碗扣式支撐架在大跨徑超高拱形渡槽中的應(yīng)用

□蘇衛(wèi)濤 □楊長庚 □盧 瑕 □趙培森

（1河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司 2中國人民解放軍96251部隊工程處）

1 工程概況

仙口河渡槽位于濟(jì)源市大峪鎮(zhèn)橋溝村南，渡槽設(shè)計流量為30m3/s，仙口河渡槽總長390m，其中槽身段長372m，槽身采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土矩形槽結(jié)構(gòu)，槽身斷面（寬×高）為3.50m×3.70m，槽底縱比降1/600，槽身段的14～344m部分采用空腹拱式渡槽，分為6跨，每跨跨徑55m，矢高12.50m，板式拱圈，拱寬4m，排架式拱上結(jié)構(gòu)，橋墩柱最大高度為30m，其結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 渡槽立面圖

2 架體結(jié)構(gòu)和計算

2.1 支撐架選擇

渡槽支撐采用復(fù)跨肋拱，拱圈采用等截面C30鋼筋混凝土雙曲板拱，截面寬度為4000mm，高度由900mm（拱頂）漸變至1390mm（拱腳），該渡槽具有高度大、跨度大、橫斷面小、縱斷面長的特點，因此，該支撐架搭設(shè)其同樣具有這樣的特點。結(jié)合肋拱混凝土要求有效作業(yè)時間短，需要在短時間內(nèi)完成混凝土澆筑作業(yè)，作業(yè)量大，安全要求高，通過對碗扣式支撐架與扣件式支撐架的比較，選擇了以碗扣式支撐架為主，扣件式支撐架和貝雷片為輔的搭設(shè)方案：碗扣式支撐架承擔(dān)主要部位承重及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定任務(wù)，扣件式支撐架承擔(dān)異形和邊角部位承重及穩(wěn)定任務(wù)，貝雷片連接各槽墩，增加縱向整體剛度，主要承擔(dān)槽墩縱向部分水平荷載。

根據(jù)工程布置，并取拱圈位于最大高度部位，即第3跨拱頂處對其進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)受力分析計算。橫斷圖見圖2。

圖2 渡槽碗扣式支撐架橫剖面圖

2.2 支撐架參數(shù)

支撐架參數(shù)：橫向間距或排距0.60m，縱距0.60m，步距0.90m；立桿上端伸出至模板支撐點長度為0.10m，支撐架搭設(shè)高度45.00m；采用的鋼管為Φ48×3.50(mm)。在外側(cè)全立面上下、左右連續(xù)設(shè)置剪刀撐，并由底部延伸到頂部大橫桿以上，剪刀撐按水平距離3m(即每5跨)設(shè)置一道，與水平夾角為50.20°，在剪力撐頂部交點平面，應(yīng)設(shè)置連續(xù)水平剪力撐。板底支撐連接方式為方木支撐，鋼管頂部采用頂托式支撐，頂托上放置10號工字鋼，方木放置在工字鋼之上，墩頂拱腳處高度設(shè)置一個竹笆腳手板平臺，平臺兩側(cè)各設(shè)置一道321貝雷片，用來承擔(dān)水平力，

2.3 荷載計算

2.3.1 永久荷載

①支撐架立桿承受的每米結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值查得：gk=0.16kN/m。立桿底部自重荷載：gk×L=0.16×45=7.25 kN；②配件重量，腳手板（竹笆腳手板）：0.35 kN/m2；操作層欄桿與擋腳板：0.15 kN/m2；③混凝土拱板截面按最厚處計算，厚度為1.39m，單位面積自重：25×1.39×4/9=15.44 kN/m2；④模板單位面積自重：5×4/9=2.22 kN/m2； ⑤豎向永久荷載合計： ∑NGK=7.245+（15.44+2.22+0.35+0.15）×0.60×0.60=13.78 kN

2.3.2 可變荷載

①施工荷載（均布荷載）：3.00 kN/m2；②振搗荷載（均布荷載）：2.00 kN/m2；③風(fēng)荷載（作用于支撐架上的水平風(fēng)荷載）：Wk＝0.70×Uz×Us×W0

式中：W0＝0.30 kN/m2（按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》查的全國10年一遇的孟津標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓）；Uz＝1.62（按B類，鄉(xiāng)村地區(qū)，離地45m計）；Us＝0.80（碗扣規(guī)范）。

