南水北調(diào)中線新鄉(xiāng)段某倒虹吸管身混凝土頂板支撐設(shè)計

□顏曉民（河南省水利第一工程局南水北調(diào)中線新鄉(xiāng)項目部）

一、概述

南水北調(diào)中線一期總干渠工程新鄉(xiāng)段山莊河倒虹吸是新衛(wèi)I標(biāo)段唯一的一座河渠交叉建筑物，設(shè)計樁號位置為IV126+302～I(xiàn)V126+593，建筑物總長291m，其中管身段水平投影長140m，包括進(jìn)、出口斜坡段和水平段3部分，共9節(jié)管身；管身設(shè)計采用箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為單聯(lián)3孔，單孔過水?dāng)嗝鏋?m×7.3m高，是新鄉(xiāng)段河渠交叉建筑物中較大單孔尺寸的箱型結(jié)構(gòu)建筑物。

倒虹吸管身箱涵鋼筋混凝土施工，根據(jù)管身結(jié)構(gòu)情況，擬分3次澆筑施工，第1次澆筑至混凝土底板及側(cè)墻1m高位置，第2次澆筑至側(cè)墻6.8m高位置，第3次澆筑箱涵上倒角和頂板。管身底板及側(cè)墻模板主要采用大塊定型（1.5m×1.2m）鋼模板，模板安裝采用φ48×3.25mm鋼管圍檀、站筋和對銷螺栓固定；管身鋼筋混凝土頂板底模采用大塊多層膠合板木模，模板支撐采用φ48×3.50mm鋼管和8#槽鋼。

二、鋼管支撐結(jié)構(gòu)受力計算及設(shè)計

（一）荷載計算

一是管身混凝土頂板荷載：管身混凝土頂板厚1.3m，其單位荷載重2500kg/m3×1.3m3/m2=3250kg/m2；二是模板及支撐自重：模板按鋼模板50kg/m2，支撐按100kg/m2核定，其合計自重150kg/m2；三是施工活荷載：混凝土澆筑施工中，人工振搗、下料沖擊等活荷載按300kg/m2核定；四是其他荷載：50kg/m2，荷載合計3750kg/m2；五是最大荷載計算：按斜坡段管身混凝土頂板為

最大荷載計算，增加斜坡系數(shù)1.0198（1:5坡比），最大荷載：3825kg/m2。

（二）設(shè)計安全系數(shù)確定

依據(jù)山莊河倒虹吸建筑物設(shè)計級別，其施工設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計級別為I級，其施工安全系數(shù)確定為1.5。

（三）鋼管支撐變形沉降設(shè)計值確定

根據(jù)山莊河倒虹吸管身工程有關(guān)施工技術(shù)規(guī)范中的管身混凝土頂板質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼管支撐變形沉降量最大值確定為1cm，變形沉降不均勻量3mm。

（四）鋼管支撐結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)倒虹吸管身混凝土頂板施工實際情況，鋼管支撐結(jié)構(gòu)計算按管身單孔荷載，并全部簡化為均布靜荷載形式。

依據(jù)《簡明計算手冊》（汪正榮著）中φ48×3.5mm鋼管立柱容許荷載表得：容許荷載35.7kN≈3570kg/根。

鋼管支撐每根立桿容許可承壓的混凝土頂板面積：

根據(jù)以上確定的1.5施工安全系數(shù)，鋼管支撐每根立桿設(shè)計可承壓的混凝土頂板面積：

單孔管身混凝土頂板面積：7×16m=112m2，管身每孔需設(shè)鋼管支撐立桿：

（五）鋼管支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)鋼管支撐結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，及倒虹吸管身單孔尺寸情況，鋼管支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計按倒虹吸管身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)16m和單孔尺寸7.0m（寬）×7.3m（高）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計布置。

1.受力支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

支撐立桿：采用φ48×3.5mm鋼管，高7.10m（可定尺加工）；支撐立桿橫向布置間距及立桿數(shù)選定：管身單孔橫向?qū)?m，其橫向間距選定0.70～0.80m，每一橫排需布置9根支撐立桿；支撐立桿縱向布置間距及立桿數(shù)選定：管身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)每節(jié)16m長，其縱向間距選定0.75～0.80m，每一縱排需布置22根支撐立桿；管身單孔受力支撐立桿合計：9×22=198根/孔。完全滿足鋼管支撐結(jié)構(gòu)計算的180根/孔的需要。

