放水塔工作橋設計的有關問題

吳 釗 呂 磊

（1.西安市水利規劃勘測設計院 陜西 西安 710054；2.西安水務（集團）石砭峪水庫管理有限公司 陜西 西安 710100）

1 前言

這些年來，在水庫除險加固中，筆者曾參加設計的土石壩深式放水隧洞、涵洞（管）進口放水建筑物多采用放水塔。放水塔支承結構為支架（框架式）或支筒，支架為多層雙排架，其水平截面為方形或矩形；支筒通常為圓筒或方筒，圓筒水平截面為圓環，方筒水平截面為方形或矩形，中空。為便于操作管理，放水塔須用工作橋與壩頂或岸邊相連接。

工作橋一般為多跨（等跨）簡支梁橋，近端壩頂或岸上橋臺為圬工實體擋土墻，中墩多為單排架，當墩較高時采用雙排架，遠端為放水塔。當工作橋軸線布置壩內坡（或岸坡）時，工作橋基礎坐落在壩內坡（或岸坡）以下一定深度處。

放水塔工作橋的功能、地形及地質條件與一般交通橋差異很大，它的功能主要是通過工作橋運送設備（啟閉機、有時有閘門）、部分建筑材料、人員（管理人員）；無汽車荷載，因而上部荷載小，橋面寬度小，橋墩基礎位于壩體內坡或岸坡上；橋墩高度大，且愈向庫中高度愈大；壩體承載力小，故橋墩多用單排架，并用擴大基礎，高排架可用樁基。

根據筆者參加設計多座放水塔及其工作橋工程的實踐，今就放水塔工作橋的設計方案談以下幾點意見，供設計參考。

2 工作橋總體布置

工作橋軸線應垂直壩軸線或盡量垂直壩軸線，以減小橋的長度，如橋通向庫岸，亦應線路最短。

工作橋為多跨簡支梁橋，且等跨，等跨簡支梁橋簡單，設計施工方便。近壩頂或近岸端下部構造橋臺為漿砌石或砼重力式擋土墻，遠端為放水塔。由于上部荷重小，高度大，壩體或岸坡土基允許承載力小，故下部構造中墩為單排架，當排架高時可采用雙排架，單排架宜適用15m以下，雙排架宜適用15m以上。因起重機一般無法到達大壩迎水坡或水庫岸坡上，故工作橋一般采用滿堂腳手架現澆梁板及排架砼，因為現澆不受起重機重量的限制，加之上部荷載小，排架高度大，故橋跨應采用較大值，一般簡支梁工作橋跨度為10m～20m，這樣可減小排架的數量，減小工程量。跨度相等，各跨橋板梁尺寸及配筋相同，各跨對排架及橋臺作用力相同，便于設計與施工。

3 上部構造橋面板梁的設計

3.1 上部構造

橋面荷載主要是人荷、啟閉機重、自重等。橋面寬一般采用2m。橋面板梁整體澆筑，橫截面為肋形結構。因為是簡支梁，橋梁板的合理截面為π形，當跨度較小時，也可采用T形，其中性軸位于梁腹中。橋板按一跨雙懸臂計算。某水庫放水塔工作橋為5跨簡支梁橋，各跨跨度相等，每跨為16m，其π形梁截面如圖1。

圖1 梁截面圖

當梁跨度10m以內時，可在梁橋兩端支座處設橫隔梁，將兩梁連接，10m以上跨度，中間宜增設1～3道橫隔梁。某水庫16m跨度簡支梁共布設4道橫隔梁。橫隔梁間距5m多。

3.2 上部構造梁的支座

簡支梁橋應在每跨一端設置固定支座，另一端設置活動支座。對于多跨簡支梁橋，相鄰兩跨的簡支梁固定支座不宜布置在一個橋墩上，若個別橋墩較高時可在其上布置相鄰兩跨的活動支座。對于多跨簡支梁工作橋，壩頂（或岸坡）實體橋臺及放水塔剛度大，可將固定支座設在其上，然后各跨按一固定支座一活動支座布置，并在最高單排架上布設2個活動支座。如工作橋為3跨，設工作橋橋臺為右端，放水塔為左端，從右端向左端起算，第一跨橋臺設固定支座，1號排架右側設活動支座，第二跨1號排架左側設固定支座，2號排架左右側均設活動支座，放水塔設固定支座。對于其他多跨簡支梁橋支座設置可按此類推。如果最高排架為雙排架，可在其上布設一固定支座一活動支座，而將兩活動支座布設在最高一個單排架上。

