鋼管柱組合貝雷梁施工平臺在渡槽施工中的應(yīng)用

鄭永吉，吳 興

（中國水利水電第一工程局有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

水電一局四川分局承建的毗河供水一期工程位于川中丘陵地區(qū)，輸水線路總長63.67 km，主要渠系建筑物為隧洞、渡槽、明（暗）渠。其中，渡槽有29 座，共計(jì)長6.73 km，跨越河道、水田地、魚塘等不利地形、地貌。由于施工道路狹窄，不適宜大型設(shè)備通行，因此，槽身需采用現(xiàn)澆混凝土的施工工藝。 施工時(shí)，若搭設(shè)滿堂腳手架，投入較多，且施工周期較長。 為節(jié)約資源，克服地基承載力弱等不利因素，項(xiàng)目部設(shè)計(jì)了鋼管柱組合貝雷梁施工平臺。 筆者試結(jié)合實(shí)際工程，探討鋼管柱貝雷梁施工平臺的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，以期為類似工程提供參考。

1 鋼管柱組合貝雷梁施工平臺的設(shè)計(jì)方案和原理

1.1 設(shè)計(jì)方案

鋼管柱貝雷梁施工平臺在橋梁施工中有較為成熟的設(shè)計(jì)和施工方案。 項(xiàng)目部在橋梁工程鋼管柱貝雷梁施工平臺的基礎(chǔ)上，結(jié)合該工程特點(diǎn)，進(jìn)行槽身施工平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。

本次提出的鋼管柱組合貝雷梁施工平臺是以渡槽承臺作為受力基礎(chǔ)，內(nèi)側(cè)搭設(shè)鋼管柱作為支承，然后通過工字鋼橫梁、貝雷梁、分配梁搭建形成的組合支架。

1.2 設(shè)計(jì)原理

鋼管柱組合貝雷梁施工平臺的承載能力和支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)者首先要考慮的問題， 因此本項(xiàng)課題的研究主要圍繞以下幾方面開展。

（1） 針對農(nóng)田軟土地基條件下的平臺支架體系基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)研究及基礎(chǔ)加固技術(shù)研究［1］。 采用預(yù)壓試驗(yàn)對不同跨度的鋼管柱貝雷梁支架穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，通過對線性和非線性屈曲分析，了解不同跨度下的支架結(jié)構(gòu)在極限荷載條件下的穩(wěn)定系數(shù)以及對應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài)， 研究防止鋼管柱組合貝雷梁施工平臺失穩(wěn)的設(shè)計(jì)參數(shù)。 對軟土地基的各類處理方式進(jìn)行比對，選出最佳處理方案。

（2）高平臺支架體系剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析。測定貝雷梁施工平臺的最大承載能力， 同時(shí)獲得支架非彈性變形和彈性變形值， 確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足施工需求的承載范圍，并留有富余；綜合分析風(fēng)、雨、高溫等不同環(huán)境對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響， 并制訂極端氣象條件下的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案及保穩(wěn)措施。

（3） 鋼管柱組合貝雷梁結(jié)構(gòu)形式及組合方式設(shè)計(jì)研究。應(yīng)用有限元理論計(jì)算分析拱式、簡支與連續(xù)組合、簡支等3 種貝雷梁組合結(jié)構(gòu)形式。 基于應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性基本參數(shù)的控制，分析鋼管柱組合貝雷梁架在3 種結(jié)構(gòu)形式中的不同表現(xiàn)， 用實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)理論上得出的最合理結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行優(yōu)化［2］。

2 鋼管柱組合貝雷梁施工平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該工程鋼管柱組合貝雷梁施工平臺的設(shè)計(jì)方案在總干渠第五流量段進(jìn)行試驗(yàn)。 總干渠第五流量段共有4 座渡槽，分別為：王家溝渡槽（五1＋196.63～五1＋466.63）、 三溝田渡槽 （五2＋689.5～五2＋749.5）、胡家渡槽（五2＋826.08～五3＋006.08）、鹽井灘渡槽（五4＋034.20～五4＋579.20）。 王家溝渡槽全長270 m，最大架空高度為10.2 m，下部支撐結(jié)構(gòu)共計(jì)19 個(gè)； 三溝田渡槽全長60 m， 最大架空高度為6.3 m， 下部支撐結(jié)構(gòu)共計(jì)5 個(gè)； 胡家渡槽全長180 m， 最大架空高度為11.0 m， 下部支撐結(jié)構(gòu)共計(jì)13個(gè)； 鹽井灘渡槽全長545 m， 最大架空高度為18.7 m，I 類支撐18 個(gè)，槽臺2 個(gè)。

