南水北调中线青兰渡槽平板支撑结构设计及荷载计算

董维国 郜文英

（1.山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 310001；2.河北省水利工程局，河北石家庄 050021）



南水北调中线青兰渡槽平板支撑结构设计及荷载计算

董维国 郜文英

（1.山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 310001；
2.河北省水利工程局，河北石家庄 050021）

【摘 要】南水北调中线青兰渡槽是南水北调中线总干渠的“咽喉”工程之一，是国内首例分离式扶壁梯形渡槽，总长63m的渡槽仅混凝土浇筑就需要5.4万m3，工程难度之大可想而知。而渡槽施工的全部荷载都集中作用于平板的支撑结构上，因此平板支撑结构的荷载对渡槽的施工安全影响巨大，本文就渡槽平板支撑结构设计及荷载计算进行了阐述。

【关键词】渡槽；平板支撑结构；荷载计算

1　工程简介

南水北调中线一期总干渠与青兰高速连接线交叉工程位于邯郸市南环路、西环路以及青兰高速连接线互通立交桥处，采用渡槽型式跨越高速公路。槽身为分离式扶壁梯形渡槽，渡槽由下部基础灌注桩工程、承台及墩柱支撑结构、平板连续梁承载结构和槽身挡水结构组成。渡槽长63.0m，跨度为19m＋25m＋19m。本文就平板连系梁承载结构的施工展开论述。

2　结构设计及荷载计算

渡槽平板支撑结构为三跨变截面预应力钢筋混凝土板结构，宽度58.792m，施工采用碗扣式满堂支架现浇方案。其结构型式见图1。

图1　平板支撑结构型式（单位:cm）

2.1承重支架基础处理

承台施工完成后，采用级配碎石对承台基坑进行回填，控制相对密度不小于0.75。为了增加地基整体刚度和承载力，在整平压实级配碎石垫层上浇筑25cm 厚C20混凝土作持力层和封闭层，并设置2‰范围内的双向横坡和埋设注浆管，同时在支架左、右侧边缘外开挖排水沟向外引水，以防地基被水浸泡。

2.2承重支架设计方案

满堂式碗口支架体系包括支架基础、φ48mm× 3mm碗口立杆、横杆、竖向（水平）剪刀撑、可调底座、可调顶托、I10（I16）工字钢分配托梁、I50a门洞梁；模板系统包括底模9015组合钢模板、定型钢侧模和定型钢端模。支架搭设宽度为66.6m，纵向分跨搭设，搭设高度6.8～8.8m。

在混凝土硬化好的基础顶面上安设立杆可调底座，其上搭设碗扣式多功能支架。各项技术指标通过计算确定，纵向立杆采用30cm和60cm两种间距，横向立杆采用60cm间距，水平横杆步距1.2m。在墩柱和支架顶托上架设I16工字钢梁。考虑交通运输，在上游边跨设置1个净宽3.6m、高5m的门洞，支撑采用密集碗扣支架，纵、横向间距0.3m，纵向各布置5排，水平横杆步距0.6m；支架顶托横向放I16工字钢梁，工字钢梁之间焊接连接筋整体化，上部纵向放I50a工字钢，间距60cm，其上再置纵、横向间距0.6m的支架承载上部模板和混凝土等；门洞两侧支撑架采用C20混凝土护轮保护。

支架顶用可调顶托支撑横向布置的I10工字钢梁（边墩平板处纵向布置I10工字钢梁），上面布置9015组合钢模板。

2.3承重支架力学验算

2.3.1荷载分析计算

a.模板及模板支撑荷载Q1。

ⓐ底模（包括I10号工字钢），取q1-1＝0.9kN/m2；ⓑ侧模，取q1-2＝0.8kN/m2；

ⓒ碗扣式脚手架荷载，按支架搭设高度8.98m计算（含剪刀撑），q1-3＝2.5kN/m2；

ⓓq1＝0.9＋0.8＋2.5＝4.2kN/m2。

b.混凝土箱梁荷载Q2。

纵向根据箱梁断面变化，按分段均布荷载考虑，其布置情况如图2所示。

图2　平板支撑结构纵向荷载分布（单位:cm）

c.施工人员及设备荷载Q3。

查《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 166—2008）第4.2.5条，Q3取1kN/m2。

d.水平模板的混凝土振捣荷载Q4。

查《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 166—2008）第4.2.5条，Q4取1kN/m2。

