碗扣式支撑架在大跨径超高拱形渡槽中的应用

□苏卫涛 □杨长庚 □卢 瑕 □赵培森

（1河南省水利勘测设计研究有限公司 2中国人民解放军96251部队工程处）

1 工程概况

仙口河渡槽位于济源市大峪镇桥沟村南，渡槽设计流量为30m3/s，仙口河渡槽总长390m，其中槽身段长372m，槽身采用预应力钢筋混凝土矩形槽结构，槽身断面（宽×高）为3.50m×3.70m，槽底纵比降1/600，槽身段的14～344m部分采用空腹拱式渡槽，分为6跨，每跨跨径55m，矢高12.50m，板式拱圈，拱宽4m，排架式拱上结构，桥墩柱最大高度为30m，其结构形式见图1。

图1 渡槽立面图

2 架体结构和计算

2.1 支撑架选择

渡槽支撑采用复跨肋拱，拱圈采用等截面C30钢筋混凝土双曲板拱，截面宽度为4000mm，高度由900mm（拱顶）渐变至1390mm（拱脚），该渡槽具有高度大、跨度大、横断面小、纵断面长的特点，因此，该支撑架搭设其同样具有这样的特点。结合肋拱混凝土要求有效作业时间短，需要在短时间内完成混凝土浇筑作业，作业量大，安全要求高，通过对碗扣式支撑架与扣件式支撑架的比较，选择了以碗扣式支撑架为主，扣件式支撑架和贝雷片为辅的搭设方案：碗扣式支撑架承担主要部位承重及结构稳定任务，扣件式支撑架承担异形和边角部位承重及稳定任务，贝雷片连接各槽墩，增加纵向整体刚度，主要承担槽墩纵向部分水平荷载。

根据工程布置，并取拱圈位于最大高度部位，即第3跨拱顶处对其进行相应的结构受力分析计算。横断图见图2。

图2 渡槽碗扣式支撑架横剖面图

2.2 支撑架参数

支撑架参数：横向间距或排距0.60m，纵距0.60m，步距0.90m；立杆上端伸出至模板支撑点长度为0.10m，支撑架搭设高度45.00m；采用的钢管为Φ48×3.50(mm)。在外侧全立面上下、左右连续设置剪刀撑，并由底部延伸到顶部大横杆以上，剪刀撑按水平距离3m(即每5跨)设置一道，与水平夹角为50.20°，在剪力撑顶部交点平面，应设置连续水平剪力撑。板底支撑连接方式为方木支撑，钢管顶部采用顶托式支撑，顶托上放置10号工字钢，方木放置在工字钢之上，墩顶拱脚处高度设置一个竹笆脚手板平台，平台两侧各设置一道321贝雷片，用来承担水平力，

2.3 荷载计算

2.3.1 永久荷载

①支撑架立杆承受的每米结构自重标准值查得：gk=0.16kN/m。立杆底部自重荷载：gk×L=0.16×45=7.25 kN；②配件重量，脚手板（竹笆脚手板）：0.35 kN/m2；操作层栏杆与挡脚板：0.15 kN/m2；③混凝土拱板截面按最厚处计算，厚度为1.39m，单位面积自重：25×1.39×4/9=15.44 kN/m2；④模板单位面积自重：5×4/9=2.22 kN/m2； ⑤竖向永久荷载合计： ∑NGK=7.245+（15.44+2.22+0.35+0.15）×0.60×0.60=13.78 kN

2.3.2 可变荷载

①施工荷载（均布荷载）：3.00 kN/m2；②振捣荷载（均布荷载）：2.00 kN/m2；③风荷载（作用于支撑架上的水平风荷载）：Wk＝0.70×Uz×Us×W0

式中：W0＝0.30 kN/m2（按《建筑结构荷载规范》查的全国10年一遇的孟津标准风压）；Uz＝1.62（按B类，乡村地区，离地45m计）；Us＝0.80（碗扣规范）。

