小井溝倒沖溝拱式渡槽支架的設計與計算

李　斌，　張 連 順，　朱 金 衛

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都　610072)

小井溝倒沖溝拱式渡槽支架的設計與計算

李斌，張 連 順，朱 金 衛

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都610072)

摘要：小井溝倒沖溝渡槽由承臺及拱座、主拱圈、排架柱及槽身四部分組成，主拱圈為空腹式雙片肋拱結構，單跨度80 m，矢高20 m。根據地形條件，采用鋼管柱、貝雷梁和碗口架形成的組合支架作為主拱圈施工支架，加快了施工進度，減少了施工措施費支出，取得了較好的經濟效益和社會效益。介紹了該渡槽主拱圈施工支架的設計及安全穩定性計算，可供類似工程參考。

關鍵詞：倒沖溝；拱式渡槽；組合支架；設計計算；小井溝水利工程

1工程概述

圖1　倒沖溝渡槽立視圖

倒沖溝拱式渡槽為小井溝水利工程輸水干渠Ⅱ標段的重要建筑物，全長228.98 m，進口底板高程401.514 m，出口底板高程401.361 m，坡降為1/1 500。渡槽主要結構由承臺及拱座、主拱圈、排架柱及槽身4部分組成。主拱圈為空腹式雙片肋拱結構，單跨度80 m，矢高20 m，肋拱間采用橫系梁連接，混凝土強度等級C40；承臺及拱座為實體重力式結構，混凝土強度等級C20；排架柱設計為單排架，橫截面尺寸為70 cm×90 cm，設計最大高度為20 m，混凝土強度等級C25；槽身為U型薄壁結構，斷面尺寸為4.3 m×3.52 m，拱上單跨槽身長度為6.5 m，拱下單跨槽身長度為12 m。倒沖溝渡槽立視圖見圖1。2現澆支架方案的選擇

根據渡槽所處位置的地形、地貌特點，結合項目實際情況，可供選擇的現澆支架主要有滿堂扣件式(碗口式)鋼管架和鋼管柱加貝雷梁以及局部碗口架的組合支架。由于主拱圈拱頂距離溝底原始地面最大高度超過40 m，搭設滿堂腳手架工程量大，對架體穩定性要求高，而且還需要進行大面積的地基處理，同時也考慮到溝底汛期的行洪安全以及當地村民的正常通行。從經濟性、安全性、可行性等方面綜合考慮，決定放棄滿堂腳手架作為現澆支架的方案，選用鋼管柱和貝雷片以及局部碗口架組合支架作為渡槽拱圈部分的施工支架，主拱圈兩側及上部高架渡槽施工采用搭設扣件式腳手架作為施工支架。

3組合支架的設計

圖2　主拱圈現澆支架立面布置圖

根據拱式渡槽結構設計圖，結合現場地形特點，拱肋組合支架采用鋼管柱-貝雷片-碗扣架支架現澆，整個支架分為三段，由直徑630 mm的鋼管、貝雷梁、φ48×3.5 mm碗扣架等組成(圖2)。鋼管柱+貝雷片現澆支架桿件均采用螺栓或卡扣連接；支架基礎混凝土預埋螺桿與鋼管柱連接，鋼管柱豎向采用法蘭盤連接并設置加筋板。下面分別就以上三部分支架設計進行詳細介紹。

3.1碗扣腳手架的設計

布置在拱肋與貝雷片之間的高低部分分三段，中間高，兩側低，碗扣架采用φ48×3.5 mm標準鋼管，起架3層，步距為60 cm，以上均為120 cm，拱肋底板以下腳手架立桿縱橫距為0.6 m×0.6 m，其余部位腳手架立桿縱橫距為0.6×0.9 m，支架寬度為2 m×0.9 m+8 m×0.6 m+2 m×0.9 m=8.4 m，架體四周及內部增加剪刀撐，以抵抗拱圈澆筑時的水平推力，保證支架具有足夠的穩定性。

