南水北調中線青蘭渡槽平板支撐結構設計及荷載計算

董維國 郜文英

（1.山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原 310001；2.河北省水利工程局，河北石家莊 050021）

?

南水北調中線青蘭渡槽平板支撐結構設計及荷載計算

董維國 郜文英

（1.山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原 310001；
2.河北省水利工程局，河北石家莊 050021）

【摘 要】南水北調中線青蘭渡槽是南水北調中線總干渠的“咽喉”工程之一，是國內首例分離式扶壁梯形渡槽，總長63m的渡槽僅混凝土澆筑就需要5.4萬m3，工程難度之大可想而知。而渡槽施工的全部荷載都集中作用于平板的支撐結構上，因此平板支撐結構的荷載對渡槽的施工安全影響巨大，本文就渡槽平板支撐結構設計及荷載計算進行了闡述。

【關鍵詞】渡槽；平板支撐結構；荷載計算

1　工程簡介

南水北調中線一期總干渠與青蘭高速連接線交叉工程位于邯鄲市南環路、西環路以及青蘭高速連接線互通立交橋處，采用渡槽型式跨越高速公路。槽身為分離式扶壁梯形渡槽，渡槽由下部基礎灌注樁工程、承臺及墩柱支撐結構、平板連續梁承載結構和槽身擋水結構組成。渡槽長63.0m，跨度為19m＋25m＋19m。本文就平板連系梁承載結構的施工展開論述。

2　結構設計及荷載計算

渡槽平板支撐結構為三跨變截面預應力鋼筋混凝土板結構，寬度58.792m，施工采用碗扣式滿堂支架現澆方案。其結構型式見圖1。

圖1　平板支撐結構型式（單位:cm）

2.1承重支架基礎處理

承臺施工完成后，采用級配碎石對承臺基坑進行回填，控制相對密度不小于0.75。為了增加地基整體剛度和承載力，在整平壓實級配碎石墊層上澆筑25cm 厚C20混凝土作持力層和封閉層，并設置2‰范圍內的雙向橫坡和埋設注漿管，同時在支架左、右側邊緣外開挖排水溝向外引水，以防地基被水浸泡。

2.2承重支架設計方案

滿堂式碗口支架體系包括支架基礎、φ48mm× 3mm碗口立桿、橫桿、豎向（水平）剪刀撐、可調底座、可調頂托、I10（I16）工字鋼分配托梁、I50a門洞梁；模板系統包括底模9015組合鋼模板、定型鋼側模和定型鋼端模。支架搭設寬度為66.6m，縱向分跨搭設，搭設高度6.8～8.8m。

在混凝土硬化好的基礎頂面上安設立桿可調底座，其上搭設碗扣式多功能支架。各項技術指標通過計算確定，縱向立桿采用30cm和60cm兩種間距，橫向立桿采用60cm間距，水平橫桿步距1.2m。在墩柱和支架頂托上架設I16工字鋼梁。考慮交通運輸，在上游邊跨設置1個凈寬3.6m、高5m的門洞，支撐采用密集碗扣支架，縱、橫向間距0.3m，縱向各布置5排，水平橫桿步距0.6m；支架頂托橫向放I16工字鋼梁，工字鋼梁之間焊接連接筋整體化，上部縱向放I50a工字鋼，間距60cm，其上再置縱、橫向間距0.6m的支架承載上部模板和混凝土等；門洞兩側支撐架采用C20混凝土護輪保護。

支架頂用可調頂托支撐橫向布置的I10工字鋼梁（邊墩平板處縱向布置I10工字鋼梁），上面布置9015組合鋼模板。

2.3承重支架力學驗算

2.3.1荷載分析計算

a.模板及模板支撐荷載Q1。

?底模（包括I10號工字鋼），取q1-1＝0.9kN/m2；?側模，取q1-2＝0.8kN/m2；

?碗扣式腳手架荷載，按支架搭設高度8.98m計算（含剪刀撐），q1-3＝2.5kN/m2；

?q1＝0.9＋0.8＋2.5＝4.2kN/m2。

b.混凝土箱梁荷載Q2。

縱向根據箱梁斷面變化，按分段均布荷載考慮，其布置情況如圖2所示。

圖2　平板支撐結構縱向荷載分布（單位:cm）

c.施工人員及設備荷載Q3。

查《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 166—2008）第4.2.5條，Q3取1kN/m2。

d.水平模板的混凝土振搗荷載Q4。

查《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 166—2008）第4.2.5條，Q4取1kN/m2。