2.3.2碗扣式立杆受力验算单肢立杆轴向力:

式中 Lx、Ly——单肢立杆纵向和横向间距。

a.中跨梁端位置，最大分布荷载: N＝1.2×（4.2 ＋75）×0.3×0.6＋1.4×（1＋1）×0.3×0.6 ＝17.6kN。

单根立杆受力:N＝17.6kN＜［N］＝30kN。

b.中跨跨中位置，最大分布荷载: N＝1.2×（4.2＋48）×0.6×0.6＋1.4×（1＋1）×0.6×0.6 ＝23.27kN。

单根立杆受力:N＝23.27kN＜［N］＝30kN。

c.边墩柱“八字”处位置:立杆纵向布置两排。考虑边墩承受1/2荷载，立杆均匀受力，则每根立杆受力为:N＝［1.2×（4.2＋37.5）×1.75×0.6＋1.4×（1 ＋1）×1.75×0.6］×1/2×1/2＝13.8kN＜［N］＝30kN。

d.中墩柱“八字”处位置:立杆纵向布置4排，与中墩共同承载纵向长度1.2＋0.3×3＋0.15×2＝2.4m范围内荷载。考虑中墩承受1/2荷载，立杆均匀受力，则每根立杆受力为: N＝［1.2×（4.2＋75）×2.4×0.6 ＋1.4×（1＋1）×2.4×0.6］×1/2×1/2×1/2＝17.5kN＜［N］＝30kN。

e.门洞:门洞净宽3.6m，两边支撑采用碗扣式脚手架，纵、横向间距0.3m，纵向各设5排，共同承载纵向长度3.6＋0.3×8＋0.15×2＝6.3m范围内荷载。考虑立杆均匀受力，则每根立杆受力为:

N＝［1.2×（4.2＋53.5）×6.3×0.3＋1.4×（1＋1）

×6.3×0.3］×1/10＝13.6kN＜［N］＝30kN。

2.3.3地基承载力验算

地基处理采用40cm厚碎石垫层，25cm厚C20混凝土。根据力的扩散原则，计算原状土层荷载。原状土层承载力为310kN/m2，按门洞支撑立杆验算，每根立杆受力21.2kN，受力面积0.3m×0.6m。

地基承载力计算公式:

计算得: fg＝21.2/（0.3×0.3）＝236kN/m2＜310kN/m2。

2.3.4支架稳定性验算

碗扣式满堂支架是组装支架，单根碗扣在承载力允许范围内不会失稳，因此以轴心受压的单根立杆进行验算，按下式进行验算:

碗扣件采用外径48mm，壁厚3.0mm，A＝423.9mm2， A3钢，I＝3.14×（244 -214）÷4＝10.78×104mm4，则回转半径i＝（I/A）1/2＝1.59cm；横杆步距:L＝1.2m计算，钢管长细比λ＝L/i＝120/1.59＝75.5＜［λ］＝230，取λ＝76。

轴心受压杆件，查《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ 166—2008）附录E，Q235A钢管轴心受压构件的稳定系数:φ＝0.744，［f］＝205MPa。则:［N］＝0.744×423.9×205＝64653N＝64.7kN。

