穿心鋼棒法在渡槽施工中的應用

趙 啟 強，楊 璐 銘，羅 志 遠

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

都江堰灌區終期設計灌溉面積為1 468萬畝(1hm2=15畝)，其中毗河供水區為333.23萬畝。毗河供水工程是都江堰丘陵擴灌區之一，工程總體布局由引水樞紐、總干渠及渠系工程、灌區囤蓄水庫及提灌工程等組成。毗河供水工程以城鎮供水和灌溉為主，該工程供水區共涉及7市(區、縣)160個鄉(鎮)，總人口423萬人，其中城鎮人口108萬人；設計灌面333.23萬畝(其中一期工程設計灌面125.49萬畝)，總干渠終期設計引用流量為60 m3/s(其中：一期工程設計引用流量為22 m3/s)。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2000)之規定，毗河供水工程等別屬I等，相應工程規模為大(1)型灌區。

毗河供水工程具有整體戰線長、工期緊、地形條件相對較差的特點，在本工程中，渡槽所占比例較大。毗河六分部所屬渡槽支承結構主要以排架為主，根據高度不同分為單排架、雙排架、墩柱、空心墩、實心墩、墩柱+單排架等形式；其中墩柱+單排架形式的支承結構主要是針對跨河流段，在墩柱和單排架連接部位設置有高承臺。高承臺為矩形結構，尺寸由2.5 m×6 m×1.5 m～1.6 m×3.8 m×1 m不等，最大架空高度超過10 m。

2 施工方案的選擇

對于高承臺施工，一般采用預埋牛腿或滿堂支架作為支承系統，預埋牛腿對墩柱的破壞面積較大，有損成品混凝土外觀質量；若采用滿堂支架法，因墩柱較高，支架搭設密度大，施工周期長且基礎處理成本高；若采用抱箍方案，其高空作業安裝與拆卸不便。技術人員通過認真分析研究和比較，最終決定使用穿心鋼棒法施工高承臺。

3 穿心鋼棒法的設計與受力分析

穿心鋼棒法施工即將兩根墩柱水平預埋穿心PVC管，鋼棒從墩柱預留孔對穿，其墩柱外側懸出部分鋪設工字鋼作為縱梁支承，以此作為高承臺模板的支撐點，搭設高承臺底模和施工平臺。結合類似工程的施工經驗，采用φ100的Q235鋼棒，縱梁采用I40a工字鋼，分配梁采用I16工字鋼。

鋼棒上部設置沙袋和枕木。但因沙袋具有可塑性，通過沙袋將鋼棒與上部結構的線接觸轉化為面接觸，進而增大了接觸面，有利于結構穩定；枕木則能有效增大縱梁與下部結構間的摩擦系數，同時能夠通過控制枕木高度微調體系高程，從而精確控制底模高程(圖1、2)。

采用鋼棒法的目的是充分利用樁基、墩柱的承載力，將高承臺自身重量及上部活動荷載通過工字鋼傳遞給鋼棒、墩柱、樁基，最終傳遞至地基受力層，其安全性僅需對鋼棒的抗剪能力、橫梁的強度進行校核。

鋼棒抗剪力校核：

(1)固定荷載。

鋼筋混凝土自重G1=22.5 m3×2 400 kg/m3×9.8 N/kg=529 200 N

(2)活動荷載。

模板體系、人員、設備、振動荷載G2=4 000 kg×9.8 N/kg=39 200 N

(3)鋼棒抗剪校核。

φ100的Q235鋼棒許用剪應力[τ]為110 N/mm2。

圖1 高承臺底模支架立面示意圖

圖2 高承臺底模支架平面示意圖

=21.97(N/mm2)

經計算，鋼棒剪應力τ遠小于許用值[τ],滿足鋼棒抗剪要求。

橫梁強度校核：

將該支撐體系簡化為簡支梁兩端支出支座的模型，且鋼材許用彎曲正應力[σ]=170 MPa,許用切應力[τ]=100 MPa，彈性模量E=210 GPa。

根據簡化模型計算得到：

橫梁上部荷載由對稱的兩根橫梁共同承擔，因而每根橫梁上的均布荷載q=(1.2G1+1.4G2)

/2l=57.5(kN/m)。

全部荷載由四個雙向對稱的支座共同承擔，因而每個支座上的支座反力F=(1.2G1+1.4G2)