2.鋼管支撐整體剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了保證鋼管支撐結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，充分結(jié)合鋼管支撐在實際施工中安拆操作性要求，采用φ48×3.25mm鋼管作水平縱橫連接桿。水平縱橫連接桿布置：水平上下間距按0.9m～1.0m布置，上下共設(shè)8檔；橫向剪刀撐：按每節(jié)管身16m長，設(shè)6～8道橫向剪刀撐。

（六）管身混凝土頂板底模支撐結(jié)構(gòu)計算及設(shè)計

管身混凝土頂板底模支撐擬采用8#槽鋼，鋼管支撐立桿橫向間距按最大0.8m，縱向間距按最大0.75m，混凝土頂板底模單位荷載3824kg/m2。

1.底模每道橫向槽鋼支撐承受的單位荷載

2.底模橫向槽鋼支撐按連續(xù)梁結(jié)構(gòu)計算最大彎矩

3.底模橫向8#槽鋼支撐容許應(yīng)力按8#槽鋼取其W值=25.3cm3

8#槽鋼最大容許應(yīng)力[σ]=2150kg/cm2＞723.5kg/cm2

4.底模橫向8#槽鋼支撐的最大撓度

完全滿足施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)0.3cm的變形不均勻量。

5.管身混凝土頂板底模8#槽鋼支撐布置

8#槽鋼支撐布置在鋼管立桿頂部焊接的7cm×7cm×5mm墊鐵上，之間設(shè)2～4cm厚木楔子調(diào)整鋪設(shè)高程和預(yù)拱度。

6.底?？v向10cm×5cm方木支撐按0.2～0.3m間距鋪設(shè)布置，并鋪設(shè)在8#槽鋼上，根據(jù)8#槽鋼的布置計算結(jié)果，10cm×5cm方木支撐可不需要校核。

三、鋼管支撐承載及耐壓試驗

（一）試驗方案的確定

一是試驗場地選擇：6#管身右邊孔；二是試驗面積：4.4m寬×6m長=26.4m2；三是試驗荷載物及重量：采用編織袋裝砂作為試驗荷載物，依據(jù)荷載計算和選定的安全系數(shù)值：試驗荷載重量Q=3825kg/m2×1.5系數(shù)×26.4m2=151.47t；四是變形沉降觀測點布置：在4.4m×6m的試驗場地的鋼支撐4邊中心位置設(shè)4個觀測點，各吊一個垂球，觀測加載過程中和加載完成后的變形沉降量。

（二）試驗結(jié)果

2009年10月28～31日，在6#管身施工現(xiàn)場進(jìn)行鋼管支撐承載和耐壓試驗，通過現(xiàn)場試驗觀測，變形沉降量平均為3mm，最大沉降量為4mm，沉降不均勻量1mm，均滿足施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 變形沉降點觀測成果表

四、倒虹吸管身混凝土頂板鋼管支撐實際應(yīng)用情況

2009年11月23～24日，山莊河倒虹吸6#管身混凝土頂板混凝土澆筑施工，通過對3孔鋼支撐預(yù)設(shè)的27個觀測點進(jìn)行全過程實時觀測，其產(chǎn)生的最大沉降量為5mm，平均沉降量3mm，沉降不均勻量為3mm，均達(dá)到施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

五、鋼管支撐使用的主要材料及安拆人工消耗

（一）主要材料使用情況

具體情況見表2。

表2 主要材料明細(xì)表（1節(jié)管身）

（二）安拆人工消耗

每安拆一節(jié)管身鋼管支撐平均使用人工155工日，比采用其它支撐結(jié)構(gòu)形式節(jié)約用工20%左右。

六、結(jié)語

倒虹吸管身混凝土頂板采用鋼管支撐，人工安拆操作簡單、安全，使用的鋼管為普通、常規(guī)的腳手管和扣件，通用性、周轉(zhuǎn)性極強(qiáng)。對于大孔徑，單節(jié)及多節(jié)箱涵結(jié)構(gòu)的建筑物混凝土頂板施工，采用鋼管支撐結(jié)構(gòu)，其適用性、經(jīng)濟(jì)性比其它支撐結(jié)構(gòu)形式優(yōu)越、施工效率高，節(jié)約施工成本。