貝雷橋在升船機(jī)設(shè)備層板梁施工中的可行性研究

羅罡， 田戰(zhàn)鋒， 詹筱霞

(1.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000;2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)水電第一總隊(duì)，南寧 530222; 3.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州341000)

貝雷橋在升船機(jī)設(shè)備層板梁施工中的可行性研究

羅罡1， 田戰(zhàn)鋒2， 詹筱霞3

(1.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000;2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)水電第一總隊(duì)，南寧 530222; 3.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西 贛州341000)

為解決跨度大、高差大懸空結(jié)構(gòu)的施工平臺(tái)問(wèn)題，文章結(jié)合貴州烏江沙沱水電站工程右岸通航升船機(jī)設(shè)備層板梁施工方案的選擇問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比分析貝雷橋方案與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)桁架方案，在技術(shù)上著重對(duì)貝雷橋進(jìn)行抗彎和抗剪分析，及變形計(jì)算復(fù)核，驗(yàn)證了貝雷橋施工方案在技術(shù)上是完全可行的;通過(guò)比較費(fèi)用投入，貝雷橋方案較傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)桁架措施費(fèi)用節(jié)省25%～30%，經(jīng)濟(jì)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(jìn)度、安全更有保障.

貝雷橋;升船機(jī);板梁

1938年，英國(guó)工程師唐納德·西·貝雷發(fā)明了貝雷橋 (Bailey Bridge).這種橋以高強(qiáng)鋼材制成輕便的標(biāo)準(zhǔn)化桁架單元構(gòu)件及橫梁、縱梁、橋面板、橋座和連接件等組成，用專(zhuān)用的安裝設(shè)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(guó)內(nèi)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(diǎn)是模塊化，應(yīng)用更為便捷、廣泛.在我國(guó)，早期貝雷橋主要應(yīng)用于軍事上，即軍用鋼橋，現(xiàn)在貝雷橋除了作為戰(zhàn)備鋼橋外，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于搶險(xiǎn)救災(zāi)、交通工程、危橋加固等各領(lǐng)域.比如2008年5.12地震期間，就有大量的貝雷橋用于搶險(xiǎn)救災(zāi)，貝雷橋?qū)拐鹁葹?zāi)物資前運(yùn)、傷員后送及群眾撤離起到了較為關(guān)鍵作用[3].

水工建筑物在進(jìn)行懸空結(jié)構(gòu)施工時(shí)，多采用搭設(shè)腳手架或增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)支撐和內(nèi)拉來(lái)提供立模和澆筑作業(yè)平臺(tái).搭設(shè)腳手架是比較普遍的一種施工方法，但多適用于懸空結(jié)構(gòu)高差不大、搭設(shè)工程量適中的構(gòu)筑物.對(duì)于高差大的部位，采用搭設(shè)腳手架進(jìn)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(shè)鋼支撐和內(nèi)拉的方案，不僅鋼材耗用量大，金結(jié)制安工作強(qiáng)度高，工程造價(jià)高，且涉及安全問(wèn)題，同樣不是最合理的施工措施。

近年來(lái)隨著水利工程的大量興建發(fā)展，水工建筑物設(shè)計(jì)更具突破性，結(jié)構(gòu)布置更有創(chuàng)新意識(shí)，施工技術(shù)亦隨之日新月異，但是對(duì)于解決大高差、大跨度結(jié)構(gòu)的施工平臺(tái)問(wèn)題，此類(lèi)實(shí)際應(yīng)用研究成果并不多見(jiàn)，各類(lèi)方案的可行性亟待論證.本文結(jié)合烏江沙沱水電站的實(shí)際案例對(duì)貝雷橋的施工方案及其可行性進(jìn)行研究，總結(jié)出解決同類(lèi)工程問(wèn)題的施工方案，并運(yùn)用力學(xué)理論對(duì)其可行性進(jìn)行演算論證.

