大橋水庫引水工程管橋設計變更分析

趙 亞, 張 建 祥

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

涼山州大橋水庫引水工程是解決西昌市、冕寧縣及沿途鄉鎮引水安全的重要工程，工程任務為城鄉生活供水。工程設計的引水流量為3.434 m3/s，年引水量為7 928.2萬m3。工程等別為Ⅲ等中型。輸水管線、接水點、隧洞、管橋、倒虹管等主要建筑物的級別均為3級，閥門、閥門井、河道防護等次要建筑物的級別為4級，臨時建筑物的級別為5級。

工程線路所在的瀘沽鎮至漫水灣首部樞紐段地形起伏不平，沿線溝壑縱橫且切割較深，是該工程最復雜、最難布置的線路。設計采用6座管橋跨越該段線路的沿線溝壑。管橋上部結構為鋼筋混凝土預制T梁。

2 原管橋設計方案

全線共設中型管橋6座，單座管橋橋跨為30m，橋長60.88 m。管橋橫斷面為：0.25 m(欄桿)+1.1 m(檢修道)+1.8 m(管道寬度)+1.1 m(檢修道)+0.25 m(欄桿)=4.5 m。管橋下部橋臺為樁接蓋梁式橋臺；橋墩采用方柱式實體墩、群樁基礎(布置4根直徑為1.2 m的樁基礎)，最大墩高28 m。上部橋跨布置為2×30 m預制T梁，橋寬4.5 m，橋面凈寬4 m。地震基本烈度為Ⅸ度，地震動水平峰值加速度為0.4 g[1]。管橋典型立面示意圖見圖1。管橋上部結構T梁橫斷面布置情況見圖2。

圖1 管橋典型立面示意圖

圖2 上部結構T梁橫斷面布置圖

管橋的主要材料為：C50混凝土(T梁、橋面現澆層、橋面鋪裝層)、C40混凝土(背墻、蓋梁、擋塊、實體墩身)、C30混凝土(承臺、樁基礎)、GYZd350 mm×96 mm板式橡膠支座、HRB400級和HPB300級鋼筋。預應力鋼束采用的標準為《預應力混凝土用鋼絞線》GB/T5224-2003 φ15.2 mm高強低松弛鋼絞線，其抗拉標準強度為1 860 MPa。

3 施工中存在的問題

3.1 管橋位置分散，難以布置集中預制場

涼山州大橋水庫引水工程為線性工程。1號JP2〗管橋中心樁號為41+141.887，2號管橋中心樁號為41+722.44，3號管橋中心樁號為41+917.44，4號管橋中心樁號為41+970，5號管橋中心樁號為42+398，6號管橋中心樁號為88+184.31。6座管橋分散布置在冕寧縣林區，沿線山地起伏不平，管線附近無既有交通道路，交通十分不便，故該工程無法遵循“安全、緊湊、通暢”的原則布置集中預制場。

因該工程單座管橋需30 m預制T梁4榀，6座管橋共需30 m預制T梁24榀，若采用分散布置預制場的方式，預制場建廠投資大且占地面積較大，不利于投資成本的控制。

3.2 管橋位置無運梁通道

因管橋所在地為冕寧縣林區，跨越“深V型、陡峻”山谷，且山谷頂部有生態養殖場、村組唯一的耕地、天然林區等范圍需要在施工期做好保護工作，全面實現“現代生態化施工”，管橋平面布置航拍圖見圖3。但是，為了滿足T梁運輸，道路的縱坡須小于8%，轉彎半徑須大于20 m，而現有路面寬3 m的鄉村便道一側緊鄰既有深溝壑，另一側則緊鄰現有村落的民房，擴建道路需要拆遷大量的民房，經濟上極不合理。

