小井沟倒冲沟拱式渡槽支架的设计与计算

李　斌，　张 连 顺，　朱 金 卫

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都　610072)

小井沟倒冲沟拱式渡槽支架的设计与计算

李斌，张 连 顺，朱 金 卫

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都610072)

摘要：小井沟倒冲沟渡槽由承台及拱座、主拱圈、排架柱及槽身四部分组成，主拱圈为空腹式双片肋拱结构，单跨度80 m，矢高20 m。根据地形条件，采用钢管柱、贝雷梁和碗口架形成的组合支架作为主拱圈施工支架，加快了施工进度，减少了施工措施费支出，取得了较好的经济效益和社会效益。介绍了该渡槽主拱圈施工支架的设计及安全稳定性计算，可供类似工程参考。

关键词：倒冲沟；拱式渡槽；组合支架；设计计算；小井沟水利工程

1工程概述

图1　倒冲沟渡槽立视图

倒冲沟拱式渡槽为小井沟水利工程输水干渠Ⅱ标段的重要建筑物，全长228.98 m，进口底板高程401.514 m，出口底板高程401.361 m，坡降为1/1 500。渡槽主要结构由承台及拱座、主拱圈、排架柱及槽身4部分组成。主拱圈为空腹式双片肋拱结构，单跨度80 m，矢高20 m，肋拱间采用横系梁连接，混凝土强度等级C40；承台及拱座为实体重力式结构，混凝土强度等级C20；排架柱设计为单排架，横截面尺寸为70 cm×90 cm，设计最大高度为20 m，混凝土强度等级C25；槽身为U型薄壁结构，断面尺寸为4.3 m×3.52 m，拱上单跨槽身长度为6.5 m，拱下单跨槽身长度为12 m。倒冲沟渡槽立视图见图1。2现浇支架方案的选择

根据渡槽所处位置的地形、地貌特点，结合项目实际情况，可供选择的现浇支架主要有满堂扣件式(碗口式)钢管架和钢管柱加贝雷梁以及局部碗口架的组合支架。由于主拱圈拱顶距离沟底原始地面最大高度超过40 m，搭设满堂脚手架工程量大，对架体稳定性要求高，而且还需要进行大面积的地基处理，同时也考虑到沟底汛期的行洪安全以及当地村民的正常通行。从经济性、安全性、可行性等方面综合考虑，决定放弃满堂脚手架作为现浇支架的方案，选用钢管柱和贝雷片以及局部碗口架组合支架作为渡槽拱圈部分的施工支架，主拱圈两侧及上部高架渡槽施工采用搭设扣件式脚手架作为施工支架。

3组合支架的设计

图2　主拱圈现浇支架立面布置图

根据拱式渡槽结构设计图，结合现场地形特点，拱肋组合支架采用钢管柱-贝雷片-碗扣架支架现浇，整个支架分为三段，由直径630 mm的钢管、贝雷梁、φ48×3.5 mm碗扣架等组成(图2)。钢管柱+贝雷片现浇支架杆件均采用螺栓或卡扣连接；支架基础混凝土预埋螺杆与钢管柱连接，钢管柱竖向采用法兰盘连接并设置加筋板。下面分别就以上三部分支架设计进行详细介绍。

3.1碗扣脚手架的设计

布置在拱肋与贝雷片之间的高低部分分三段，中间高，两侧低，碗扣架采用φ48×3.5 mm标准钢管，起架3层，步距为60 cm，以上均为120 cm，拱肋底板以下脚手架立杆纵横距为0.6 m×0.6 m，其余部位脚手架立杆纵横距为0.6×0.9 m，支架宽度为2 m×0.9 m+8 m×0.6 m+2 m×0.9 m=8.4 m，架体四周及内部增加剪刀撑，以抵抗拱圈浇筑时的水平推力，保证支架具有足够的稳定性。

3.2钢管柱-贝雷片支架设计

拱肋采用钢管柱-贝雷片支架现浇，支架系统由下而上依次为：支架基础、钢管柱撑架、横梁、贝雷桁架纵梁和分配梁等。

钢管桩基础采用C25混凝土扩大基础。承台采用5 m×10 m×1.5 m。 钢管柱采φ630×12钢管，用I20a做平联连接和斜撑，5 m设置一道。钢管柱竖向采用法兰盘连接。横梁采用2I40，长度为9 m，按照桥梁中心线对称布置，横断面与桥梁中心线垂直。在安装2I40时必须设置险位卡，防止2I40侧移和倾覆。 横梁2I40共设8根，在2I40上安装贝雷片，贝雷片沿桥梁中心线向两边对称布置，中心间距为180 cm，共计5组。在安装贝雷片时要设置限位装置，以防止贝雷片滑移。在贝雷片上横向布设I20a，间距为60 cm，用U型卡在贝雷片上固定，最后在分配梁上搭设碗扣脚手架。