经计算，风荷载Wk＝0.70×Uz×Us×W0＝0.7×1.62×0.80×0.30=0.27 kN/m2。计算作用于立杆上的风荷载产生的弯矩，可按下式计算：Mw=1.40×a×l02×WK/10；计算得Mw=1.40×0.60×0.90×0.90×0.272/10＝0.19×10-1kN·m；竖向可变荷载合计：∑NQK=（3.00+2.00）×0.60×0.60=1.80 kN

2.3.3 荷载组合

不组合风荷载时：立杆竖向力N=1.20∑NGK+1.40∑NQK=1.20×13.78+1.40×1.80=19.06 kN＜30 kN满足要求：组合风荷载时：立杆竖向力N=1.2∑NGK+0.9×1.4∑NQK=1.2×13.78+0.90×1.40×1.00=18.80 kN＜30 KN满足要求。

2.4 立杆稳定计算

不组合风荷载时，钢管立柱最大应力计算值为193.17N/mm2，组合风荷载时，计算值为201.15N/mm2，均小于钢材的强度设计值205N/mm2，满足要求。

其他计算不再综述，经过对支撑架纵横向水平杆荷载、立杆荷载、风荷载对立杆产生弯矩值、立杆轴向力、立杆稳定性、纵向水平杆、横向水平杆稳定性、斜杆受力情况的分析和计算，其受力均满足结构安全要求。

根据规范要求，支撑架的高宽比不得超过3，所以支撑架下部架体加宽至15m，加宽高度选支撑架高度的1/3，即14.40m高。并设置揽风绳作为加固措施。

3 支撑体系地基处理

支架立杆最大受力为19.06 kN，立杆底托尺寸为≥20cm×20cm木板（15 cm×15 cm铁托片在上），C15混凝土的应力扩散角取30°，立杆对混凝土表面的压强为=476.50 KPa，混凝土标号为C15，满足要求。

当C15混凝土平垫层10cm厚时，立杆通过混凝土层对回填土层的压强为：

混凝土容重取25 kN/m3，混凝土层对土层的压强为：P3=25×10×0.1=2.5 kPa，换填土层所受总压强为：P=P2+P3=211.78+2.5=214.28 kPa。即地基处理后要求其承载力达到214.78 kPa，方能满足要求，对于回填土，难以达到，故混凝土垫层厚度需加厚。

当C15混凝土平垫层20cm厚时，立杆通过混凝土层对回填土层的压强为：

混凝土容重取25 kN/m3，混凝土层对土层的压强为：P3=25×10×0.20=5.00 kPa， 换填土层所受总压强为：P=P2+P3=119.13+5.0=124.13 kPa。即地基处理后要求其承载力达到124.13 kPa，经地基压实处理，可以达到要求。

故要求地基处理后承载力≥130 kPa，既能满足要求，为考虑支撑架底部荷载的不均匀情况以及地基的不确定因素，要求支撑架基地沿轴线铺设30 cm厚的C15混凝土垫层，处理横向宽度为20m。实际施工时要将原地基碾压，压实度按要求≥96%，垫层料要分层压实，壤土料垫层压实度达到96%，砂垫层相对密度≥0.75。

4 架体的搭设

支撑架搭设场地须平整、坚实、排水措施得当；底座和垫板应准确地放置在定位线上，底座的轴心线与地面垂直；支撑架搭设按立杆、横杆、斜杆、连墙件逐层搭设，每次上升高度≤3m；支撑架在槽墩墩顶高度上沿纵向布置两道贝雷加强行纵向连接，每跨纵向贝雷片之间采用6片横向贝雷片（即10m一道）加强连接，以增加整体稳定；支撑架搭设到顶时，组织技术、安全、施工人员对整个架体结构进行全面的检查和验收，及时解决结构存在的缺陷。

5 结语

碗扣式支撑架在建筑工程和桥梁工程中应用较广，但是在水利工程施工中应用相对较少，针对仙口河渡槽大跨径、高净空的特殊性，本文详细分析了碗口式支撑架的采用、搭设方案和结构安全计算，为以后类似工程施工提供借鉴和参考。