圖3 管橋平面布置航拍圖

3.3 T梁架設施工的難度大、安全隱患突出

由于單榀30 m預制T梁重約87.8 t，且因管橋均為跨山溝設計，所處地理條件較差，受地形條件影響，預制T梁無法采用一臺或兩臺吊機架設法組織施工。

由于管橋布置分散，預制T梁采用聯合架橋機架設法或雙導梁架橋機架設法組織施工費用昂貴，極不經濟。

受工程所在地施工環境的影響，預制T梁架設考慮采用傳統的簡易型鋼導梁架設法。但該架設法屬高空架設法，高處墜落、機械傷害、物體打擊等事故隱患突出。

另外，因其上部結構調整為現澆方式組織施工、分段澆筑，但現有鄉村便道不滿足混凝土罐車的通行要求，導致混凝土入倉強度無法確保現澆混凝土橋梁的質量受控。

鑒于上述原因，參建各方結合管橋附近布設的鐵路鋼橋，初步考慮將大橋水庫引水工程管橋的上部結構調整為鋼結構。但鋼結構中的橋梁上部結構若采取現場焊接的方式組織施工，現場過多的焊接作業對鋼結構的耐久性將造成很大的損傷、腐蝕及其運行期的維護工作量大。

結合現場實際情況和以上存在的問題，在充分考慮管橋建設的工期要求、成本控制、運行功能等要求后，參建各方最終決定將管橋的上部結構由設計變更的方式調整為組合裝配式貝雷鋼橋結構。

4 管橋設計方案的變更

4.1 變更后的方案

經涼山州大橋水庫引水工程參建各方共同研究與討論后，將管橋的上部結構由原設計方案的預制T梁變更為30 m(長)×4 m(寬)四排貝雷鋼橋[2]。貝雷鋼橋的橋面板采用28號工字鋼加8 mm厚鋼板構成[3]。 貝雷鋼橋采取在廠家購買成品貝雷片及其附屬構件，運輸至施工現場后在現場拼裝的方式組織施工。30 m(長)×4 m(寬)雙排單層鋼橋的主要工程量見表1。

表1 30 m(長)×4 m(寬)雙排單層鋼橋主要工程量表

4.2 貝雷鋼橋的復核計算

貝雷鋼橋的橋面強度滿足引水工程架設單根φ1.2 m自來水管道的要求，在此不予校核其強度。僅對貝雷鋼橋主梁按均布荷載進行校核。

(1)主要計算參數。

W水=1 131 kg=113.1 kN

W水管=473.3 kg=47.33 kN，L=30 m

q1=(W水+W水管)/L

q1=(113.1+47.33)/30=5.35(kN/m)

查《裝配式公路鋼橋使用手冊》,鋼橋自重[4]為:

W橋=27.7 t=277 kN

q橋=W橋/L=277/30=9.2(kN/m)

安全系數K=1.3

(2)橋梁端部剪力計算。

q=q1+q橋=5.35+9.2=14.55(kN/m)

Qmax=(q×L×K)/2

Qmax=(14.55×30×1.3)/2=567.5(kN)

(3)主梁最大彎矩計算。

Mmax=(q×L2×K)/8

Mmax=(14.55×302×1.3)/8

=2 127.9(kN·m)

查《裝配式公路鋼橋使用手冊》知：雙排單層貝雷片鋼橋[Q]=980.8 kN,[M]=3 152.8 kN·m。

Qmax=567.5 kN<[Q]=980.8 kN

Mmax=2 127.9 kN·m<[M]

=3 152.8 kN·m

在上述公式中，W水為水的重力；W水管為鋼管的重力；q1為均布荷載；W橋為鋼橋的重力；q橋為鋼橋自身荷載；q為總荷載；Qmax為最大重力；Mmax為最大彎矩。

綜上可知：變更后的橋梁結構形式安全、合理。

4.3 方案變更前后直接經濟成本的對比分析

(1)變更前預制T梁的費用按設計工程量和概算定額的方法進行費用估算，30 m預制T梁費用估算表見表2。

表2 30 m預制T梁費用估算表

(2)變更后的貝雷鋼橋采用市場詢價法進行相應的費用估算，30 m(長)×4 m(寬)雙排單層鋼橋費用估算見表3。

表3 30 m(長)×4 m(寬)雙排單層鋼橋費用估算表

30 m預制T梁的費用估算為29.92萬元，30 m(長)×4 m(寬)貝雷鋼橋的費用估算為35.322 9萬元，變更后單跨管橋上部結構增加的投資費用約為：35.322 9-29.92≈5.4(萬元)。