當簡支梁工作橋的標準跨徑小于10m時，支座可用1cm厚（壓縮后）油毛氈墊層，此時支座處上部構造梁與排架的摩擦系數為0.5。當跨徑10m左右時，亦可采用平板鋼支座，其摩擦系數為0.5。當橋跨徑為10m～20m時，可采用平板橡膠支座，平板橡膠支座無固定與活動支座之分，板式橡膠支座的摩擦系數為0.20～0.30。為減小溫度變化時作用在墩臺上的水平力，滑動支座亦可采用聚乙烯板支座，其支座摩擦系數為0.05～0.1。固定支座設錨筋，錨筋直接澆入梁及排架砼中，活動支座亦可設錨筋，錨筋下部澆入排架中，上部伸入梁支座處套筒中，套筒中留有梁因溫度變化而產生的伸縮余量，如采用直徑D5mm套筒，深入套筒的錨筋用油麻等柔性材料纏繞包裹一圈。梁端無錨筋約束而處于游離狀態是不容許的。在地震區，排架上部支座處兩側還應設防震擋塊。

4 下部構造排架的計算

位于壩坡上的排架均采用擴大基礎，位于岸坡上排架一般采用擴大基礎，排架高，地基承載力低時可采用樁基，故排架可視為下端固定上端自由的偏心受壓構件。雙排架可按兩個單排架計算，這樣計算簡單且偏于安全，雙排架及單排架應分別進行沿橋縱向及橫行兩個方向計算。

4.1 排架橋縱向的計算

因排架高度大，單排架沿橋縱向剛度小，沿橋縱向如有偏心荷載或排架頂有水平溫度力作用而不能平衡時，排架受力最不利。

當工作橋各跨高度不相等或雖為等跨，但排架相鄰兩跨，一跨滿荷，一跨無活荷，此時排架偏心受壓，此種情況是排架一種不利情況。

當溫度變化時，如工作橋跨度相等，且各跨荷載相等，則上部構造作用在排架上的豎向荷載無偏心，且各支座水平摩擦力相等，作用在排架上水平摩擦力相抵消，排架軸心受壓。當工作橋各跨高度不等或雖等跨，但各跨活荷不等，此時作用在排架上豎向荷載不僅有偏心，而且溫度產生的支座水平摩擦力因不相等而不能抵消，排架受力不利，應為另一種計算情況。

4.2 排架橫向計算

工作橋橫向剛度小，而上部構造縱梁橫向迎風面大，風荷大；且橋重量集中在上部構造縱梁上，頭重腳輕水平地震荷載大，這兩種情況上部構造梁作用在排架頂端橫向水平力大。當上部構造豎向荷載最小時（梁上無活載），排架遇設計風荷，排架橫向受力最不利，橫向計算應該包括這兩種情況。同時此時，排架的穩定性最小，應按此兩種情況進行排架橫向穩定性計算。

排架橫向計算應包括以下幾種情況：

（1）空庫，上部構造豎向荷載最大，無水平荷載；

（2）空庫，上部構造豎向荷載最小，橋橫向的水平風荷最大；

（3）空庫，上部構造豎向荷載最大，橋橫向為設計水平地震荷載；

（4）滿庫時排架在水中，此種情況可能對排架計算不起控制作用；

（5）其他情況。

4.3 排架穩定驗算

排架為高聳建筑物，應進行抗滑抗傾穩定驗算。

排架縱向穩定驗算，應考慮到有剛度較大的近壩（或近岸）端實體圬工橋臺及放水塔支撐，而每個排架上端又有梁約束。

當上部構造豎向荷載最小，而橫向風荷最大或為水平設計地震荷載時，排架橫向抗滑抗傾穩定性最小（特別是后者），應對此兩種情況進行穩定驗算。

4.4 排架基礎的設計

基礎設計應注意下面兩個問題：

（1）地基允許承載力應采用水中飽和土的地基久許承載力；

（2）庫中有水時，下部構造及其基礎容重計算可采用下列計算中的任一種：一是排架及基礎均采用干容重，計入基礎面上下水壓力，所得地基應力不含基底浮力；二是水上排架用干容重，水下排架及基礎用浮容重，不計基礎上下面水壓力，所得地基應力不含浮力。

5 結語

放水塔工作橋的功能、荷載、地形地質條件、布置、形式等與一般交通橋差異較大，至今還未見一種文獻對放水塔工作橋設計做過全面論述，本文筆者根據自己的實踐，對此作了嘗試，其結果可供設計者參考。陜西水利