貝雷橋在升船機設備層板梁施工中的可行性研究

羅罡， 田戰鋒， 詹筱霞

(1.江西理工大學，江西 贛州 341000;2.中國人民武裝警察部隊水電第一總隊，南寧 530222; 3.江西理工大學應用科學學院，江西 贛州341000)

貝雷橋在升船機設備層板梁施工中的可行性研究

羅罡1， 田戰鋒2， 詹筱霞3

(1.江西理工大學，江西 贛州 341000;2.中國人民武裝警察部隊水電第一總隊，南寧 530222; 3.江西理工大學應用科學學院，江西 贛州341000)

為解決跨度大、高差大懸空結構的施工平臺問題，文章結合貴州烏江沙沱水電站工程右岸通航升船機設備層板梁施工方案的選擇問題，通過對比分析貝雷橋方案與傳統鋼結構桁架方案，在技術上著重對貝雷橋進行抗彎和抗剪分析，及變形計算復核，驗證了貝雷橋施工方案在技術上是完全可行的;通過比較費用投入，貝雷橋方案較傳統鋼結構桁架措施費用節省25%～30%，經濟效果更為顯著;從施工組織方面考慮，貝雷橋方案施工模塊化，拆裝靈活，施工干擾小，更為便利，施工進度、安全更有保障.

貝雷橋;升船機;板梁

1938年，英國工程師唐納德·西·貝雷發明了貝雷橋 (Bailey Bridge).這種橋以高強鋼材制成輕便的標準化桁架單元構件及橫梁、縱梁、橋面板、橋座和連接件等組成，用專用的安裝設備可就地迅速拼裝成適用于各種跨徑、荷載的桁架梁橋.在國內定名為裝配式公路鋼橋，是鋼橋中的一種，但又不等同于鋼橋[1-2]，貝雷橋更為典型，其主要特點是模塊化，應用更為便捷、廣泛.在我國，早期貝雷橋主要應用于軍事上，即軍用鋼橋，現在貝雷橋除了作為戰備鋼橋外，已經廣泛應用于搶險救災、交通工程、危橋加固等各領域.比如2008年5.12地震期間，就有大量的貝雷橋用于搶險救災，貝雷橋對抗震救災物資前運、傷員后送及群眾撤離起到了較為關鍵作用[3].

水工建筑物在進行懸空結構施工時，多采用搭設腳手架或增設鋼結構支撐和內拉來提供立模和澆筑作業平臺.搭設腳手架是比較普遍的一種施工方法，但多適用于懸空結構高差不大、搭設工程量適中的構筑物.對于高差大的部位，采用搭設腳手架進行施工，因工程量太大，且鋼管使用量大，投入太大，顯然不適用.而采用增設鋼支撐和內拉的方案，不僅鋼材耗用量大，金結制安工作強度高，工程造價高，且涉及安全問題，同樣不是最合理的施工措施。

近年來隨著水利工程的大量興建發展，水工建筑物設計更具突破性，結構布置更有創新意識，施工技術亦隨之日新月異，但是對于解決大高差、大跨度結構的施工平臺問題，此類實際應用研究成果并不多見，各類方案的可行性亟待論證.本文結合烏江沙沱水電站的實際案例對貝雷橋的施工方案及其可行性進行研究，總結出解決同類工程問題的施工方案，并運用力學理論對其可行性進行演算論證.

1 工程概況

烏江沙沱水電站樞紐工程規模為二等大(2)型，攔河大壩、泄洪系統及引水發電系統為2級建筑物，各次要水工建筑物為3級建筑物.從左到右共16個壩段，依次為:左岸擋水壩段、取水壩段、溢流壩段、右岸通航壩段和右岸擋水壩段.

右岸通航建筑物按四級航道設計，過壩船舶噸位500 t級，年過壩能力為330萬t，由上游引航道、過壩渠道、上閘首、本體段、下閘首、下游引航道及靠船墩等組成，采用垂直升船機型式，布置于溢流壩段的右側，靠岸邊，通過的標準船舶尺寸為55 m×10.8 m×(1.6～2.0)m(長×寬×吃水深)，承船廂有效水域為64 m×12 m×2.5 m(長×寬×水深)，承船廂外形尺寸68 m×16 m×6.5 m(長×寬×高)，船廂池尺寸為68.1 m×16.8 m(長×寬);通航凈空9.6 m，本體段設備層高程377 m，本體段底板高程281 m.設備層為板梁結構，其結構形式如下:樓板厚度50 cm;主梁斷面尺寸為120 cm×240 cm(寬×高)，共12根;次梁斷面尺寸為80 cm×160 cm(寬×高)，共8排(其中:左右邊墻各 2排，承船廂室4排)，每排10根.