中跨跨中位置受力最大，每根立杆受力23.27kN，23.27kN＝N≤［N］＝64.7kN。

2.4模板验算

2.4.1底模验算

底模采用P9015组合钢模板，支架顶托上部铺设I10工字钢作为托梁。荷载首先作用在板底模板上，按照“底模→托梁→可调托座→立杆→基础”的传力顺序。取P6015钢模板（δ＝3.0）截面特征验算P9015钢模板（δ＝3.75）。查《建筑施工手册》表8-71，P6015钢模板（δ＝3.0）截面特征:IX＝58.87×104mm4，Wx＝13.02×103mm3，弹性模量＝206000N/mm2。

a.荷载计算。

模板自重标准值:q1＝0.8×0.6＝0.48kN/m；

新浇混凝土自重标准值: q2＝3×25×0.6＝45kN/m；

板中钢筋自重标准值: q3＝3×1.5×0.6＝2.7kN/m；

施工人员及设备活荷载标准值:q4＝3×0.6＝1.8kN/m；

振捣混凝土时产生的荷载标准值:q5＝2×0.6＝1.2kN/m。

前三项为恒载，取分项系数为1.2；后两项为活载，取分项系数为1.4，则底模计算承载力荷载:

q＝（q1＋q2＋q3）×1.2＋（q4＋q5）×1.4＝（0.48 ＋45＋2.7）×1.2＋（1.8＋1.2）×1.4＝62kN/m；

验算挠度荷载:q＇＝（q1＋q2＋q3）×1.2＝（0.48＋45＋2.7）×1.2＝57.8kN/m。

b.抗弯强度计算。

查《建筑施工手册》表8-74得:

M＝0.105ql2＝0.105×62×6002＝234×104N·mm。

查《建筑施工手册》“常用结构计算”中受弯构件的承载能力公式为:

c.挠度计算。

查《建筑施工手册》表8-74得:

2.4.2托梁强度与刚度验算

模板托梁（I10工字钢）按三跨连续梁验算，承受上部模板传来的荷载。I10工字钢截面特征:IX＝245× 104mm4，Wx＝49×103mm3，弹性模量＝206000N/mm2。

a.荷载计算。

不考虑托梁自重，荷载同底模验算荷载。

b.计算简图。

底模托梁计算简图见图3。

图3　底模托梁计算简图（单位:cm）

c.抗弯强度计算。

查《建筑施工手册》表8-74得:

M＝0.10ql2＝0.1×62×6002＝223×104N·mm。

查《建筑施工手册》“常用结构计算”中受弯构件的承载能力公式为:

d.挠度计算。

查《建筑施工手册》表8-74得:

2.5中墩柱“八字”处位置纵梁计算

纵梁采用I16工字钢，架设在中墩柱和4排支架的顶托上，承受上部传递的荷载，跨径为0.15＋1.2＋0.15＝1.5m，荷载同底模荷载，按单跨简支梁验算。I16工字钢截面特征:IX＝1172×104mm4，Wx＝140.9× 103mm3，弹性模量＝206000N/mm2。

2.5.1计算简图

中墩柱“八字”纵梁计算简图见图4。

图4　中墩柱“八字”纵梁计算简图（单位:cm）

2.5.2抗弯强度计算

查《建筑施工手册》表8-73得:

M＝1/8×62×15002＝17.4×106N·mm。

查《建筑施工手册》“常用结构计算”中受弯构件的承载能力公式为:

2.5.3挠度计算

查《建筑施工手册》表8-73得:

2.6边墩柱“八字”处位置I10托梁计算

托梁采用I10工字钢，纵向架设在边墩柱和支架的顶托上，最大跨径为1.15m，按三跨连续梁验算，承受上部模板传来的荷载。I10工字钢截面特征:IX＝245× 104mm4，Wx＝49×103mm3，弹性模量＝206000N/mm2。