3.2鋼管柱-貝雷片支架設計

拱肋采用鋼管柱-貝雷片支架現澆，支架系統由下而上依次為：支架基礎、鋼管柱撐架、橫梁、貝雷桁架縱梁和分配梁等。

鋼管樁基礎采用C25混凝土擴大基礎。承臺采用5 m×10 m×1.5 m。 鋼管柱采φ630×12鋼管，用I20a做平聯連接和斜撐，5 m設置一道。鋼管柱豎向采用法蘭盤連接。橫梁采用2I40，長度為9 m，按照橋梁中心線對稱布置，橫斷面與橋梁中心線垂直。在安裝2I40時必須設置險位卡，防止2I40側移和傾覆。 橫梁2I40共設8根，在2I40上安裝貝雷片，貝雷片沿橋梁中心線向兩邊對稱布置，中心間距為180 cm，共計5組。在安裝貝雷片時要設置限位裝置，以防止貝雷片滑移。在貝雷片上橫向布設I20a，間距為60 cm，用U型卡在貝雷片上固定，最后在分配梁上搭設碗扣腳手架。

4組合支架安全穩定性計算

4.1碗扣式支架結構受力計算

4.1.1計算工況及荷載取值

計算工況的選擇：拱肋在澆筑過程中，碗扣鋼管支架所受到的荷載主要有：拱肋混凝土自重、模板荷載、施工荷載、混凝土振搗荷載等。根據設計要求，整個主拱圈分5段現澆，段間設有混凝土濕接縫，分段澆筑，在施工過程中要求對稱澆筑，拱圈及施工荷載通過模板、上方木、碗扣支架等傳遞給鋼管貝雷片支架，碗扣支架按照整體考慮。在拱肋混凝土澆筑過程中，支架要承受拱圈水平分力的作用，但其值很小，在碗扣支架施工過程中增加斜撐即可以抵抗，因此，此次計算主要考慮豎向荷載。按照《建筑施工碗扣式腳手架安全技術規范》進行以下施工荷載取值：

(1) 豎向荷載(SX)：梁體重量+支架自重+施工臨時荷載。

支架自重標準值(含模板、木方)：x1=3kN/m2；新澆混凝土自重標準值(含鋼筋)：x2=25 kN/m3；施工人員及設備活荷載標準值：x3=2kN/m2；振搗、泵送混凝土時產生的荷載標準值：x4=4 kN/m2；

(2)橫向荷載(HX)：橫向風荷載Q3=1kN/m2；

(3)縱向荷載(ZH)：縱向風荷載Q4=0.4 kN /m2；

(4)荷載組合(CB1)：豎向荷載+0.9×(橫向荷載+縱向荷載)。

根據上述數據建立有限元模型，建模時支架高度取18 m(最高跨)的跨進行計算，其寬度為8.4 m，長度取1跨15 m。采用φ48×3.5 mm碗扣式腳手架，材料為Q235鋼，通過MIDAS軟件進行計算。

4.1.2碗扣立桿受力計算結果

根據有限元模型分析結果，在最大荷載組合效應下，立桿的最大軸力見圖3、4。

圖3　梁單元組合應力圖(單位：MPa)

根據計算結果得知，支架最大位移為DZ=-1 mm(豎向)；支架最大組合應力為25.54 MPa,< 205 MPa；安全系數為8；支座最大反力：12.3 kN<[N]=40 kN；最大軸力：12.5 kN<[N]=40 kN；經以上計算得知，立桿均滿足受力要求。

4.1.3碗扣架穩定性驗算結果

根據模型計算得知，最大軸壓力為12.5 kN，對最大軸力考慮1.7的綜合影響系數，則考慮影響系數的最大軸壓力為21.25 kN。根據實復式軸心受壓桿件的穩定性計算公式，則有：σ=N/A= 21.25×103/(4.89×102)= 42.6(N/mm2)<205×0.829=169.945(N/mm2)，故桿件的穩定性滿足要求。同樣，按此計算其徑厚比(D/τ)為100，故桿件的局部穩定性滿足要求。