4组合支架安全稳定性计算

4.1碗扣式支架结构受力计算

4.1.1计算工况及荷载取值

计算工况的选择：拱肋在浇筑过程中，碗扣钢管支架所受到的荷载主要有：拱肋混凝土自重、模板荷载、施工荷载、混凝土振捣荷载等。根据设计要求，整个主拱圈分5段现浇，段间设有混凝土湿接缝，分段浇筑，在施工过程中要求对称浇筑，拱圈及施工荷载通过模板、上方木、碗扣支架等传递给钢管贝雷片支架，碗扣支架按照整体考虑。在拱肋混凝土浇筑过程中，支架要承受拱圈水平分力的作用，但其值很小，在碗扣支架施工过程中增加斜撑即可以抵抗，因此，此次计算主要考虑竖向荷载。按照《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》进行以下施工荷载取值：

(1) 竖向荷载(SX)：梁体重量+支架自重+施工临时荷载。

支架自重标准值(含模板、木方)：x1=3kN/m2；新浇混凝土自重标准值(含钢筋)：x2=25 kN/m3；施工人员及设备活荷载标准值：x3=2kN/m2；振捣、泵送混凝土时产生的荷载标准值：x4=4 kN/m2；

(2)横向荷载(HX)：横向风荷载Q3=1kN/m2；

(3)纵向荷载(ZH)：纵向风荷载Q4=0.4 kN /m2；

(4)荷载组合(CB1)：竖向荷载+0.9×(横向荷载+纵向荷载)。

根据上述数据建立有限元模型，建模时支架高度取18 m(最高跨)的跨进行计算，其宽度为8.4 m，长度取1跨15 m。采用φ48×3.5 mm碗扣式脚手架，材料为Q235钢，通过MIDAS软件进行计算。

4.1.2碗扣立杆受力计算结果

根据有限元模型分析结果，在最大荷载组合效应下，立杆的最大轴力见图3、4。

图3　梁单元组合应力图(单位：MPa)

根据计算结果得知，支架最大位移为DZ=-1 mm(竖向)；支架最大组合应力为25.54 MPa,< 205 MPa；安全系数为8；支座最大反力：12.3 kN<[N]=40 kN；最大轴力：12.5 kN<[N]=40 kN；经以上计算得知，立杆均满足受力要求。

4.1.3碗扣架稳定性验算结果

根据模型计算得知，最大轴压力为12.5 kN，对最大轴力考虑1.7的综合影响系数，则考虑影响系数的最大轴压力为21.25 kN。根据实复式轴心受压杆件的稳定性计算公式，则有：σ=N/A= 21.25×103/(4.89×102)= 42.6(N/mm2)<205×0.829=169.945(N/mm2)，故杆件的稳定性满足要求。同样，按此计算其径厚比(D/τ)为100，故杆件的局部稳定性满足要求。

图4　支座反力图(单位：kN)

4.2贝雷梁支架结构受力计算

拱肋采用钢管柱-贝雷片支架现浇，支架系统由下而上依次为：支架基础、钢管柱撑架、横梁、贝雷桁架纵梁和分配梁等。

4.2.1分配梁I20a受力计算

(1)荷载取值。

分配梁所受荷载为碗扣脚手架的支座反力。其荷载分布见图5。

(2)计算成果。

采用midas软件对其受力进行模拟分析，其组合应力分布情况见图6、剪应力分布情况见图7。

根据上述分析，组合应力最大应力值为7.65 MPa；最小应力值为-2.7 MPa。7.65 MPa<[σ]=170 MPa ，满足要求。 剪应力最大应力值为7.2 MPa，最小应力值为-6.6 MPa。7.2 MPa<[τ]=110 MPa ，满足要求。

4.2.2贝雷梁计算

全桥贝雷梁最大跨度均为12 m，通过MIDAS模型对该跨贝雷梁进行整体和局部受力分析。取最高桥跨为分析对象， 贝雷梁支架为简支梁(图8)。

荷载通过搭设在贝雷片上弦杆的分配梁传递给贝雷片。通过MIDAS整体建模分析的组合应力、剪应力和扰度计算结果分别见图9、10和11。

图5　分配梁I20a荷载分布图(单位：kN/m)

图6　分配梁[12.6组合应力分布图(单位：MPa)

图7　分配梁[12.6组合剪应力分布图(单位：MPa)

图8　贝雷梁支架结构离散图

图9　贝雷梁弦杆组合应力图(单位：MPa)

图10　贝雷梁弦杆剪应力图(单位：MPa)

图11　贝雷梁位移曲线图

从以上应力图可以看出，组合应力出现在下弦杆与工字钢横梁的交界处，最大组合应力为157.77 MPa，最小组合应力为-156.51 MPa。因157.77 MPa<[σ]=205 MPa ，故其满足要求。

最大、最小剪应力出现在上弦杆。最小剪应力为-55.56 MPa ，最大剪应力为56.48 MPa，因56.48 MPa<[τ]=205 MPa ，故其满足要求。

贝雷梁最大挠度出现在跨中支撑架部位，最大挠度为-15.8 mm(向上为正)。小于最大允许挠度[v]= 12 000/400=30 mm，满足要求。

考虑到拱肋混凝土分两次浇筑，通过MIDAS建立贝雷片支架屈曲模态图，经过计算分析，其特征值为4.94，满足稳定性要求。

4.3横梁2I40受力计算

图12　横梁2I40组合应力图(单位：MPa)