2 設備層支撐系統設計

設備層為板梁結構，從升船機本體段剖面圖看，設備層板梁與本體段兩邊的邊墻構成一個“門”字型，板梁結構距本體段底板高差達到96 m，是一典型的特大高差懸空結構.傳統的方法根本無法解決設備層板梁的支撐作業平臺的問題.沙沱水電站升船機施工引進新工藝，采用架設貝雷橋的方案解決了該棘手問題.貝雷橋支撐系統設置方案主要情況為:

1)貝雷片桁架的支座采用25 a工字鋼預埋在邊墻混凝土內，預埋工字鋼長度分別為1.2 m(外露0.4 m)、4.5 m(外露3.6 m).在混凝土內工字鋼的尾端焊接2根Φ25“U”型錨筋，以增強預埋工字鋼的穩定性[4].

2)每根主梁底部采用5榀雙層加強弦桿貝雷片桁架做支撐，次梁及板底部位置采用間距45 cm的雙層加強弦桿型貝雷片桁架做支撐.每兩榀貝雷片承重桁架之間采用支撐架進行橫向連接，一榀上兩節貝雷片之間用銷子連接[5].

3)為保證施工安全，在貝雷片桁架頂部滿鋪一層竹條板[6].

4)貝雷橋支撐系統搭設完成后，在其上搭設承重排架，用于支撐模板及上部板梁結構.

貝雷橋支撐系統布置圖詳見圖1、圖2，主梁底部貝雷片設置情況詳見圖3，貝雷橋桁架兩端支點結構布置詳見圖4.

圖1 本體段377 m高程設備層貝雷橋支撐系統布置圖(A－A)

圖2 本體段377m高程設備層貝雷橋支撐系統布置圖(B－B)

圖3 大樣圖A

圖4 大樣圖B

3 可行性分析

3.1 技術性分析

技術性分析主要著重于對貝雷橋支撐系統的進行受力分析，包括對貝雷橋的應力分析和變形分析兩個方面[7-8].進行貝雷橋應力和變形分析時，應考慮的荷載包括:模板及支架重量、承重排架重量、板梁混凝土重量、振搗混凝土時產生的荷載、人員設備和工器具產生的荷載、結構鋼筋重量、傾倒混凝土時產生的動力荷載等[9-10]，為便于計算，在進行應力分析時主要取前五項進行相關計算，其它荷載體現在荷載分項系數中.本文僅選取具有代表性的主梁(長17.6 m)進行相關分析，其余較短的主梁及次梁因承受的上部荷載更小，安全性更有保障，且其受力分析方法和分析步驟均相同，本文不另贅述.

3.1.1 應力分析

1)荷載計算

砼重:1.2×2.4×17.6×26.5=1343.23 kN

梁模板及圍令重:(2.4×2+1.2)×17.6×0.75= 79.20 kN

承重排架及桁架重:32.35+150=182.35 kN

施工人員及施工設備荷載:1.2×17.6×2.5 kN/ m2=52.80 kN

振搗荷載:1.2×17.6×2 kN/m2=42.24 kN

靜荷載分項系數取1.2，動荷載分項系數取1.4，所以單根大梁施工的荷載為:

G=1.2×(1343.23+79.2+182.35)+1.4×(52.8+ 42.24)=2058.79 kN

轉換成線荷載為:2058.79÷17.6=116.98 kN/m

初步確定每根大梁由5榀貝雷片桁架來承重，則單榀桁架所承受的線荷載為:

q=116.98÷5=23.40 kN/m

2)桁架受力計算

單榀桁架受力簡圖詳見圖5.

圖5 單榀桁架受力圖

桁架跨中最大彎矩詳見圖6.

圖6 桁架跨中彎矩圖

M=1/8qL2=1÷8×23.4×17.62=906.05 kN·m

支座兩端剪力詳見圖7.

圖7 支座兩端剪力圖

F=1/2qL=1÷2×23.4×17.6=205.92 kN

經查得相關數據如表1[11]:

單排單層加強弦桿貝雷片桁架的容許承載力為:[M]=1687.5 kN·m，[Q]=245.2 kN

實際施工中桁架內力均小于容許承載力，結構受力上滿足使用要求.

抗彎安全系數:K=[M]/M=1687.5÷906.05=1.86抗剪安全系數:K=[Q]/Q=245.2÷205.92=1.19滿足承載力要求.

3.1.2 應變分析

根據相關的計算理論[11]，貝雷片桁架的變形有非彈性變形和彈性變形兩種，非彈性變形主要是由于軸銷之間的間隙而產生的變形，彈性變形是由于荷載作用下引起的變形.

1)非彈性撓度(插銷間隙產生變形)

簡支情況下桁架(偶數節)非彈性變形可采用以下公式計算:

其中，n為貝雷片桁架的單元數，本桁架跨度17.6 m，單元數n=6.

2)彈性變形(荷載作用下變形)

參照簡支吊車桁架跨中撓度計算，根據《鋼結構設計手冊》簡支吊車桁架跨中撓度計算公式，荷載作用下桁架變形為:f=ML2/8EIx[12-13]，其中M為跨中彎矩、L為跨度、E為桁架材料的彈性模量、Ix為桁架截面的慣性矩.據《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》，采用單排單層加強弦桿桁架時，其近似慣性矩為I=577434.4 cm4[11]，E=2.1×107 N/cm2.則:

表1 桁架容許內力表

f=ML2/8EIx=90605000×17602/(8×2.1×107× 577434.4)=2.89 cm

因此，桁架的總變形為:

Σf=1.80+2.89=4.69 cm＜[f]=L/250=1760÷250= 7.04 cm

貝雷橋桁架變形滿足要求.