2.6.1 荷载计算

模板自重标准值:q1＝0.8×0.6＝0.48kN/m；

新浇混凝土自重标准值:q2＝1.5×25×0.6＝22.5kN/m；

板中钢筋自重标准值: q3＝3×1.5×0.6＝2.7kN/m；

施工人员及设备活荷载标准值:q4＝3×0.6＝1.8kN/m；

振捣混凝土时产生的荷载标准值:q5＝2×0.6＝1.2kN/m。

底模计算承载力荷载: q＝（q1＋q2＋q3）×1.2＋（q4＋q5）×1.4＝（0.48＋22.5＋2.7）×1.2＋（1.8＋1.2）×1.4＝35.02kN/m；

验算挠度荷载:q＇＝（q1＋q2＋q3）×1.2＝（0.48＋22.5＋2.7）×1.2＝30.8kN/m。

2.6.2计算简图

边墩柱“八字”托梁计算简图见图5。

图5　边墩柱“八字”托梁计算简图（单位:cm）

2.6.3抗弯强度计算

查《建筑施工手册》表8-74得:

M＝0.10ql2＝0.1×35.02×11502＝463.1×104N·mm。

查《建筑施工手册》“常用结构计算”中受弯构件的承载能力公式为:

2.6.4挠度计算

查《建筑施工手册》表8-74得:

2.7门洞I50a工字钢梁验算

门洞净宽3.6m，高5m，采用I50a工字钢梁，两侧采用5排纵向间距0.3m、横向间距0.3m的碗扣式支架作为支撑，支架顶托横向铺设I16工字钢，I50a工字钢架设在I16工字钢上，接受上面支架传递的力。I50a工字钢截面特征:IX＝46472×104mm4，Wx＝1858.9× 103mm3。

2.7.1荷载计算模板、支架自重标准值:q1＝1.5×0.6＝0.9kN/m；

新浇混凝土自重标准值:q2＝2.14×25×0.6＝32.1kN/m；

梁中钢筋自重标准值: q3＝3×1.5×0.6＝2.7kN/m；

施工人员及设备活荷载标准值:q4＝3×0.6＝1.8kN/m；

振捣混凝土时产生的荷载标准值:q5＝2×0.6＝1.2kN/m。

门洞I50a工字钢梁计算承载力荷载: q＝（q1＋q2＋q3）×1.2＋（q4＋q5）×1.4＝（0.9＋32.1＋2.7）× 1.2＋（1.8＋1.2）×1.4＝47.04kN/m；

验算挠度荷载: q＇＝（q1＋q2＋q3）×1.2＝（0.9＋32.1＋2.7）×1.2＝42.84kN/m。

2.7.2计算简图

50a工字钢梁计算简图见图6。

图6　50a工字钢梁计算简图（单位:cm）

2.7.3抗弯强度计算

查《建筑施工手册》表8-73得:

M＝1/8×47.04×45002＝119.1×106N·mm。

查《建筑施工手册》“常用结构计算”中受弯构件的承载能力公式为:

2.7.4挠度计算

查《建筑施工手册》表8-73得:

3　支架预压及观测

3.1支架预压的目的

在支架搭设完毕、支撑平台底模铺好后，对支架进行预压。预压目的:一是检验支架及地基的强度与稳定性，消除支架及地基的非弹性变形；二是检验支架的受力情况和弹性变形情况，测量支架的弹性变形量，得到支架的弹性变形值作为施工预留拱度的依据；三是测出地基沉降，为同类型的工程施工提供经验数据。

3.2支架预压的方法

预压使用沙袋静压法，每个沙袋重15kN。边跨需堆载55242kN，中跨需堆载81623kN，沙袋数量按中跨所需数量81623÷15＝5442个，现场准备5600个。