共设 横梁2I40 8根。考虑到其受力规律，靠近跨中的工字钢横梁受力最不利，局部应力也最大。在MIDAS模型中，通过上分配梁荷载传递给贝雷片，再由贝雷片分配给下部的工字钢横梁。用MIDAS软件对其受力进行模拟计算，其组合应力、剪应力和挠度计算结果分别见图12～14。

图13　横梁2I40剪应力图(单位：MPa)

图14　横梁2I40扰度分析图(单位：MPa)

通过计算，组合应力最大应力值为53.94 MPa，最小应力值为-111.31 MPa。111.31 MPa<[σ]=170 MPa ，故其满足要求。剪应力最大应力值为52.96 MPa，最小应力值为-52.94 MPa。因52.96 MPa<[τ]=110 MPa ，故其满足要求。最大挠度 νmax=-4 mm，小于最大允许挠度 [v]= 3 600/400=9 mm，满足要求。

4.4钢管桩φ630×12受力计算

取最高跨钢管柱进行计算，计算高度为28 m，通过MIDAS软件对其受力进行模拟计算，钢管桩轴力、应力结果分别见图15、16。

从以上受力图可以得出，钢管桩的最大支座反力为357 kN，钢管桩的最大轴力为550 kN，钢管桩的最大轴向应力为48.4 MPa<210 MPa，强度满足要求。

取最高的28 m钢管柱计算其稳定性，底部视为固结，每5 m设一道20a型槽钢为平联连接和斜撑，取纵桥向钢管失稳为控制研究对象。钢管群视为带侧移排架，取28 m一节钢管立柱(i=24.75cm)为 分 析 对 象，通 过 计 算：N/(φA)= 768 000/(0.324×23 286)=101.79 N/mm2<210 N/mm2。其稳定性满足。

4.5地基承载力计算

除布置在承台上的钢管桩外，其余均采用扩大基础，跨中钢管桩基础采用C25混凝土扩大基础。承台采用5 m×10 m×1.5 m。根据上述计算结果得知，钢管桩的最大支座反力为527 kN；根据《建筑地基基础设计规范》及现场地基的土质情况，fk按照180 kPa进行取值。通过计算，地基承载力Pk为100.74kPa

图15　钢管柱轴力图(单位：kN)

图16　钢管柱轴应力图(单位：MPa)

5结语

(1)实践证明小井沟倒冲沟渡槽由于现场地形条件限制，采用钢管柱、贝雷梁和碗扣架的组合现浇支架方案是可行的。实际搭设共使用钢管柱、贝雷片、工字钢和碗扣式脚手架等钢材总重量为400t，比原来设计考虑扣件式满堂脚手架节约钢材250t，比干渠沿线相同跨直径的渡槽搭设时间缩短至少一个月，采用这种组合支架的优势相当明显。

(2)由于临时墩基础持力层为中等风化的岩石，因此，对基础采用了现浇混凝土条形基础，在拱肋混凝土浇筑过程中，基础沉降几乎为零，整个支架最大竖向位移为20mm(最高跨贝雷梁中部)，横向位移几乎没有。原来由专家论证提出的在最高钢管立柱上两侧各增加两根缆风绳以抵抗架体在混凝土浇筑过程中发生横向位移，事实证明，本组合支架的设计完全可靠，安全系数也是完全有保证的，所增加的缆风绳并没有发挥出其作用，是富裕的。

(3)钢管柱、贝雷梁和碗扣架组合形成的现浇支架与满堂钢管架相比具有地基处理量小、变形小、整体稳定性好和施工速度快等优点，值得今后在类似工程中推广使用。

李斌(1974-),男，甘肃嘉峪关人，工程师，从事水利水电、房屋建筑工程等施工技术与管理工作；

张连顺(1984-)，男，青海西宁人，工程师，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

朱金卫(1987-)，男，重庆巴南人，助理工程师，从事水利水电、城市深基坑支护、地基加固等施工技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

黄金坪电站特大型闸门制作完成

近日，由水电五局制安分局第一水工机械厂承制的大渡河黄金坪水电站特大型闸门等4 922t的金属结构工程制作完成。黄金坪水电站位于大渡河上游甘孜州康定县境内，系大渡河水电基地干流水电规划“三库22级”的第11级电站，电站动态投资约120亿元，总装机容量85万kW，与上游双江口、长河坝水电站联合运行，设计年发电量38亿kW·h。该电站4 900t金属结构制作任务主要包括泄洪洞、导流洞、溢洪道和引水发电系统闸门及拦污栅、启闭机制造采购，闸门多为大型、超大型。2012年1月，水电五局机电制造安装分局第一水工厂中标承担了黄金坪水电站4 922t的金属结构制作任务，金属结构制作工程先后通过了业主、设计、监理、安装等单位组成的6次出厂验收工作。

收稿日期:2015-01-07

文章编号:1001-2184(2015)03-0084-06

文献标识码:B

中图分类号:TV751；TV757；TV761；U441

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