該工程6座管橋需增加投資的費用為：5.4×2×6≈64.8(萬元)。

4.4 變更前后間接經濟成本分析

(1)原設計方案為預制T梁，其間接成本高。首先需要增加預制場的臨時征地費用約4.2萬元(征地補償標準按未利用地年補償2.1萬元的標準，設置2處預制場)；其次，需要增加預制T梁由預制場至施工現場的運輸道路建設投資，其涉及到既有村民民房的集體搬遷費用和民房補償費用(新建道路5 km，按每km 15萬元考慮，需投資75萬元)。

(2)變更為貝雷鋼橋后，貝雷鋼橋運輸至管線附近的臨時倉庫后由民用拖拉機運輸至施工現場，在現有征地范圍內拼裝，采用懸臂推出法組織施工，無明顯的間接投資費用增加，較預制T梁方案可節約預制場的臨時征地和新建道路等投資費用。

(3)工期方面，貝雷鋼橋亦具有顯著優勢。

4.5 其他方面

設計變更后的管橋為鋼-混凝土結合結構的組合結構管橋，其與原設計方案的鋼筋混凝土管橋相比，具有重量較輕、制造安裝較為容易、施工速度快、工期短等優點。

組合結構管橋與現場拼裝的裝配式鋼橋相比，具有節省鋼材、耐疲勞、減少鋼梁腐蝕、減少噪音、維修養護工作量較少等優點。

5 貝雷鋼橋的施工流程

管橋上部結構變更后，貝雷鋼橋采用裝配式安裝，其施工工藝流程為：施工準備→安裝鋼橋的座板→安裝鋼橋橋座→安裝鋼橋的桁架→安裝鋼橋的加強橫梁→安裝抗風拉桿→安裝有扣縱梁與無扣縱梁→安裝鋼橋面板[5]。

結合管橋現場的地形、道路狀況，貝雷鋼橋的安裝采用懸臂推出法，即在鋼橋的推出側先行規劃出堆放鋼橋部件、工具等的位置，使鋼橋構件的堆放有利于裝配式人工搬運距離最短。在管橋兩側，先安置好搖滾和平滾，鋼橋的大部分構件在推出側的滾軸上拼好，然后由人力或機械牽引，將橋梁平穩而緩慢地推出，直達管橋的接收側橋臺。在鋼橋未到達接收側橋臺的搖滾之前，在整個懸臂推出過程中，應保持橋梁平衡，始終將橋梁的重心落在推出側搖滾的后面。為使鋼橋順利到達對側，避免在推出過程中因前部懸空發生傾倒的危險，需在正橋前面拼裝幾節鼻梁(鼻梁只裝桁架、橫梁與抗風拉桿等部件，不裝縱梁與橋面板)。

6 結 語

涼山州大橋水庫引水工程管橋上部結構經設計變更后由原設計的預制T梁調整為貝雷鋼橋。變更后，管橋由原設計方案中的單一鋼筋混凝土結構變成了鋼-混凝土結合的組合結構，即管橋下部為鋼筋混凝土結構，上部為鋼結構。

鋼、混凝土組合結構的涼山州大橋水庫引水工程管橋有效地克服了混凝土梁抗拉強度小、有橫向約束時抗壓強度增大等弱點；貝雷鋼橋采用廠家集中生產、運輸至施工現場后采用銷子連接拼裝的方式，有效克服了鋼材容易壓縮屈曲、現場焊接接頭容易生銹等弱點。變更后的管橋其功能滿足設計要求，降低了施工難度，加快了管橋施工進度，確保了管橋施工期安全受控，所取得的經驗值得在類似工程中推廣運用。