2.3.2碗扣式立桿受力驗算單肢立桿軸向力:

式中 Lx、Ly——單肢立桿縱向和橫向間距。

a.中跨梁端位置，最大分布荷載: N＝1.2×（4.2 ＋75）×0.3×0.6＋1.4×（1＋1）×0.3×0.6 ＝17.6kN。

單根立桿受力:N＝17.6kN＜［N］＝30kN。

b.中跨跨中位置，最大分布荷載: N＝1.2×（4.2＋48）×0.6×0.6＋1.4×（1＋1）×0.6×0.6 ＝23.27kN。

單根立桿受力:N＝23.27kN＜［N］＝30kN。

c.邊墩柱“八字”處位置:立桿縱向布置兩排。考慮邊墩承受1/2荷載，立桿均勻受力，則每根立桿受力為:N＝［1.2×（4.2＋37.5）×1.75×0.6＋1.4×（1 ＋1）×1.75×0.6］×1/2×1/2＝13.8kN＜［N］＝30kN。

d.中墩柱“八字”處位置:立桿縱向布置4排，與中墩共同承載縱向長度1.2＋0.3×3＋0.15×2＝2.4m范圍內荷載。考慮中墩承受1/2荷載，立桿均勻受力，則每根立桿受力為: N＝［1.2×（4.2＋75）×2.4×0.6 ＋1.4×（1＋1）×2.4×0.6］×1/2×1/2×1/2＝17.5kN＜［N］＝30kN。

e.門洞:門洞凈寬3.6m，兩邊支撐采用碗扣式腳手架，縱、橫向間距0.3m，縱向各設5排，共同承載縱向長度3.6＋0.3×8＋0.15×2＝6.3m范圍內荷載。考慮立桿均勻受力，則每根立桿受力為:

N＝［1.2×（4.2＋53.5）×6.3×0.3＋1.4×（1＋1）

×6.3×0.3］×1/10＝13.6kN＜［N］＝30kN。

2.3.3地基承載力驗算

地基處理采用40cm厚碎石墊層，25cm厚C20混凝土。根據力的擴散原則，計算原狀土層荷載。原狀土層承載力為310kN/m2，按門洞支撐立桿驗算，每根立桿受力21.2kN，受力面積0.3m×0.6m。

地基承載力計算公式:

計算得: fg＝21.2/（0.3×0.3）＝236kN/m2＜310kN/m2。

2.3.4支架穩定性驗算

碗扣式滿堂支架是組裝支架，單根碗扣在承載力允許范圍內不會失穩，因此以軸心受壓的單根立桿進行驗算，按下式進行驗算:

碗扣件采用外徑48mm，壁厚3.0mm，A＝423.9mm2， A3鋼，I＝3.14×（244 -214）÷4＝10.78×104mm4，則回轉半徑i＝（I/A）1/2＝1.59cm；橫桿步距:L＝1.2m計算，鋼管長細比λ＝L/i＝120/1.59＝75.5＜［λ］＝230，取λ＝76。

軸心受壓桿件，查《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 166—2008）附錄E，Q235A鋼管軸心受壓構件的穩定系數:φ＝0.744，［f］＝205MPa。則:［N］＝0.744×423.9×205＝64653N＝64.7kN。