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該工程設(shè)計(jì)的鋼管柱組合貝雷梁施工平臺是利用渡槽承臺作為受力基礎(chǔ)， 內(nèi)側(cè)搭設(shè)鋼管柱作為支承，由工字鋼橫梁、貝雷梁、分配梁搭建而成的組合支架，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 第五流量段鋼管柱組合貝雷梁施工平臺剖面圖Fig.1 Section of combination of Bailey beam construction platform and five flow section steel tube column

2.2 主要桿件確定

（1）鋼管。 采用直徑為500 mm、壁厚為1.0 cm的鋼管，長度50～900 cm 不等。

（2）橫梁。 采用2 根I32b 型工字鋼，長度為9 m。

（3）貝雷片。 采用國產(chǎn)321 型貝雷片，單片重量為270 kg、高度為1.5 m、長度為2.2 m（定制）和3.0 m（標(biāo)準(zhǔn)）2 種，下設(shè)加強(qiáng)弦桿。

（4）分配梁。 采用I22b 型工字鋼，長度為9 m。

2.3 桿件的連接和固定

（1）鋼管采用法蘭盤連接，采用膨脹螺栓和Φ25鋼筋抱箍與排架柱固定；

（2）貝雷片采用專用插銷拼裝接長，相鄰兩組貝雷片采用連接桿加固，與橫梁接觸面采用鋼板限位，防止滑移和傾覆；

（3）分配梁采用U 型螺桿與貝雷梁連接固定，防止滑移和傾覆。

2.4 卸荷方式

貝雷梁支架體系采用千斤頂卸荷， 千斤頂放置在鋼管柱頂端中心位置，作為重要受力點(diǎn)，承載上部荷載。

3 鋼管柱組合貝雷梁施工平臺的結(jié)構(gòu)計(jì)算［3］

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

槽身截面積為2.889 7 m2， 投影面積為5.4×14.97＝80.84 m2；鋼筋混凝土密度為2.5 t／m2；模板自重為35 t； 施工荷載按0.3 t／m2取； 分配梁自重為8.541 t，貝雷梁自重為17.62 t。

3.2 分配梁計(jì)算

貝雷梁上鋪I22b 工字鋼作為分配梁。工字鋼每根長9 m，間距為0.6 m，共計(jì)26 根，荷載分布長度為5.9 m，計(jì)算跨徑取1.97 m。

3.2.1 荷載計(jì)算

（1）模板自重。 采用定型鋼模板，荷載按350 kN計(jì)算，即q1＝350÷26÷5.9＝2.28 kN／m。

（2）主梁上沿槽身縱向鋪設(shè)I22b 工字鋼作為施工橫梁，鋪設(shè)4 道，共長60 m。 所以，q2＝36.5×60÷1 000×10÷26÷5.9＝0.14 kN／m。

（3）槽身上鋪設(shè)I25b 工字鋼作為配重并與貝雷架上工字鋼連成整體，每根長7 m，設(shè)置16 根。 q3＝42.03×16×7÷1 000×10÷26÷5.4＝0.34 kN／m。

（4）查《路橋施工計(jì)算手冊》可知，施工人員和機(jī)具荷載取1 kN／m2，所以，q4＝80.84×1÷26÷5.9＝0.53 kN／m。

（5）查《路橋施工計(jì)算手冊》可知，混凝土傾倒及振搗產(chǎn)生的荷載取2 kN／m2， 所以q5＝80.84×2÷26÷5.9＝1.05 kN／m。

（6） 混凝土重 （混凝土體積取52.44 m3）。 q6＝52.44×25÷26÷5.9＝8.55 kN／m。

3.2.2 I22b 工字鋼驗(yàn)算

（1）I22b 工字鋼的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算。

I22b 工字鋼截面特性為： 截面抵抗矩W＝325.8 cm3，慣性矩I＝3 583 cm4，彈性模量E＝2.06×105MPa，容許彎曲力σw＝145 MPa，容許剪切應(yīng)力τ＝85 MPa，計(jì)算跨徑取l=1.97 m。