圖4　支座反力圖(單位：kN)

4.2貝雷梁支架結構受力計算

拱肋采用鋼管柱-貝雷片支架現澆，支架系統由下而上依次為：支架基礎、鋼管柱撐架、橫梁、貝雷桁架縱梁和分配梁等。

4.2.1分配梁I20a受力計算

(1)荷載取值。

分配梁所受荷載為碗扣腳手架的支座反力。其荷載分布見圖5。

(2)計算成果。

采用midas軟件對其受力進行模擬分析，其組合應力分布情況見圖6、剪應力分布情況見圖7。

根據上述分析，組合應力最大應力值為7.65 MPa；最小應力值為-2.7 MPa。7.65 MPa<[σ]=170 MPa ，滿足要求。 剪應力最大應力值為7.2 MPa，最小應力值為-6.6 MPa。7.2 MPa<[τ]=110 MPa ，滿足要求。

4.2.2貝雷梁計算

全橋貝雷梁最大跨度均為12 m，通過MIDAS模型對該跨貝雷梁進行整體和局部受力分析。取最高橋跨為分析對象， 貝雷梁支架為簡支梁(圖8)。

荷載通過搭設在貝雷片上弦桿的分配梁傳遞給貝雷片。通過MIDAS整體建模分析的組合應力、剪應力和擾度計算結果分別見圖9、10和11。

圖5　分配梁I20a荷載分布圖(單位：kN/m)

圖6　分配梁[12.6組合應力分布圖(單位：MPa)

圖7　分配梁[12.6組合剪應力分布圖(單位：MPa)

圖8　貝雷梁支架結構離散圖

圖9　貝雷梁弦桿組合應力圖(單位：MPa)

圖10　貝雷梁弦桿剪應力圖(單位：MPa)

圖11　貝雷梁位移曲線圖

從以上應力圖可以看出，組合應力出現在下弦桿與工字鋼橫梁的交界處，最大組合應力為157.77 MPa，最小組合應力為-156.51 MPa。因157.77 MPa<[σ]=205 MPa ，故其滿足要求。

最大、最小剪應力出現在上弦桿。最小剪應力為-55.56 MPa ，最大剪應力為56.48 MPa，因56.48 MPa<[τ]=205 MPa ，故其滿足要求。

貝雷梁最大撓度出現在跨中支撐架部位，最大撓度為-15.8 mm(向上為正)。小于最大允許撓度[v]= 12 000/400=30 mm，滿足要求。

考慮到拱肋混凝土分兩次澆筑，通過MIDAS建立貝雷片支架屈曲模態圖，經過計算分析，其特征值為4.94，滿足穩定性要求。

4.3橫梁2I40受力計算

圖12　橫梁2I40組合應力圖(單位：MPa)

共設 橫梁2I40 8根。考慮到其受力規律，靠近跨中的工字鋼橫梁受力最不利，局部應力也最大。在MIDAS模型中，通過上分配梁荷載傳遞給貝雷片，再由貝雷片分配給下部的工字鋼橫梁。用MIDAS軟件對其受力進行模擬計算，其組合應力、剪應力和撓度計算結果分別見圖12～14。

圖13　橫梁2I40剪應力圖(單位：MPa)

圖14　橫梁2I40擾度分析圖(單位：MPa)

通過計算，組合應力最大應力值為53.94 MPa，最小應力值為-111.31 MPa。111.31 MPa<[σ]=170 MPa ，故其滿足要求。剪應力最大應力值為52.96 MPa，最小應力值為-52.94 MPa。因52.96 MPa<[τ]=110 MPa ，故其滿足要求。最大撓度 νmax=-4 mm，小于最大允許撓度 [v]= 3 600/400=9 mm，滿足要求。