中跨跨中位置受力最大，每根立桿受力23.27kN，23.27kN＝N≤［N］＝64.7kN。

2.4模板驗算

2.4.1底模驗算

底模采用P9015組合鋼模板，支架頂托上部鋪設I10工字鋼作為托梁。荷載首先作用在板底模板上，按照“底模→托梁→可調托座→立桿→基礎”的傳力順序。取P6015鋼模板（δ＝3.0）截面特征驗算P9015鋼模板（δ＝3.75）。查《建筑施工手冊》表8-71，P6015鋼模板（δ＝3.0）截面特征:IX＝58.87×104mm4，Wx＝13.02×103mm3，彈性模量＝206000N/mm2。

a.荷載計算。

模板自重標準值:q1＝0.8×0.6＝0.48kN/m；

新澆混凝土自重標準值: q2＝3×25×0.6＝45kN/m；

板中鋼筋自重標準值: q3＝3×1.5×0.6＝2.7kN/m；

施工人員及設備活荷載標準值:q4＝3×0.6＝1.8kN/m；

振搗混凝土時產生的荷載標準值:q5＝2×0.6＝1.2kN/m。

前三項為恒載，取分項系數為1.2；后兩項為活載，取分項系數為1.4，則底模計算承載力荷載:

q＝（q1＋q2＋q3）×1.2＋（q4＋q5）×1.4＝（0.48 ＋45＋2.7）×1.2＋（1.8＋1.2）×1.4＝62kN/m；

驗算撓度荷載:q＇＝（q1＋q2＋q3）×1.2＝（0.48＋45＋2.7）×1.2＝57.8kN/m。

b.抗彎強度計算。

查《建筑施工手冊》表8-74得:

M＝0.105ql2＝0.105×62×6002＝234×104N·mm。

查《建筑施工手冊》“常用結構計算”中受彎構件的承載能力公式為:

c.撓度計算。

查《建筑施工手冊》表8-74得:

2.4.2托梁強度與剛度驗算

模板托梁（I10工字鋼）按三跨連續梁驗算，承受上部模板傳來的荷載。I10工字鋼截面特征:IX＝245× 104mm4，Wx＝49×103mm3，彈性模量＝206000N/mm2。

a.荷載計算。

不考慮托梁自重，荷載同底模驗算荷載。

b.計算簡圖。

底模托梁計算簡圖見圖3。

圖3　底模托梁計算簡圖（單位:cm）

c.抗彎強度計算。

查《建筑施工手冊》表8-74得:

M＝0.10ql2＝0.1×62×6002＝223×104N·mm。

查《建筑施工手冊》“常用結構計算”中受彎構件的承載能力公式為:

d.撓度計算。

查《建筑施工手冊》表8-74得:

2.5中墩柱“八字”處位置縱梁計算

縱梁采用I16工字鋼，架設在中墩柱和4排支架的頂托上，承受上部傳遞的荷載，跨徑為0.15＋1.2＋0.15＝1.5m，荷載同底模荷載，按單跨簡支梁驗算。I16工字鋼截面特征:IX＝1172×104mm4，Wx＝140.9× 103mm3，彈性模量＝206000N/mm2。

2.5.1計算簡圖

中墩柱“八字”縱梁計算簡圖見圖4。

圖4　中墩柱“八字”縱梁計算簡圖（單位:cm）

2.5.2抗彎強度計算

查《建筑施工手冊》表8-73得:

M＝1/8×62×15002＝17.4×106N·mm。

查《建筑施工手冊》“常用結構計算”中受彎構件的承載能力公式為:

2.5.3撓度計算

查《建筑施工手冊》表8-73得:

2.6邊墩柱“八字”處位置I10托梁計算

托梁采用I10工字鋼，縱向架設在邊墩柱和支架的頂托上，最大跨徑為1.15m，按三跨連續梁驗算，承受上部模板傳來的荷載。I10工字鋼截面特征:IX＝245× 104mm4，Wx＝49×103mm3，彈性模量＝206000N/mm2。