1 工程概況

烏江沙沱水電站樞紐工程規(guī)模為二等大(2)型，攔河大壩、泄洪系統(tǒng)及引水發(fā)電系統(tǒng)為2級(jí)建筑物，各次要水工建筑物為3級(jí)建筑物.從左到右共16個(gè)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(jí)航道設(shè)計(jì)，過(guò)壩船舶噸位500 t級(jí)，年過(guò)壩能力為330萬(wàn)t，由上游引航道、過(guò)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(jī)型式，布置于溢流壩段的右側(cè)，靠岸邊，通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)船舶尺寸為55 m×10.8 m×(1.6～2.0)m(長(zhǎng)×寬×吃水深)，承船廂有效水域?yàn)?4 m×12 m×2.5 m(長(zhǎng)×寬×水深)，承船廂外形尺寸68 m×16 m×6.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，船廂池尺寸為68.1 m×16.8 m(長(zhǎng)×寬);通航凈空9.6 m，本體段設(shè)備層高程377 m，本體段底板高程281 m.設(shè)備層為板梁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)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(shè)備層支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備層為板梁結(jié)構(gòu)，從升船機(jī)本體段剖面圖看，設(shè)備層板梁與本體段兩邊的邊墻構(gòu)成一個(gè)“門(mén)”字型，板梁結(jié)構(gòu)距本體段底板高差達(dá)到96 m，是一典型的特大高差懸空結(jié)構(gòu).傳統(tǒng)的方法根本無(wú)法解決設(shè)備層板梁的支撐作業(yè)平臺(tái)的問(wèn)題.沙沱水電站升船機(jī)施工引進(jìn)新工藝，采用架設(shè)貝雷橋的方案解決了該棘手問(wèn)題.貝雷橋支撐系統(tǒng)設(shè)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(yù)埋在邊墻混凝土內(nèi)，預(yù)埋工字鋼長(zhǎng)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(nèi)工字鋼的尾端焊接2根Φ25“U”型錨筋，以增強(qiáng)預(yù)埋工字鋼的穩(wěn)定性[4].

2)每根主梁底部采用5榀雙層加強(qiáng)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(qiáng)弦桿型貝雷片桁架做支撐.每?jī)砷惱灼兄罔旒苤g采用支撐架進(jìn)行橫向連接，一榀上兩節(jié)貝雷片之間用銷(xiāo)子連接[5].

3)為保證施工安全，在貝雷片桁架頂部滿(mǎn)鋪一層竹條板[6].

4)貝雷橋支撐系統(tǒng)搭設(shè)完成后，在其上搭設(shè)承重排架，用于支撐模板及上部板梁結(jié)構(gòu).

貝雷橋支撐系統(tǒng)布置圖詳見(jiàn)圖1、圖2，主梁底部貝雷片設(shè)置情況詳見(jiàn)圖3，貝雷橋桁架兩端支點(diǎn)結(jié)構(gòu)布置詳見(jiàn)圖4.

圖1 本體段377 m高程設(shè)備層貝雷橋支撐系統(tǒng)布置圖(A－A)

圖2 本體段377m高程設(shè)備層貝雷橋支撐系統(tǒng)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(shù)性分析

技術(shù)性分析主要著重于對(duì)貝雷橋支撐系統(tǒng)的進(jìn)行受力分析，包括對(duì)貝雷橋的應(yīng)力分析和變形分析兩個(gè)方面[7-8].進(jìn)行貝雷橋應(yīng)力和變形分析時(shí)，應(yīng)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?xí)r產(chǎn)生的荷載、人員設(shè)備和工器具產(chǎn)生的荷載、結(jié)構(gòu)鋼筋重量、傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的動(dòng)力荷載等[9-10]，為便于計(jì)算，在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)主要取前五項(xiàng)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，其它荷載體現(xiàn)在荷載分項(xiàng)系數(shù)中.本文僅選取具有代表性的主梁(長(zhǎng)17.6 m)進(jìn)行相關(guān)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(yīng)力分析

1)荷載計(jì)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(shè)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(xiàng)系數(shù)取1.2，動(dòng)荷載分項(xiàng)系數(shù)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(zhuǎn)換成線(xiàn)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(lái)承重，則單榀桁架所承受的線(xiàn)荷載為:

q=116.98÷5=23.40 kN/m

2)桁架受力計(jì)算

單榀桁架受力簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)圖5.

圖5 單榀桁架受力圖

桁架跨中最大彎矩詳見(jiàn)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(jiàn)圖7.

圖7 支座兩端剪力圖

F=1/2qL=1÷2×23.4×17.6=205.92 kN

經(jīng)查得相關(guān)數(shù)據(jù)如表1[11]:

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

實(shí)際施工中桁架內(nèi)力均小于容許承載力，結(jié)構(gòu)受力上滿(mǎn)足使用要求.

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

3.1.2 應(yīng)變分析

根據(jù)相關(guān)的計(jì)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(xiāo)之間的間隙而產(chǎn)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(xiāo)間隙產(chǎn)生變形)

簡(jiǎn)支情況下桁架(偶數(shù)節(jié))非彈性變形可采用以下公式計(jì)算:

其中，n為貝雷片桁架的單元數(shù)，本桁架跨度17.6 m，單元數(shù)n=6.

2)彈性變形(荷載作用下變形)

參照簡(jiǎn)支吊車(chē)桁架跨中撓度計(jì)算，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》簡(jiǎn)支吊車(chē)桁架跨中撓度計(jì)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(jù)《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)》，采用單排單層加強(qiáng)弦桿桁架時(shí)，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(nèi)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(mǎn)足要求.

