穿心鋼棒法在渡槽施工中的應(yīng)用

趙 啟 強(qiáng)，楊 璐 銘，羅 志 遠(yuǎn)

(中國(guó)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(qū)終期設(shè)計(jì)灌溉面積為1 468萬(wàn)畝(1hm2=15畝)，其中毗河供水區(qū)為333.23萬(wàn)畝。毗河供水工程是都江堰丘陵擴(kuò)灌區(qū)之一，工程總體布局由引水樞紐、總干渠及渠系工程、灌區(qū)囤蓄水庫(kù)及提灌工程等組成。毗河供水工程以城鎮(zhèn)供水和灌溉為主，該工程供水區(qū)共涉及7市(區(qū)、縣)160個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，總?cè)丝?23萬(wàn)人，其中城鎮(zhèn)人口108萬(wàn)人；設(shè)計(jì)灌面333.23萬(wàn)畝(其中一期工程設(shè)計(jì)灌面125.49萬(wàn)畝)，總干渠終期設(shè)計(jì)引用流量為60 m3/s(其中：一期工程設(shè)計(jì)引用流量為22 m3/s)。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)之規(guī)定，毗河供水工程等別屬I(mǎi)等，相應(yīng)工程規(guī)模為大(1)型灌區(qū)。

毗河供水工程具有整體戰(zhàn)線(xiàn)長(zhǎng)、工期緊、地形條件相對(duì)較差的特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)主要以排架為主，根據(jù)高度不同分為單排架、雙排架、墩柱、空心墩、實(shí)心墩、墩柱+單排架等形式；其中墩柱+單排架形式的支承結(jié)構(gòu)主要是針對(duì)跨河流段，在墩柱和單排架連接部位設(shè)置有高承臺(tái)。高承臺(tái)為矩形結(jié)構(gòu)，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(guò)10 m。

2 施工方案的選擇

對(duì)于高承臺(tái)施工，一般采用預(yù)埋牛腿或滿(mǎn)堂支架作為支承系統(tǒng)，預(yù)埋牛腿對(duì)墩柱的破壞面積較大，有損成品混凝土外觀(guān)質(zhì)量；若采用滿(mǎn)堂支架法，因墩柱較高，支架搭設(shè)密度大，施工周期長(zhǎng)且基礎(chǔ)處理成本高；若采用抱箍方案，其高空作業(yè)安裝與拆卸不便。技術(shù)人員通過(guò)認(rèn)真分析研究和比較，最終決定使用穿心鋼棒法施工高承臺(tái)。

3 穿心鋼棒法的設(shè)計(jì)與受力分析

穿心鋼棒法施工即將兩根墩柱水平預(yù)埋穿心PVC管，鋼棒從墩柱預(yù)留孔對(duì)穿，其墩柱外側(cè)懸出部分鋪設(shè)工字鋼作為縱梁支承，以此作為高承臺(tái)模板的支撐點(diǎn)，搭設(shè)高承臺(tái)底模和施工平臺(tái)。結(jié)合類(lèi)似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，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(shè)置沙袋和枕木。但因沙袋具有可塑性，通過(guò)沙袋將鋼棒與上部結(jié)構(gòu)的線(xiàn)接觸轉(zhuǎn)化為面接觸，進(jìn)而增大了接觸面，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；枕木則能有效增大縱梁與下部結(jié)構(gòu)間的摩擦系數(shù)，同時(shí)能夠通過(guò)控制枕木高度微調(diào)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(tái)自身重量及上部活動(dòng)荷載通過(guò)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?xún)H需對(duì)鋼棒的抗剪能力、橫梁的強(qiáng)度進(jìn)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(dòng)荷載。

模板體系、人員、設(shè)備、振動(dòng)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(yīng)力[τ]為110 N/mm2。

圖1 高承臺(tái)底模支架立面示意圖

圖2 高承臺(tái)底模支架平面示意圖

=21.97(N/mm2)

經(jīng)計(jì)算，鋼棒剪應(yīng)力τ遠(yuǎn)小于許用值[τ],滿(mǎn)足鋼棒抗剪要求。

橫梁強(qiáng)度校核：

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

根據(jù)簡(jiǎn)化模型計(jì)算得到：

橫梁上部荷載由對(duì)稱(chēng)的兩根橫梁共同承擔(dān)，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(gè)雙向?qū)ΨQ(chēng)的支座共同承擔(dān)，因而每個(gè)支座上的支座反力F=(1.2G1+1.4G2)

/4=172.5(kN)。

根據(jù)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(nèi)的最大正彎矩和最大負(fù)彎矩分別為：

因此，橫梁內(nèi)最大彎矩為44.92 kN·m。

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

=170 MPa

由此可見(jiàn)，橫梁最大正應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用正應(yīng)力，橫梁滿(mǎn)足正應(yīng)力強(qiáng)度條件。

圖3 橫梁體系簡(jiǎn)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(yīng)力遠(yuǎn)小于許用切應(yīng)力，因而橫梁滿(mǎn)足切應(yīng)力強(qiáng)度條件。

綜合橫梁正應(yīng)力、切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，分析認(rèn)為橫梁強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4 施工過(guò)程