2.6.1 荷載計算

模板自重標準值:q1＝0.8×0.6＝0.48kN/m；

新澆混凝土自重標準值:q2＝1.5×25×0.6＝22.5kN/m；

板中鋼筋自重標準值: q3＝3×1.5×0.6＝2.7kN/m；

施工人員及設備活荷載標準值:q4＝3×0.6＝1.8kN/m；

振搗混凝土時產生的荷載標準值:q5＝2×0.6＝1.2kN/m。

底模計算承載力荷載: q＝（q1＋q2＋q3）×1.2＋（q4＋q5）×1.4＝（0.48＋22.5＋2.7）×1.2＋（1.8＋1.2）×1.4＝35.02kN/m；

驗算撓度荷載:q＇＝（q1＋q2＋q3）×1.2＝（0.48＋22.5＋2.7）×1.2＝30.8kN/m。

2.6.2計算簡圖

邊墩柱“八字”托梁計算簡圖見圖5。

圖5　邊墩柱“八字”托梁計算簡圖（單位:cm）

2.6.3抗彎強度計算

查《建筑施工手冊》表8-74得:

M＝0.10ql2＝0.1×35.02×11502＝463.1×104N·mm。

查《建筑施工手冊》“常用結構計算”中受彎構件的承載能力公式為:

2.6.4撓度計算

查《建筑施工手冊》表8-74得:

2.7門洞I50a工字鋼梁驗算

門洞凈寬3.6m，高5m，采用I50a工字鋼梁，兩側采用5排縱向間距0.3m、橫向間距0.3m的碗扣式支架作為支撐，支架頂托橫向鋪設I16工字鋼，I50a工字鋼架設在I16工字鋼上，接受上面支架傳遞的力。I50a工字鋼截面特征:IX＝46472×104mm4，Wx＝1858.9× 103mm3。

2.7.1荷載計算模板、支架自重標準值:q1＝1.5×0.6＝0.9kN/m；

新澆混凝土自重標準值:q2＝2.14×25×0.6＝32.1kN/m；

梁中鋼筋自重標準值: q3＝3×1.5×0.6＝2.7kN/m；

施工人員及設備活荷載標準值:q4＝3×0.6＝1.8kN/m；

振搗混凝土時產生的荷載標準值:q5＝2×0.6＝1.2kN/m。

門洞I50a工字鋼梁計算承載力荷載: q＝（q1＋q2＋q3）×1.2＋（q4＋q5）×1.4＝（0.9＋32.1＋2.7）× 1.2＋（1.8＋1.2）×1.4＝47.04kN/m；

驗算撓度荷載: q＇＝（q1＋q2＋q3）×1.2＝（0.9＋32.1＋2.7）×1.2＝42.84kN/m。

2.7.2計算簡圖

50a工字鋼梁計算簡圖見圖6。

圖6　50a工字鋼梁計算簡圖（單位:cm）

2.7.3抗彎強度計算

查《建筑施工手冊》表8-73得:

M＝1/8×47.04×45002＝119.1×106N·mm。

查《建筑施工手冊》“常用結構計算”中受彎構件的承載能力公式為:

2.7.4撓度計算

查《建筑施工手冊》表8-73得:

3　支架預壓及觀測

3.1支架預壓的目的

在支架搭設完畢、支撐平臺底模鋪好后，對支架進行預壓。預壓目的:一是檢驗支架及地基的強度與穩定性，消除支架及地基的非彈性變形；二是檢驗支架的受力情況和彈性變形情況，測量支架的彈性變形量，得到支架的彈性變形值作為施工預留拱度的依據；三是測出地基沉降，為同類型的工程施工提供經驗數據。

3.2支架預壓的方法

預壓使用沙袋靜壓法，每個沙袋重15kN。邊跨需堆載55242kN，中跨需堆載81623kN，沙袋數量按中跨所需數量81623÷15＝5442個，現場準備5600個。

