碗扣式支撐架在大跨徑超高拱形渡槽中的應用

□蘇衛濤 □楊長庚 □盧 瑕 □趙培森

（1河南省水利勘測設計研究有限公司 2中國人民解放軍96251部隊工程處）

1 工程概況

仙口河渡槽位于濟源市大峪鎮橋溝村南，渡槽設計流量為30m3/s，仙口河渡槽總長390m，其中槽身段長372m，槽身采用預應力鋼筋混凝土矩形槽結構，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，排架式拱上結構，橋墩柱最大高度為30m，其結構形式見圖1。

圖1 渡槽立面圖

2 架體結構和計算

2.1 支撐架選擇

渡槽支撐采用復跨肋拱，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，該支撐架搭設其同樣具有這樣的特點。結合肋拱混凝土要求有效作業時間短，需要在短時間內完成混凝土澆筑作業，作業量大，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方案：碗扣式支撐架承擔主要部位承重及結構穩定任務，扣件式支撐架承擔異形和邊角部位承重及穩定任務，貝雷片連接各槽墩，增加縱向整體剛度，主要承擔槽墩縱向部分水平荷載。

根據工程布置，并取拱圈位于最大高度部位，即第3跨拱頂處對其進行相應的結構受力分析計算。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

支撐架參數：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，支撐架搭設高度45.00m；采用的鋼管為Φ48×3.50(mm)。在外側全立面上下、左右連續設置剪刀撐，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)設置一道，與水平夾角為50.20°，在剪力撐頂部交點平面，應設置連續水平剪力撐。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，墩頂拱腳處高度設置一個竹笆腳手板平臺，平臺兩側各設置一道321貝雷片，用來承擔水平力，

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構自重標準值查得：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風荷載（作用于支撐架上的水平風荷載）：Wk＝0.70×Uz×Us×W0

式中：W0＝0.30 kN/m2（按《建筑結構荷載規范》查的全國10年一遇的孟津標準風壓）；Uz＝1.62（按B類，鄉村地區，離地45m計）；Us＝0.80（碗扣規范）。

經計算，風荷載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荷載產生的彎矩，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 立桿穩定計算

不組合風荷載時，鋼管立柱最大應力計算值為193.17N/mm2，組合風荷載時，計算值為201.15N/mm2，均小于鋼材的強度設計值205N/mm2，滿足要求。

其他計算不再綜述，經過對支撐架縱橫向水平桿荷載、立桿荷載、風荷載對立桿產生彎矩值、立桿軸向力、立桿穩定性、縱向水平桿、橫向水平桿穩定性、斜桿受力情況的分析和計算，其受力均滿足結構安全要求。

根據規范要求，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。并設置攬風繩作為加固措施。

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混凝土的應力擴散角取30°，立桿對混凝土表面的壓強為=476.50 KPa，混凝土標號為C15，滿足要求。

當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為：

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

當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為：

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

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30 cm厚的C15混凝土墊層，處理橫向寬度為20m。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到96%，砂墊層相對密度≥0.75。

4 架體的搭設

支撐架搭設場地須平整、堅實、排水措施得當；底座和墊板應準確地放置在定位線上，底座的軸心線與地面垂直；支撐架搭設按立桿、橫桿、斜桿、連墻件逐層搭設，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）加強連接，以增加整體穩定；支撐架搭設到頂時，組織技術、安全、施工人員對整個架體結構進行全面的檢查和驗收，及時解決結構存在的缺陷。

5 結語

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