/4=172.5(kN)。

根據以上橫梁的受力分析可以得到橫梁的剪力圖、彎矩圖(圖3、4、5)。

橫梁內的最大正彎矩和最大負彎矩分別為：

因此，橫梁內最大彎矩為44.92 kN·m。

查型鋼參數表得I40a工字鋼彎曲截面系數Wz=1 090(cm3)，則橫梁的最大正應力為：

=170 MPa

由此可見，橫梁最大正應力遠小于許用正應力，橫梁滿足正應力強度條件。

圖3 橫梁體系簡化模型受力圖

圖4 橫梁剪力圖

圖5 橫梁彎矩圖

工字鋼橫梁承受的最大剪力為：

FS,max=100.625 kN

=100 MPa

橫梁最大切應力遠小于許用切應力，因而橫梁滿足切應力強度條件。

綜合橫梁正應力、切應力計算結果，分析認為橫梁強度滿足要求。

4 施工過程

墩柱施工時，在墩柱內部預埋PVC管作為橫穿鋼棒的通道。根據支架結構，將水平渡槽軸線對稱預埋在墩柱內，準確計算預埋高程及位置并采用鋼筋定位固定，確保其在澆筑過程中不會變形和破壞。PVC管兩端采用膠布密封，亦可采用相同長度的木棒穿入PVC管中，避免在澆筑過程中被混凝土堵塞，使其在澆筑時能形成大小準確的光滑預留孔。進行上部支承體系搭設前，在預留孔中穿入φ100的鋼棒，鋼棒的長度根據墩柱的具體尺寸確定，且必須考慮足夠的外露長度。鋼棒的安裝采用吊車配合人工將鋼棒插入PVC管通道，兩端外露長度一致。

鋼棒安裝完成后，兩端需放置沙袋和枕木以調節縱梁安裝高程，確保縱梁安裝水平，其傾斜誤差不得超過±3 cm。隨后進行分配梁的安裝。為防止側翻，兩端分配梁應同時安裝到位。設置分配梁的目的一方面是作為高承臺的施工平臺，另一方面是作為承臺底模支撐結構。在分配梁安裝完成后，最后進行高承臺底模的鋪設，由測量人員對底模高程進行復核，看其是否滿足設計要求，并于施工平臺四周安裝防護欄桿以保障施工安全。高承臺支承體系的安裝均采用吊車配合人工進行。

穿心鋼棒法主要施工工序如下：

墩柱施工→預埋PVC管→鋼棒安裝→鋪設縱梁→鋪設分配梁→鋪設高承臺底模→工序驗收并澆筑。

5 支架預壓

5.1 預壓的目的

(1)通過預壓的手段檢驗支架整個系統結構受力的情況，確保支架在施工過程中絕對安全。

(2)通過預壓掌握支架的彈性變形和非彈性變形的大小，以便更加準確地掌握支架的剛度等力學性能，控制立模標高，確保蓋梁的施工質量、標高滿足設計和規范要求。

5.2 預壓的實施

(1)預壓超載系數取1.2；

(2)底板的預壓荷載配置：采用沙袋法預壓，每個沙袋裝沙約50kg并均勻堆放在底模上；

(3)預壓荷載分級為：100%預壓、120%加載預壓；加載完100%荷載后持荷1 h，觀測各測點并作好記錄，同時對數據進行分析比較以掌握支架的變形情況；加載完120%荷載后持荷1 h，觀測各測點并作好記錄，同時對數據進行分析比較，掌握支架的變形情況；

(4)支架預壓完成，對整個試壓過程進行分析、總結，保證支架正常地按設計和規范要求施工；

(5)卸載順序與加載時相反。應注意必須對稱均勻地卸載并做好觀測和檢查工作。

5.3 安全注意事項

(1)對支架各部位進行仔細檢查，確保各部位連接可靠，以保證其正常使用。

(2)準備好預壓材料并將其運至現場，安排好施工人員。

(3)加載前布置好監控和測量基準點并作出明顯的標志、標識，有效地進行保護，同時測定其初始數據。

(4)建立完善的支架加載人員的組織協調工作和必要的安全保障工作。

6 施工控制要點

6.1 鋼棒預埋高程

根據該支承結構的特點，將鋼棒預埋高程控制在高承臺底部70～80 cm為宜，以方便調節。

6.2 縱梁高程的控制

縱梁高程的控制直接關系到高承臺的設計底高程。兩側縱梁高程必須一致且兩端必須水平。采用測量儀器校核，通過調節沙袋和枕木消除兩側縱梁的高程偏差。

6.3 分配梁的安裝

分配梁的安裝應遵循“先中間、后兩邊”的原則，防止其發生側翻和滑移。

6.4 高承臺結構的施工

進行結構施工前，必須提前搭設好爬梯以方便施工人員上下；若超過一定高度，必須將其設置成旋轉爬梯；支撐架臨邊必須搭設防護欄桿，敷設密目網；高承臺結構施工階段，作業人員必須正確佩戴安全帶和安全帽，防止發生高空墜落事故(圖6)。

圖6 高承臺混凝土澆筑施工圖

7 結 語

采取路橋施工常用的蓋梁穿心鋼棒法解決渡槽高承臺施工問題是一次新的嘗試，發揮了鋼棒法施工便捷、快速、成本低的特點，提高了本工程渡槽的施工進度；通過驗算施工穩定性，確定了基本的施工參數和材料選型，為今后類似工程提供了寶貴的參考經驗。