采用堆载的方法均布地压于支架上，并设观测点进行观测。预压时要求荷载位置与板自重荷载分布一致，并按板自重等荷载进行预压。

加载时按设计荷载的60%、80%、110%分三级加载，测出各测点加载前后的高程。待沉降稳定后，再分别按加载级别卸载，并分别测出每级荷载下各测点的高程值。

3.3布置观测点及观测

为准确测出整跨的沉降情况，预压前在每跨墩柱之间的支架上及相应支架底部布设测点。

3.4沉降观测

a.预压前对支架进行全面检查，对所有点进行观测记录。

b.加载时按照设计荷载的60%、100%、110%分三级加载，每级加载完成后，均观测各点下沉量，在最后一次加载完成后观测一次。

c.以后每天观测一次，一直观测到各点每天下沉量均小于1mm为止。

d.卸载后6h进行观测。

e.为了便于观测支架沉降，在距模板底50cm的立杆上焊接长度30cm的∟50角钢，作为模板变形观测基点，利用1m钢板尺、钢卷尺、水准仪进行测量观测。

f.预压时逐日对其进行沉降观测，做好记录，首日每隔6h进行一次沉降观测，直至最后的平均沉降值小于1mm（24h以上），同时满足连续三次各测点平均沉降值累计小于5mm时方可卸载。

g.荷载的持荷时间应不少于1昼夜，如此一方面可收集支架、地基的变形数据，观察地基的承载力是否满足要求，另一方面可减少或消除支架的构造变形，保证浇出的平板支撑结构不发生大的挠度变形和开裂。

h.预压时的主要观测数据有支架底座沉降——地基沉降，顶板沉降——支架沉降，卸载后顶板恢复量以及支架的侧位移量和垂直度。沉降稳定卸载后算出地面沉降、支架的弹性和非弹性变形数值，根据各点对应的弹性变形值及设计预拱度调整模板的高程。预拱度计算公式为f＝f1＋f2＋f3，其中f1为地基弹性变形，f2为支架弹性变形，f3为平板支撑结构预拱度（设计提供）。

3.5绘制沉降曲线

卸载后，按测得的沉降量及设计标高，以时间为轴，画出每点的沉降曲线。根据测得数据进行计算，得出各对应情况下的数值，并和计算值进行对照、分析，据此对立模标高进行调整，以保证混凝土施工后，底模仍保持其设计标高。

4　结 语

通过对青兰渡槽平台支撑结构荷载的设计与计算，并严格按施工方案进行施工，渡槽施工的质量和安全得以保证。目前该工程已顺利通过合同验收并经过了一年的通水检验，未发生任何安全问题，达到了预期目的。■

参考文献

［1］ JGJ/T 194—2009钢管满堂支架预压技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］ JGJ130—2011建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［3］ 建筑施工手册［M］.5版.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［4］ 黎龙凤，徐长清.拱桥模板支架架设及验算［J］.水利建设与管理，2015（4）.

［5］ 单旭辉，苏向明，张志华，等.午河渡槽支撑系统预压设计及施工技术研究［J］.南水北调与水利科技，2013（1）.

DO l:1O.16616/j.cnki.11-4446/TV.2O16.O2.O12

Design and load calculation of Plane suPPort structure in South-to-North W ater Diversion M id line Project Qinglan aqueduct

DONGWeiguo，GAOWenying
（1.Shanxi Hydroelectric Investigation &Design Institute，Taiyuan 310001，China；2.Hebei ProvinceWater Conservancy Bureau，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：South-to-North Water Diversion Mid1ine Project Qing1an aqueduct is one of the‘throat’projects in South-to-North Water Diversion Mid1ine Projectmain cana1.It is the first separate buttress trapezoida1aqueduct in China.54000m3concrete shou1d be used for pouring the aqueductwith tota11ength of 63m.We can imagine the high project difficu1ty.A11 1oads of the aqueduct construction are acted on p1ane support structure in a centra1ized mode.Therefore，1oad of p1ane support structure has huge inf1uence on construction safety of aqueduct.In the paper，aqueduct p1ane support structure design and 1oad ca1cu1ation are expounded.

Key words：aqueduct；p1ane support structure；1oad ca1cu1ation

中图分类号：TV672＋.3

文献标志码：B

文章编号：1005-4774（2016）02-0042-06