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

1)鋼支撐施工方案

經(jīng)初步估算，若本工程設(shè)備層板梁采用傳統(tǒng)鋼支撐的施工方案，共需使用鋼材(綜合)約539 t，每噸鋼材運(yùn)至工地市場(chǎng)價(jià)按3600元/t計(jì)算，鋼材回收率按70%計(jì)算，回收舊鋼材按1300元/t，則需投入費(fèi)用為:539×3600-539×70%×1300=1449910元.

2)貝雷橋施工方案

結(jié)合施工企業(yè)承擔(dān)的施工任務(wù)情況及自身財(cái)務(wù)狀況，本工程所使用的貝雷橋相關(guān)設(shè)備材料均從市場(chǎng)租賃.根據(jù)升船機(jī)總體施工方案，其設(shè)備層板梁施工工期為3個(gè)月時(shí)間.另?yè)?jù)板梁施工組織設(shè)計(jì)，為節(jié)約施工成本，考慮部分貝雷橋可以周轉(zhuǎn)使用及施工進(jìn)度要求，從市場(chǎng)租賃1088片貝雷片(包括加強(qiáng)弦桿、銷(xiāo)子、支撐架、螺栓)用于滿(mǎn)足施工要求，每月租賃費(fèi)為286816元，另租賃拖車(chē)運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)，需進(jìn)場(chǎng)費(fèi)170000元，完工后費(fèi)用總計(jì)為1030448元.

綜上分析，本案采用貝雷橋施工方案較傳統(tǒng)的鋼支撐施工方案節(jié)約施工成本達(dá)41萬(wàn)元之多.

3.3 施工組織分析

施工企業(yè)最初編制的施工組織設(shè)計(jì)，設(shè)備層板梁施工支撐為傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)桁架支撐.為搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)桁架，在進(jìn)行升船機(jī)邊墻施工時(shí)，需在墻體內(nèi)埋設(shè)大量的埋件，作為后期搭設(shè)鋼桁架的支點(diǎn)，對(duì)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(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)桁架施工方案，還需加工制作大量鋼桁架，耗費(fèi)大量人力、物力，且在進(jìn)行桁架安裝時(shí)，還要充分考慮吊裝手段、焊接搭設(shè)等問(wèn)題，不僅技術(shù)問(wèn)題多，安全問(wèn)題也較為突出，風(fēng)險(xiǎn)較大.而邊墻施工因其工作面受限制，機(jī)械化程度底，工序性較強(qiáng)，工期往往非常緊，在墻體內(nèi)增設(shè)埋件，再加上大量的金結(jié)制安工作，工期難以保證，對(duì)于施工組織非常不利.

而貝雷橋?yàn)樘厥獾难b配式鋼橋，因其承載力大、模塊化結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)靈活、運(yùn)輸拆裝方便、構(gòu)件可通用互換，且能夠多次重復(fù)使用，不僅可以節(jié)約大量人力、物力，且能夠降低安裝難度，對(duì)其它工序施工影響較小，施工安全、進(jìn)度更有保障[14-15].

4 結(jié) 論

文章結(jié)合烏江沙沱水電站右岸通航升船機(jī)設(shè)備層板梁施工中支撐系統(tǒng)實(shí)例，對(duì)貝雷橋方案進(jìn)行技術(shù)及經(jīng)濟(jì)兩方面進(jìn)行可行性分析論證后，得出如下結(jié)論:

1)根據(jù)升船機(jī)設(shè)備層板梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在跨度大、高差大以及承載受力點(diǎn)不理想的情況下，搭設(shè)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)支架難以滿(mǎn)足施工要求.根據(jù)相關(guān)計(jì)算理論，對(duì)貝雷橋桁架進(jìn)行應(yīng)力分析和變形分析，確保計(jì)算的最大彎矩和剪力在其容許彎矩和剪力范圍內(nèi)，且其變形滿(mǎn)足規(guī)范要求，采用貝雷橋方案能夠突破施工技術(shù)瓶頸，滿(mǎn)足施工要求.

2)經(jīng)分析，與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)桁架措施相比，貝雷橋方案投入費(fèi)用較少，更為經(jīng)濟(jì).傳統(tǒng)措施需一次性投入使用大量鋼材，受市場(chǎng)物價(jià)波動(dòng)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(huán)境下，根據(jù)當(dāng)前的物價(jià)水平，采用貝雷橋方案總費(fèi)用較傳統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，簡(jiǎn)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(guān)鍵的是，在工期緊、任務(wù)重的情況下，貝雷橋方案的優(yōu)越性更能得到體現(xiàn)，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(jià)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(jí)教改課題(JXJG-10-79-3)