經(jīng)計算，風(fēng)荷載Wk＝0.70×Uz×Us×W0＝0.7×1.62×0.80×0.30=0.27 kN/m2。計算作用于立桿上的風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩，可按下式計算：Mw=1.40×a×l02×WK/10；計算得Mw=1.40×0.60×0.90×0.90×0.272/10＝0.19×10-1kN·m；豎向可變荷載合計：∑NQK=（3.00+2.00）×0.60×0.60=1.80 kN

2.3.3 荷載組合

不組合風(fēng)荷載時：立桿豎向力N=1.20∑NGK+1.40∑NQK=1.20×13.78+1.40×1.80=19.06 kN＜30 kN滿足要求：組合風(fēng)荷載時：立桿豎向力N=1.2∑NGK+0.9×1.4∑NQK=1.2×13.78+0.90×1.40×1.00=18.80 kN＜30 KN滿足要求。

2.4 立桿穩(wěn)定計算

不組合風(fēng)荷載時，鋼管立柱最大應(yīng)力計算值為193.17N/mm2，組合風(fēng)荷載時，計算值為201.15N/mm2，均小于鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值205N/mm2，滿足要求。

其他計算不再綜述，經(jīng)過對支撐架縱橫向水平桿荷載、立桿荷載、風(fēng)荷載對立桿產(chǎn)生彎矩值、立桿軸向力、立桿穩(wěn)定性、縱向水平桿、橫向水平桿穩(wěn)定性、斜桿受力情況的分析和計算，其受力均滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

根據(jù)規(guī)范要求，支撐架的高寬比不得超過3，所以支撐架下部架體加寬至15m，加寬高度選支撐架高度的1/3，即14.40m高。并設(shè)置攬風(fēng)繩作為加固措施。

3 支撐體系地基處理

支架立桿最大受力為19.06 kN，立桿底托尺寸為≥20cm×20cm木板（15 cm×15 cm鐵托片在上），C15混凝土的應(yīng)力擴(kuò)散角取30°，立桿對混凝土表面的壓強(qiáng)為=476.50 KPa，混凝土標(biāo)號為C15，滿足要求。

當(dāng)C15混凝土平墊層10cm厚時，立桿通過混凝土層對回填土層的壓強(qiáng)為：

混凝土容重取25 kN/m3，混凝土層對土層的壓強(qiáng)為：P3=25×10×0.1=2.5 kPa，換填土層所受總壓強(qiáng)為：P=P2+P3=211.78+2.5=214.28 kPa。即地基處理后要求其承載力達(dá)到214.78 kPa，方能滿足要求，對于回填土，難以達(dá)到，故混凝土墊層厚度需加厚。

當(dāng)C15混凝土平墊層20cm厚時，立桿通過混凝土層對回填土層的壓強(qiáng)為：

混凝土容重取25 kN/m3，混凝土層對土層的壓強(qiáng)為：P3=25×10×0.20=5.00 kPa， 換填土層所受總壓強(qiáng)為：P=P2+P3=119.13+5.0=124.13 kPa。即地基處理后要求其承載力達(dá)到124.13 kPa，經(jīng)地基壓實處理，可以達(dá)到要求。

故要求地基處理后承載力≥130 kPa，既能滿足要求，為考慮支撐架底部荷載的不均勻情況以及地基的不確定因素，要求支撐架基地沿軸線鋪設(shè)30 cm厚的C15混凝土墊層，處理橫向?qū)挾葹?0m。實際施工時要將原地基碾壓，壓實度按要求≥96%，墊層料要分層壓實，壤土料墊層壓實度達(dá)到96%，砂墊層相對密度≥0.75。

4 架體的搭設(shè)

支撐架搭設(shè)場地須平整、堅實、排水措施得當(dāng)；底座和墊板應(yīng)準(zhǔn)確地放置在定位線上，底座的軸心線與地面垂直；支撐架搭設(shè)按立桿、橫桿、斜桿、連墻件逐層搭設(shè)，每次上升高度≤3m；支撐架在槽墩墩頂高度上沿縱向布置兩道貝雷加強(qiáng)行縱向連接，每跨縱向貝雷片之間采用6片橫向貝雷片（即10m一道）加強(qiáng)連接，以增加整體穩(wěn)定；支撐架搭設(shè)到頂時，組織技術(shù)、安全、施工人員對整個架體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的檢查和驗收，及時解決結(jié)構(gòu)存在的缺陷。

5 結(jié)語

碗扣式支撐架在建筑工程和橋梁工程中應(yīng)用較廣，但是在水利工程施工中應(yīng)用相對較少，針對仙口河渡槽大跨徑、高凈空的特殊性，本文詳細(xì)分析了碗口式支撐架的采用、搭設(shè)方案和結(jié)構(gòu)安全計算，為以后類似工程施工提供借鑒和參考。