對于作用于分配梁上的荷載， 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，q=（q1＋q2＋q3＋q6）×1.2 ＋（q4＋q5）×1.4=15.78 kN／m。

按照單跨簡支梁計(jì)算分析，彎矩按式（1）計(jì)算，彎矩正應(yīng)力按式（2）計(jì)算。

式中：q 為作用于分配梁上的荷載，kN／m；l 為計(jì)算跨徑，m。

經(jīng)計(jì)算，Mmax=7.66 kN·m，σmax=23.50 MPa， 小于145 MPa，故滿足要求。

（2）I22b 工字鋼抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。

I22b 工字鋼抗剪應(yīng)力計(jì)算式如式（3）所示。

式中：Sx為中性軸以上的毛截面對中性軸的靜矩，I22b 工字鋼Sx=189.8 cm3；δ 為驗(yàn)算截面處腹板的厚度，I22b 工字鋼δ=9.5 mm；Ix為截面慣性矩，I22b 工字鋼Ix=3 583 cm4；Q 為作用于分配梁上的總荷載，kN；τ 為工字鋼剪切應(yīng)力，MPa。

經(jīng)計(jì)算，τ=31.09×1 000×189.8／（3 583×10×9.5）=17.34 MPa，小于容許剪切力85 MPa，故滿足要求。

（3）I22b 工字鋼撓度校核

I22b 為單跨簡支梁受力構(gòu)件，根據(jù)路橋施工手冊，撓度計(jì)算采用公式（4）。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)max=0.42 mm，小于1 970／400=4.9 mm，故滿足要求。

經(jīng)驗(yàn)算，分配梁按照以上布置時(shí)，其工字鋼梁抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、跨中撓度均滿足施工規(guī)范要求。

3.3 貝雷梁計(jì)算

3.3.1 荷載計(jì)算

分配梁上總荷載為15.78×26×5.9=2 420.65 kN；分配梁荷載為8.54×10×1.2=102.48 kN。

3.3.2 貝雷梁驗(yàn)算

（1）貝雷梁的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算。

貝雷片總共為8 片，均勻布置，則分配到每片、每延米的荷載q=（2 420.65＋102.48）÷8÷15=21.03 kN／m。

按照單跨簡支梁計(jì)算分析， 彎矩Mmax=1／8ql2=0.125×21.03×152=591.47 kN·m，國產(chǎn)312 貝雷架最大允許彎矩為975 kN·m，故滿足要求。

（2）貝雷梁抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。

貝雷梁為單跨簡支梁受力構(gòu)件， 根據(jù)剪力圖可知，最大剪力為21.03×7.5=157.73 kN，小于663 kN，故滿足要求。

（3）貝雷梁撓度校核。

貝雷梁為單跨簡支梁受力構(gòu)件， 根據(jù)路橋施工手冊， 其跨中撓度Fmax=5ql4／384EI=26.86 mm， 小于15 000／400=37.5 mm，故滿足要求。

經(jīng)驗(yàn)算，貝雷梁按照以上布置時(shí)，該貝雷梁抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、跨中撓度均滿足施工規(guī)范要求。

3.4 主梁計(jì)算

鋼管柱上主梁由2 根I32b 型工字鋼組成，每根長9 m，每根I32b 工字鋼受4 個(gè)集中荷載。4 個(gè)集中荷載大小相等， 均為P。 P=［15.78×5.9×26＋（8.54＋17.62）×12］÷4÷4=170.91 kN。

該主梁受力為簡支梁式受力，鋼管柱處支座反力為341.82 kN。 根據(jù)內(nèi)力計(jì)算， 跨中彎矩M=341.82×2.1-170.91×2.95-170.91×0.98=46.15 kN·m。 I32b 截面抵抗矩W=726.7 cm3，σmax=M／W=63.50 MPa＜145 MPa。因此，I32b 工字鋼的抗彎強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)公式（3），計(jì)算I32b 工字鋼的抗剪應(yīng)力，其中Sx=426.1 cm3，δ=11.5 mm，Ix=11 626 cm4，容許剪切應(yīng)力為85 MPa。 經(jīng)計(jì)算，τ=54.47 MPa＜85 MPa，故滿足要求。