墩柱施工時(shí)，在墩柱內(nèi)部預(yù)埋PVC管作為橫穿鋼棒的通道。根據(jù)支架結(jié)構(gòu)，將水平渡槽軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)預(yù)埋在墩柱內(nèi)，準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)埋高程及位置并采用鋼筋定位固定，確保其在澆筑過(guò)程中不會(huì)變形和破壞。PVC管兩端采用膠布密封，亦可采用相同長(zhǎng)度的木棒穿入PVC管中，避免在澆筑過(guò)程中被混凝土堵塞，使其在澆筑時(shí)能形成大小準(zhǔn)確的光滑預(yù)留孔。進(jìn)行上部支承體系搭設(shè)前，在預(yù)留孔中穿入φ100的鋼棒，鋼棒的長(zhǎng)度根據(jù)墩柱的具體尺寸確定，且必須考慮足夠的外露長(zhǎng)度。鋼棒的安裝采用吊車(chē)配合人工將鋼棒插入PVC管通道，兩端外露長(zhǎng)度一致。

鋼棒安裝完成后，兩端需放置沙袋和枕木以調(diào)節(jié)縱梁安裝高程，確保縱梁安裝水平，其傾斜誤差不得超過(guò)±3 cm。隨后進(jìn)行分配梁的安裝。為防止側(cè)翻，兩端分配梁應(yīng)同時(shí)安裝到位。設(shè)置分配梁的目的一方面是作為高承臺(tái)的施工平臺(tái)，另一方面是作為承臺(tái)底模支撐結(jié)構(gòu)。在分配梁安裝完成后，最后進(jìn)行高承臺(tái)底模的鋪設(shè)，由測(cè)量人員對(duì)底模高程進(jìn)行復(fù)核，看其是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并于施工平臺(tái)四周安裝防護(hù)欄桿以保障施工安全。高承臺(tái)支承體系的安裝均采用吊車(chē)配合人工進(jìn)行。

穿心鋼棒法主要施工工序如下：

墩柱施工→預(yù)埋PVC管→鋼棒安裝→鋪設(shè)縱梁→鋪設(shè)分配梁→鋪設(shè)高承臺(tái)底模→工序驗(yàn)收并澆筑。

5 支架預(yù)壓

5.1 預(yù)壓的目的

(1)通過(guò)預(yù)壓的手段檢驗(yàn)支架整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力的情況，確保支架在施工過(guò)程中絕對(duì)安全。

(2)通過(guò)預(yù)壓掌握支架的彈性變形和非彈性變形的大小，以便更加準(zhǔn)確地掌握支架的剛度等力學(xué)性能，控制立模標(biāo)高，確保蓋梁的施工質(zhì)量、標(biāo)高滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5.2 預(yù)壓的實(shí)施

(1)預(yù)壓超載系數(shù)取1.2；

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

(3)預(yù)壓荷載分級(jí)為：100%預(yù)壓、120%加載預(yù)壓；加載完100%荷載后持荷1 h，觀(guān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)并作好記錄，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)并作好記錄，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，掌握支架的變形情況；

(4)支架預(yù)壓完成，對(duì)整個(gè)試壓過(guò)程進(jìn)行分析、總結(jié)，保證支架正常地按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求施工；

(5)卸載順序與加載時(shí)相反。應(yīng)注意必須對(duì)稱(chēng)均勻地卸載并做好觀(guān)測(cè)和檢查工作。

5.3 安全注意事項(xiàng)

(1)對(duì)支架各部位進(jìn)行仔細(xì)檢查，確保各部位連接可靠，以保證其正常使用。

(2)準(zhǔn)備好預(yù)壓材料并將其運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，安排好施工人員。

(3)加載前布置好監(jiān)控和測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)并作出明顯的標(biāo)志、標(biāo)識(shí)，有效地進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)測(cè)定其初始數(shù)據(jù)。

(4)建立完善的支架加載人員的組織協(xié)調(diào)工作和必要的安全保障工作。

6 施工控制要點(diǎn)

6.1 鋼棒預(yù)埋高程

根據(jù)該支承結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將鋼棒預(yù)埋高程控制在高承臺(tái)底部70～80 cm為宜，以方便調(diào)節(jié)。

6.2 縱梁高程的控制

縱梁高程的控制直接關(guān)系到高承臺(tái)的設(shè)計(jì)底高程。兩側(cè)縱梁高程必須一致且兩端必須水平。采用測(cè)量?jī)x器校核，通過(guò)調(diào)節(jié)沙袋和枕木消除兩側(cè)縱梁的高程偏差。

6.3 分配梁的安裝

分配梁的安裝應(yīng)遵循“先中間、后兩邊”的原則，防止其發(fā)生側(cè)翻和滑移。

6.4 高承臺(tái)結(jié)構(gòu)的施工

進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工前，必須提前搭設(shè)好爬梯以方便施工人員上下；若超過(guò)一定高度，必須將其設(shè)置成旋轉(zhuǎn)爬梯；支撐架臨邊必須搭設(shè)防護(hù)欄桿，敷設(shè)密目網(wǎng)；高承臺(tái)結(jié)構(gòu)施工階段，作業(yè)人員必須正確佩戴安全帶和安全帽，防止發(fā)生高空墜落事故(圖6)。

圖6 高承臺(tái)混凝土澆筑施工圖

7 結(jié) 語(yǔ)

采取路橋施工常用的蓋梁穿心鋼棒法解決渡槽高承臺(tái)施工問(wèn)題是一次新的嘗試，發(fā)揮了鋼棒法施工便捷、快速、成本低的特點(diǎn)，提高了本工程渡槽的施工進(jìn)度；通過(guò)驗(yàn)算施工穩(wěn)定性，確定了基本的施工參數(shù)和材料選型，為今后類(lèi)似工程提供了寶貴的參考經(jīng)驗(yàn)。