎(chǔ)面上下水壓力，所得地基應(yīng)力不含基底浮力；二是水上排架用干容重，水下排架及基礎(chǔ)用浮容重，不計(jì)基礎(chǔ)上下面水壓力，所得地基應(yīng)力不含浮力。

5 結(jié)語

放水塔工作橋的功能、荷載、地形地質(zhì)條件、布置、形式等與一般交通橋差異較大，至今還未見一種文獻(xiàn)對放水塔工作橋設(shè)計(jì)做過全面論述，本文筆者根據(jù)自己的實(shí)踐，對此作了嘗試，其結(jié)果可供設(shè)計(jì)者參考。陜西水利