3.5 立柱強(qiáng)度計(jì)算

（1） 荷載計(jì)算。

主梁為I32b 型工字鋼， 線密度為57.71 kg／m，則2 根工字鋼的重量m=57.71×2×9=1 038.78 kg，單根立柱荷載P1=（1 038.78／2）÷1 000×10=5.19 kN。 根據(jù)前面已計(jì)算的主梁上荷載， 單根立柱所受主梁以上的荷載P2=170.91×4／2=341.82 kN。 單根立柱上的總荷載N=P1＋P2=347.01 kN。

（2）強(qiáng)度驗(yàn)算。

σa=N／Aji=347.01×1 000／0.015 3=22.68 MPa ＜1.2×140=168 MPa，所以鋼管柱強(qiáng)度滿足要求。

（3）穩(wěn)定驗(yàn)算。

采用式（5）進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。

式中：ψ 為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，取鋼管柱計(jì)算長度l0 為18 m，得ψ=0.27。

經(jīng)計(jì)算，σa=84.00 MPa，小于168 MPa，故滿足要求。

4 鋼管柱組合貝雷梁施工平臺的應(yīng)用

4.1 研究成果分析

毗河供水一期工程總干渠第五流量段排架式渡槽全部采用了鋼管柱組合貝雷梁施工平臺， 根據(jù)渡槽槽身拆模強(qiáng)度要求和施工進(jìn)度要求， 一個(gè)渡槽平均需配置4 跨鋼管柱組合貝雷梁施工平臺的材料，方能滿足施工要求［4］。

從運(yùn)用實(shí)例看， 鋼管柱組合貝雷梁施工平臺利用渡槽已形成的剛性基礎(chǔ)， 鋼管柱直接安裝在板式基礎(chǔ)施工平臺上， 在進(jìn)行組合貝雷梁的搭設(shè)時(shí)，施工操作簡單，效率高，材料占用少，人工消耗少，還可克服地基沉降難題［5］。 同等條件下，搭設(shè)滿堂支架腳手架管需首先進(jìn)行地基處理， 施工周期較長， 施工一跨槽身從搭設(shè)到拆除再到脫模約需要20 d 左右（不含排架及地基處理時(shí)間），且材料占用較多。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

將鋼管柱組合貝雷梁施工平臺和滿堂腳手架方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對比， 鋼管柱組合貝雷梁施工平臺一跨槽身施工成本約為4.2 萬元， 懸掛式貝雷梁施工平臺一跨槽身施工成本約為2.5 萬元， 滿堂支架施工支架一跨槽身施工成本約為6 萬元，且受地基條件、架空高度限制較大。

4.3 社會效益

利用鋼管柱組合貝雷梁施工平臺和懸掛式貝雷梁施工平臺，避免了大量的土石方工程的地基處理，對施工環(huán)境和水土保持起到了非常好的效果； 減少了大量的搭設(shè)腳手架工程量，節(jié)約材料、節(jié)約人工，對提高生產(chǎn)效率起到了一定的推動(dòng)作用。

5 結(jié)語

綜上所述， 鋼管柱組合貝雷梁施工平臺在施工期間具有不受地形、地物限制的特點(diǎn)，同時(shí)又不影響下部空間使用或者妨礙原有交通的通行， 特別適用于跨越水系、 深谷以及軟弱地基等地貌和地質(zhì)狀態(tài)的渡槽、橋梁施工。 實(shí)踐證明，該鋼管柱組合貝雷梁施工平臺主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)是可行的， 經(jīng)濟(jì)上是合理的，應(yīng)用于水利渡槽施工是成功的。在進(jìn)行支撐體系搭設(shè)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)間距、尺寸搭設(shè)。 為保證鋼管柱穩(wěn)定，超過10 m 架空的鋼管柱，每隔3 m 須用槽鋼連接成整體。