3.2 經濟性分析

1)鋼支撐施工方案

經初步估算，若本工程設備層板梁采用傳統鋼支撐的施工方案，共需使用鋼材(綜合)約539 t，每噸鋼材運至工地市場價按3600元/t計算，鋼材回收率按70%計算，回收舊鋼材按1300元/t，則需投入費用為:539×3600-539×70%×1300=1449910元.

2)貝雷橋施工方案

結合施工企業承擔的施工任務情況及自身財務狀況，本工程所使用的貝雷橋相關設備材料均從市場租賃.根據升船機總體施工方案，其設備層板梁施工工期為3個月時間.另據板梁施工組織設計，為節約施工成本，考慮部分貝雷橋可以周轉使用及施工進度要求，從市場租賃1088片貝雷片(包括加強弦桿、銷子、支撐架、螺栓)用于滿足施工要求，每月租賃費為286816元，另租賃拖車運輸進場，需進場費170000元，完工后費用總計為1030448元.

綜上分析，本案采用貝雷橋施工方案較傳統的鋼支撐施工方案節約施工成本達41萬元之多.

3.3 施工組織分析

施工企業最初編制的施工組織設計，設備層板梁施工支撐為傳統的鋼結構桁架支撐.為搭設鋼結構桁架，在進行升船機邊墻施工時，需在墻體內埋設大量的埋件，作為后期搭設鋼桁架的支點，對邊墻施工干擾非常大，且增加了邊墻立模施工的難度;另一方面，傳統鋼結構桁架施工方案，還需加工制作大量鋼桁架，耗費大量人力、物力，且在進行桁架安裝時，還要充分考慮吊裝手段、焊接搭設等問題，不僅技術問題多，安全問題也較為突出，風險較大.而邊墻施工因其工作面受限制，機械化程度底，工序性較強，工期往往非常緊，在墻體內增設埋件，再加上大量的金結制安工作，工期難以保證，對于施工組織非常不利.

而貝雷橋為特殊的裝配式鋼橋，因其承載力大、模塊化結構、結構靈活、運輸拆裝方便、構件可通用互換，且能夠多次重復使用，不僅可以節約大量人力、物力，且能夠降低安裝難度，對其它工序施工影響較小，施工安全、進度更有保障[14-15].

4 結 論

文章結合烏江沙沱水電站右岸通航升船機設備層板梁施工中支撐系統實例，對貝雷橋方案進行技術及經濟兩方面進行可行性分析論證后，得出如下結論:

1)根據升船機設備層板梁結構的特點，在跨度大、高差大以及承載受力點不理想的情況下，搭設傳統鋼結構支架難以滿足施工要求.根據相關計算理論，對貝雷橋桁架進行應力分析和變形分析，確保計算的最大彎矩和剪力在其容許彎矩和剪力范圍內，且其變形滿足規范要求，采用貝雷橋方案能夠突破施工技術瓶頸，滿足施工要求.

2)經分析，與傳統的鋼結構桁架措施相比，貝雷橋方案投入費用較少，更為經濟.傳統措施需一次性投入使用大量鋼材，受市場物價波動影響較大，不確定性因素多，成本控制難度大.在特定的施工條件和環境下，根據當前的物價水平，采用貝雷橋方案總費用較傳統措施要低25%～30%.

3)選用貝雷橋方案總體而言方便靈活，能夠改善現場作業環境，簡化施工程序，減小施工干擾，降低施工難度，施工安全性也得到較大提升，更為關鍵的是，在工期緊、任務重的情況下，貝雷橋方案的優越性更能得到體現，是一種可靠的施工措施.

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Feasibility study on Bailey bridge assembled in the equipment layer of plate－girder for ship lift

LUO Gang1，TIAN Zhanfeng2，ZHAN Xiaoxia3
(1.Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China;2.The First Group of the Armed Police Hydropower Troops，Nanning 530222，China;3.Faculty of Applied Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

The focus of attention in this paper was how to construct the suspended structure whose span was larger than normal.The construction scheme of equipment layer in plate-girder for ship lift in Shaotuo hydropower station was discussed in this paper.Bailey bridge and steel structure truss were the alternative offers for suspended structure in this paper，and the difference between Bailey bridge and steel structure truss were compared in technological and economical.With an analysis of the bending strength and shear strength of Bailey bridge，the conclusion could be draw that the Bailey bridge was feasible technologically.According to the cost estimated we could find that the cost of Bailey bridge was 25%to 30%less than traditional treatments.So that Bailey bridge was the effective and economical methods.Modularization，easiness to be assembled，less interaction were the significant features of Bailey bridge in construction organization so that it could provide safer guarantee.

Bailey bridge;ship lift;plate-girder

羅罡(1982- )，男，工程師，主要從事工程造價管理等方面的研究，E-mail:15329254@qq.com.

2095-3046(2015)01-0069-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.012

TV5

A

2014-12-10

江西省省級教改課題(JXJG-10-79-3)