采用堆載的方法均布地壓于支架上，并設觀測點進行觀測。預壓時要求荷載位置與板自重荷載分布一致，并按板自重等荷載進行預壓。

加載時按設計荷載的60%、80%、110%分三級加載，測出各測點加載前后的高程。待沉降穩定后，再分別按加載級別卸載，并分別測出每級荷載下各測點的高程值。

3.3布置觀測點及觀測

為準確測出整跨的沉降情況，預壓前在每跨墩柱之間的支架上及相應支架底部布設測點。

3.4沉降觀測

a.預壓前對支架進行全面檢查，對所有點進行觀測記錄。

b.加載時按照設計荷載的60%、100%、110%分三級加載，每級加載完成后，均觀測各點下沉量，在最后一次加載完成后觀測一次。

c.以后每天觀測一次，一直觀測到各點每天下沉量均小于1mm為止。

d.卸載后6h進行觀測。

e.為了便于觀測支架沉降，在距模板底50cm的立桿上焊接長度30cm的∟50角鋼，作為模板變形觀測基點，利用1m鋼板尺、鋼卷尺、水準儀進行測量觀測。

f.預壓時逐日對其進行沉降觀測，做好記錄，首日每隔6h進行一次沉降觀測，直至最后的平均沉降值小于1mm（24h以上），同時滿足連續三次各測點平均沉降值累計小于5mm時方可卸載。

g.荷載的持荷時間應不少于1晝夜，如此一方面可收集支架、地基的變形數據，觀察地基的承載力是否滿足要求，另一方面可減少或消除支架的構造變形，保證澆出的平板支撐結構不發生大的撓度變形和開裂。

h.預壓時的主要觀測數據有支架底座沉降——地基沉降，頂板沉降——支架沉降，卸載后頂板恢復量以及支架的側位移量和垂直度。沉降穩定卸載后算出地面沉降、支架的彈性和非彈性變形數值，根據各點對應的彈性變形值及設計預拱度調整模板的高程。預拱度計算公式為f＝f1＋f2＋f3，其中f1為地基彈性變形，f2為支架彈性變形，f3為平板支撐結構預拱度（設計提供）。

3.5繪制沉降曲線

卸載后，按測得的沉降量及設計標高，以時間為軸，畫出每點的沉降曲線。根據測得數據進行計算，得出各對應情況下的數值，并和計算值進行對照、分析，據此對立模標高進行調整，以保證混凝土施工后，底模仍保持其設計標高。

4　結 語

通過對青蘭渡槽平臺支撐結構荷載的設計與計算，并嚴格按施工方案進行施工，渡槽施工的質量和安全得以保證。目前該工程已順利通過合同驗收并經過了一年的通水檢驗，未發生任何安全問題，達到了預期目的。■

參考文獻

［1］ JGJ/T 194—2009鋼管滿堂支架預壓技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］ JGJ130—2011建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［3］ 建筑施工手冊［M］.5版.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［4］ 黎龍鳳，徐長清.拱橋模板支架架設及驗算［J］.水利建設與管理，2015（4）.

［5］ 單旭輝，蘇向明，張志華，等.午河渡槽支撐系統預壓設計及施工技術研究［J］.南水北調與水利科技，2013（1）.

DO l:1O.16616/j.cnki.11-4446/TV.2O16.O2.O12

Design and load calculation of Plane suPPort structure in South-to-North W ater Diversion M id line Project Qinglan aqueduct

DONGWeiguo，GAOWenying
（1.Shanxi Hydroelectric Investigation &Design Institute，Taiyuan 310001，China；2.Hebei ProvinceWater Conservancy Bureau，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：South-to-North Water Diversion Mid1ine Project Qing1an aqueduct is one of the‘throat’projects in South-to-North Water Diversion Mid1ine Projectmain cana1.It is the first separate buttress trapezoida1aqueduct in China.54000m3concrete shou1d be used for pouring the aqueductwith tota11ength of 63m.We can imagine the high project difficu1ty.A11 1oads of the aqueduct construction are acted on p1ane support structure in a centra1ized mode.Therefore，1oad of p1ane support structure has huge inf1uence on construction safety of aqueduct.In the paper，aqueduct p1ane support structure design and 1oad ca1cu1ation are expounded.

Key words：aqueduct；p1ane support structure；1oad ca1cu1ation

中圖分類號：TV672＋.3

文獻標志碼：B

文章編號：1005-4774（2016）02-0042-06