4.4鋼管樁φ630×12受力計算

取最高跨鋼管柱進行計算，計算高度為28 m，通過MIDAS軟件對其受力進行模擬計算，鋼管樁軸力、應力結果分別見圖15、16。

從以上受力圖可以得出，鋼管樁的最大支座反力為357 kN，鋼管樁的最大軸力為550 kN，鋼管樁的最大軸向應力為48.4 MPa<210 MPa，強度滿足要求。

取最高的28 m鋼管柱計算其穩定性，底部視為固結，每5 m設一道20a型槽鋼為平聯連接和斜撐，取縱橋向鋼管失穩為控制研究對象。鋼管群視為帶側移排架，取28 m一節鋼管立柱(i=24.75cm)為 分 析 對 象，通 過 計 算：N/(φA)= 768 000/(0.324×23 286)=101.79 N/mm2<210 N/mm2。其穩定性滿足。

4.5地基承載力計算

除布置在承臺上的鋼管樁外，其余均采用擴大基礎，跨中鋼管樁基礎采用C25混凝土擴大基礎。承臺采用5 m×10 m×1.5 m。根據上述計算結果得知，鋼管樁的最大支座反力為527 kN；根據《建筑地基基礎設計規范》及現場地基的土質情況，fk按照180 kPa進行取值。通過計算，地基承載力Pk為100.74kPa

圖15　鋼管柱軸力圖(單位：kN)

圖16　鋼管柱軸應力圖(單位：MPa)

5結語

(1)實踐證明小井溝倒沖溝渡槽由于現場地形條件限制，采用鋼管柱、貝雷梁和碗扣架的組合現澆支架方案是可行的。實際搭設共使用鋼管柱、貝雷片、工字鋼和碗扣式腳手架等鋼材總重量為400t，比原來設計考慮扣件式滿堂腳手架節約鋼材250t，比干渠沿線相同跨直徑的渡槽搭設時間縮短至少一個月，采用這種組合支架的優勢相當明顯。

(2)由于臨時墩基礎持力層為中等風化的巖石，因此，對基礎采用了現澆混凝土條形基礎，在拱肋混凝土澆筑過程中，基礎沉降幾乎為零，整個支架最大豎向位移為20mm(最高跨貝雷梁中部)，橫向位移幾乎沒有。原來由專家論證提出的在最高鋼管立柱上兩側各增加兩根纜風繩以抵抗架體在混凝土澆筑過程中發生橫向位移，事實證明，本組合支架的設計完全可靠，安全系數也是完全有保證的，所增加的纜風繩并沒有發揮出其作用，是富裕的。

(3)鋼管柱、貝雷梁和碗扣架組合形成的現澆支架與滿堂鋼管架相比具有地基處理量小、變形小、整體穩定性好和施工速度快等優點，值得今后在類似工程中推廣使用。

李斌(1974-),男，甘肅嘉峪關人，工程師，從事水利水電、房屋建筑工程等施工技術與管理工作；

張連順(1984-)，男，青海西寧人，工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

朱金衛(1987-)，男，重慶巴南人，助理工程師，從事水利水電、城市深基坑支護、地基加固等施工技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

黃金坪電站特大型閘門制作完成

近日，由水電五局制安分局第一水工機械廠承制的大渡河黃金坪水電站特大型閘門等4 922t的金屬結構工程制作完成。黃金坪水電站位于大渡河上游甘孜州康定縣境內，系大渡河水電基地干流水電規劃“三庫22級”的第11級電站，電站動態投資約120億元，總裝機容量85萬kW，與上游雙江口、長河壩水電站聯合運行，設計年發電量38億kW·h。該電站4 900t金屬結構制作任務主要包括泄洪洞、導流洞、溢洪道和引水發電系統閘門及攔污柵、啟閉機制造采購，閘門多為大型、超大型。2012年1月，水電五局機電制造安裝分局第一水工廠中標承擔了黃金坪水電站4 922t的金屬結構制作任務，金屬結構制作工程先后通過了業主、設計、監理、安裝等單位組成的6次出廠驗收工作。

收稿日期:2015-01-07

文章編號:1001-2184(2015)03-0084-06

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV751；TV757；TV761；U441

作者簡介: