三峽升船機塔柱橫梁支撐系統(tǒng)設計

朱俊杰，李士華

（中國葛洲壩集團股份有限公司三峽分公司，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽升船機船廂室段塔柱結構，頂部由兩個平臺和7根橫梁形成塔柱的橫向聯(lián)系，其中兩個平臺部位各有兩根橫梁和兩根縱梁，兩根橫梁之間布置了5根次梁。在橫梁兩端沿流向各布置了1根基礎梁將11根橫梁連成整體。橫梁一端設計有寬槽后澆帶，另一端設有豎向施工縫。單根橫梁兩端布置了牛腿結構，橫梁牛腿結構以及縱梁與塔柱一起澆筑，橫梁中間部分、基礎梁以及兩個平臺部位在后續(xù)時間一次全部澆筑完成。縱梁尺寸為19.1m×1.5m×7.25m（跨度×寬度×高度），橫梁最大尺寸為25.8m×2m×2.75m×7.15m（跨度×寬度×中部高度×兩側高度）。橫梁梁系結構見圖1。

圖1 升船機頂部橫梁梁系結構圖Fig.1 Beam structure at the top of the ship lift

橫梁梁系布置高度高（距地面達145m），跨度大，高寬比大，現場施工設備布置僅有船廂室段建筑塔吊，起吊重量有限，且筒體為薄壁混凝土結構，對混凝土施工的支撐結構要求高，橫梁支撐結構設計難度大、風險大。

2 塔柱橫梁貝雷架支撐方案

2.1 貝雷架簡介

最初的貝雷軍用鋼橋是由英國工程師唐納德·西·貝雷（Donald Coleman Bailey）在1938年第二次世界大戰(zhàn)初期開始設計。他的設計概念為利用易于得到的一般中型卡車進行運輸，利用非熟練工人以人力進行搭建，同時以最少種類的單元構件拼裝成能夠承受各種不同荷載、具有不同跨徑的橋梁。戰(zhàn)后，許多國家把貝雷軍用鋼橋經過一些改進后轉為民用。如今，貝雷鋼橋在國防交通工程保障、抗震救災、抗洪搶險、聯(lián)合國維護行動中起到不可替代的作用。

貝雷架是采用Q345型鋼制作而成的，它由上下弦桿、豎桿、斜桿等拼裝而成。弦桿由10號槽鋼組成，腹桿系由8號工字鋼組成。端豎桿和中豎桿上的規(guī)形孔為橫梁夾具孔，是用來安裝橫梁夾具的，橫梁夾具能起到穩(wěn)定橫梁的作用。貝雷架的配件有貝雷銷、桁架螺栓、弦桿螺栓、撐架螺栓，其中貝雷銷具有連接桁架的作用。貝雷架的構件有桁架、450支撐架、900支撐架、加強弦桿，其中加強弦桿具有提高弦桿的抗彎能力以及充分發(fā)揮桁架腹桿抗剪能力的作用。

貝雷架節(jié)與節(jié)之間采用貝雷銷連接加長形成排，排與排之間采用支撐架（連接桿）連接形成組，組與組之間以及單排與組之間采用支撐架（連接桿）連接形成整體（榀）。根據貝雷架的受力情況，可將其設計為雙層結構，兩層之間采用桁架螺栓連接。

貝雷架標準節(jié)長為300 cm，寬為17.6 cm，高為150 cm，單節(jié)質量為270 kg。根據塔柱的結構設計要求以及受力情況，除使用標準貝雷架以外，另需加工長分別為150 cm、90 cm的非標準貝雷架以及8孔1350支撐架、3m高抗剪桁架單元、1.5m加強弦桿、900加強弦桿、450聯(lián)板、225聯(lián)板等設施。貝雷架標準節(jié)見圖2。

圖2 貝雷架標準節(jié)示意圖Fig.2 Schematic of standard section of Bailey rack

2.2 橫梁貝雷架支撐方案

橫梁混凝土結構特殊，對外觀質量要求高，施工時為高空作業(yè)，受起吊能力、技術要求限制，經綜合分析比較，決定采用貝雷架（貝雷梁）支撐方案。即在塔柱墻體內預埋貝雷架支座埋件，后期支座與預埋埋件連接安裝形成貝雷架支座，貝雷架坐落在支座上，則可以在貝雷架上部搭設鋼管支撐排架以及安裝橫梁模板，貝雷架上部施工荷載通過貝雷架傳遞到支座以及塔柱混凝土墻體。在對施工荷載進行計算后可以對貝雷架進行布置，196.00m高程上單個橫梁結構支撐貝雷架的最小質量達36 t，最大質量達78 t，因而應采用大噸位的起重設備整體吊裝到位。升船機橫梁貝雷架提升高度可達到150m，而現場起重設備布置場地狹窄，不具備實施條件。由于現場建塔起吊能力不能滿足單根梁貝雷架的整體吊裝要求，故采取將單個橫梁部位的貝雷架分成若干個起吊單元，然后在空中連接形成整體的施工方案。

3 貝雷架支撐系統(tǒng)設計參數

3.1 支撐體系設計荷載

貝雷架支撐系統(tǒng)的設計荷載包括。a.貝雷架支撐體系自重。b.混凝土梁自重。c.施工人員和施工材料、機具等荷載。d.現澆砼梁底部模板系統(tǒng)材料（貝雷架以上）重量。e.荷載組合。計算強度時用荷載組合：a+b+c+d；計算撓度時用荷載組合：b+c+d。

3.2 支撐體系穩(wěn)定性要求及主梁撓度

貝雷架支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求為牛腿牢固，貝雷梁橫向之間連接牢固。

根據《鋼結構設計規(guī)范》[1]和《公路橋涵施工技術規(guī)范》[2]，支撐體系主梁彈性撓度應小于結構跨度的1/400。同時，將貝雷架支撐體系設計安全等級定為二級。貝雷架體系安裝完成后的使用時間即設計基準期為1年。

4 貝雷架支座系統(tǒng)設計

4.1 支座受力分析

1）貝雷架支座的全部豎向載荷由結合面的靜摩擦力傳遞至錨板，結合面涂無機富鋅底漆，摩擦系數采用0.4，由此可以確定高強螺栓的預緊力，根據預緊力復核高強螺栓組件中相關零件的強度。

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2）支座的全部豎向載荷由剪力板傳遞，據此復核抗剪焊縫的強度。

3）作用于錨板的全部豎向荷載由焊釘傳遞至混凝土，焊釘均勻承載，由此可復核焊釘強度。

4）支座豎向載荷形成的翻轉力矩由布置在支座上方的3排螺栓承擔，最頂部的一排螺栓拉力最大。以此拉力可以復核高強螺栓組件中相關零件的強度。

整個貝雷架系統(tǒng)對安全性要求很高，其中支座系統(tǒng)的施工質量關系到整個系統(tǒng)的安全。考慮到現場施工難度大，設計時應增加支座系統(tǒng)的安全儲備，即在上述支座反力的基礎上乘以1.25倍的安全系數進行設計。

4.2 支座系統(tǒng)設計

貝雷架由設在塔柱墻壁外側的牛腿支承，牛腿頂面高程為182.00m，牛腿與貝雷架之間設置鋼結構箱梁。牛腿有兩種布置方式，一種是將牛腿對稱布置在船廂室兩側的塔柱墻壁上，垂直于水流向布置。牛腿采用鋼結構支座，通過高強螺栓與埋件結構連接，位于每個橫向墻端面的軸線附近。另一種是將牛腿布置在塔柱凹槽內的上下游墻壁上，順水流向布置。鋼結構牛腿與埋件、箱梁及貝雷架之間的連接方案見圖3。

圖3 貝雷架支承結構示意圖Fig.3 Schematic of supportstructureof Bailey rack

塔柱薄壁混凝土結構受力復雜，支座布置困難。其中，縱梁與橫梁形成的垂直交叉結構處在平衡重導軌的凹槽薄弱部位，牛腿采用混凝土結構，在牛腿上布置鋼箱梁支撐貝雷架。其余結構部位則采用鋼結構支座。

4.3 錨固

橫梁貝雷架單邊最大支座反力達4 830 kN，其支座埋板的尺寸高度由于受到限制只能加高至2.37m。爬模面板上不便于開孔，在現場使用爬模的施工情況下，采用長螺栓對面板進行加固是難以實施的。經試驗論證，由10級M 52高強螺栓、40Cr錨錐、D32錨筋以及Q345底座組成的高強螺栓組件的最小破斷拉力大于800 kN；D32高強錨筋和尾端底座的最小破斷拉力大于600 kN。

埋件由錨板和高強螺栓組件構成。其中，高強螺栓組件由M 52螺桿、M 52螺母、52墊圈、D32/M 52錨錐、M 32螺母、D32高強鋼筋以及尾端底座等零件組成。在每個高強螺栓組件中，窄支座布置15組，寬支座布置30組。錨板由50mm厚鋼板與25×300焊釘焊接而成，在鋼板上對應于高強螺栓位置鉆?80mm孔。以錨錐?80mm軸的臺肩定位，將高強螺栓組件中的錨錐端部?80mm軸段與錨板上的?80mm孔相配合。該結構形式可便于澆筑混凝土時采用滑模，并確保位于混凝土內部的高強鋼筋及尾端底座等構件不承受高強螺栓的預緊力。高強螺栓組件見圖4。

圖4 高強螺栓組件圖（單位：mm）Fig.4 Diagram for boltassembly(unit:mm)

4.4 支座

鋼結構支座通過高強螺栓與埋件連接，安裝時對高強螺栓施加一定的預緊力，通過支座與埋件結合面的靜摩擦力承受支座載荷。貝雷架載荷作用于支座后，高強螺栓組件將承受支座翻轉力矩產生的拉力。另外，在支座底板下方設置有剪力板，用于承受支座豎向載荷，以作為結合面摩擦失效時的安全保護。支座與埋件的連接方案見圖5。

圖5 支座與埋件連接方案（單位：m）Fig.5 Connectivity solution of supportand embedded parts（unit：m）

所有鋼結構支座與埋件的高度尺寸分別為1 360mm、2 370mm；寬度有兩種不同的尺寸，一種是窄支座，其寬度為625mm；另一種是寬支座，其寬度為1 225mm，相當于兩個窄支座的連體結構。載荷最大的是第7根附近的兩套窄支座。因此，當按照窄支座的載荷條件和結構尺寸進行設計計算時，寬支座是安全的。

5 貝雷架結構設計

5.1 貝雷架荷載分析及變形計算

5.1.1 計算模型

根據現場支撐條件可以確定4種有限元結構模型或16種有限元加載模型：模型1（見圖6）、模型2（見圖7）、模型3（見圖8）、模型4（見圖9）和模型5（見圖10）。采用大型通用有限元分析軟件SAP2000對鋼橋結構進行三維空間有限元分析，其中，桁架弦桿、腹桿采用框架單元，桁架單元之間采用鉸接連接方式。

圖6 桁架梁4（橫梁HL7）結構有限元模型（模型1）Fig.6 Joist4（beam HL7）finite elementm odel（model1）

圖7 桁架梁1、2、3、5（橫梁HL1、HL2、HL3、HL7）結構有限元模型（模型2）Fig.7 Joist1，2，3，5（beamsHL1，HL2，HL3，HL7）finiteelementmodel（model2）

圖8 桁架梁5（觀光平臺下橫梁HL4-1）和桁架梁9（次梁）結構有限元模型（模型3）Fig.8 Joist5（sightseeing p latform，transom HL4-1）and joist9（secondary beam）finiteelementmodel（model3）

圖9 桁架梁6（縱梁ZLD196-2）結構有限元模型（模型4）Fig.9 Joist6（stringer ZLD196-2）finite elementm odel（model4）

圖10 桁架梁7、8（基礎梁JLE196-1、6）結構有限元模型（模型5）Fig.10 Joist7，8（foundation beam s JLE196-1，6）finite elementmodel（model5）

5.1.2 計算結果

計算結果表明，當橫梁澆筑受力達到最大時，貝雷架跨中撓度均在控制范圍內，桁架弦桿最大軸壓力、最大軸向拉力以及桁架腹桿最大軸壓力、最大軸向拉力均符合要求。

經過綜合受力分析，橫梁、縱梁、平臺板、施工平臺貝雷架在采用以下結構的情況下是安全的：HL3、HL7貝雷架采用雙層上加強且在兩端采用高抗剪桁架單元的結構；平臺板下的橫梁、次梁、平臺板貝雷架采用單層上下加強的結構；縱梁貝雷架采用雙層上下加強且在兩端采用超高抗剪桁架單元的結構；HL1、HL2貝雷架采用雙層加強且采用高抗剪桁架單元的結構?；A梁貝雷架、輔助橫梁施工平臺、輔助縱梁施工平臺、輔助橫梁施工平臺、軌道梁貝雷架采用單層結構。

5.2 貝雷架布置

塔柱196.00m高程橫梁、縱梁、基礎梁及觀光平臺（中控室）采用貝雷架+鋼管排架支撐方案施工，因混凝土梁尺寸、重量不等，貝雷架承受的荷載也不一樣。橫梁、縱梁、基礎梁及觀光平臺的貝雷架布置形式經研究考慮后，分單層型、單層頂部加強型、雙層頂部加強型、雙層上下加強型4種形式。加強型貝雷架采取在貝雷架上部及下部各增加1根并排弦桿的方式來達到增強貝雷架整體強度的目的。

6 貝雷架上部鋼管排架設計

貝雷架至橫梁底部的空間搭設鋼管排架，用以支撐橫梁模板系統(tǒng)，鋼管采用?48×3.5鋼管。

6.1 荷載組合

貝雷架所承受的荷載主要包括a.混凝土梁自重，取25 kN/m3計算。b.施工人員及機具荷載，取250 kN/m2計算。c.現澆混凝土梁底部模板系統(tǒng)材料（貝雷架以上）重量。d.振搗混凝土產生的荷載，取200 kN/m2計算。Q235鋼抗拉、抗壓和抗彎強度設計值取205N/mm2。

6.2 排架設計計算依據

依據《水電水利工程模板施工規(guī)范》[3]和《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》[4]的相關內容進行驗算。Q235鋼抗壓強度設計值取205N/mm2。

6.3 排架設計計算結果

經計算，橫梁排架立桿間距為100 cm×66 cm，基礎梁立桿間距為100 cm×72 cm，排架步距按不大于140 cm控制，計算結果滿足要求。

6.4 排架支撐方案

排架鋼管每根立桿底腳設工字鋼底座，工字鋼底座有I100×68×4.5和I250×116×8兩種規(guī)格，第2種規(guī)格的工字鋼底座用于跨相鄰兩橫梁貝雷架部位，第1種規(guī)格的工字鋼底座用于其余部位，工字鋼底座鋪設在貝雷架上，工字鋼用鐵絲與貝雷架綁扎固定，同時工字鋼底座上部焊裝有短鋼筋樁，立桿套置于短鋼筋樁上，以防止立桿發(fā)生側滑。

為滿足排架整體穩(wěn)定性要求，排架間隔設置剪刀撐和掃地桿，左右側基礎梁底部排架設連墻桿將排架與塔柱墻面連接。在兩個橫梁之間布置聯(lián)系排架，一是增加橫梁排架的側向穩(wěn)定；二是將其作為操作平臺。排架立桿上部設T32支撐頭和工字鋼帽梁用以支撐模板。

7 貝雷架支撐系統(tǒng)安全監(jiān)測

7.1 監(jiān)測部位

根據升船機頂部橫梁梁系結構施工荷載情況，選擇承受荷載最大的軸2墻、軸7墻、軸12墻跨航槽橫梁及塔柱4個縱梁作為監(jiān)測部位，主要對其貝雷架、貝雷架支座系統(tǒng)在混凝土澆筑前后以及混凝土澆筑過程中的應力（應變）、變形、位移進行監(jiān)測，并對相應的塔柱混凝土墻體結構進行變形監(jiān)測。

7.2 監(jiān)測方法

1）貝雷架撓度監(jiān)測。在監(jiān)測斷面貝雷架的底部中心位置粘貼上反射片，在正對貝雷架下面的50m底板上刻劃一位置點，用紅油漆標注；在50m底板位置上架設全站儀，直接測量位置點與貝雷架底部反射片之間的距離；所得到的3個距離之差就是貝雷架的撓度值。

2）貝雷架側向位移監(jiān)測。在橫向監(jiān)測斷面的貝雷架的下游張拉一根鋼絲，鋼絲固定在貝雷架左右兩側的墻體上，在縱向監(jiān)測斷面的貝雷架的左側張拉一根鋼絲，鋼絲固定在貝雷架上下游兩側的墻體上；在監(jiān)測斷面的貝雷架側面的兩端及中心刻劃3個點，分別用鋼板尺測量點與線之間的距離，通過距離比較計算側向變形值。

3）貝雷架支座監(jiān)測。采用在墻壁上安裝托架布設百分表進行監(jiān)測。利用膨脹螺栓將角鋼固定在梁支座周邊作為支撐點，然后焊接支撐托架并將其固定牢固。橫梁貝雷架兩端各布置兩個支座，在對應的支架上對每個支座及高強螺栓分別布置6個百分表進行監(jiān)控。其中6個支座百分表監(jiān)測支座的X，Y，Z三個方向位移變化，另外6個百分表監(jiān)測高強螺栓的位移變形量。

7.3 監(jiān)測結果

橫梁混凝土澆筑時選取軸2、軸12、軸7橫梁貝雷架支撐系統(tǒng)進行砼澆筑監(jiān)測，監(jiān)測結果見表1。

監(jiān)測結果表明，貝雷架應力、變形均在允許范圍內。

8 結語

三峽升船機196.00m高程橫梁梁系布置高度高，跨度大，高寬比大，現場施工設備布置受限，且塔柱筒體為薄壁混凝土結構，對混凝土施工的支撐結構要求高，橫梁支撐結構設計難度大、風險大。

表1 三峽升船機橫梁貝雷架、排架、筒體監(jiān)測結果統(tǒng)計表Table1 M onitoring results tableof Bailey rack，shelving，cylinder in ThreeGorges Project ship liftbeam

本文從貝雷架支撐體系的設計荷載、荷載組合出發(fā)，在滿足穩(wěn)定性要求的前提下，對貝雷架支撐系統(tǒng)的支座系統(tǒng)設計方案、結構設計方案以及上部鋼管排架設計方案進行了分析計算。計算結果表明，按照上述設計方案進行施工，貝雷架的應力、變形均能滿足設計要求。同時，對貝雷架支撐系統(tǒng)以及相應的塔柱混凝土墻體結構在混凝土澆筑前后以及混凝土澆筑過程中的應力（應變）、變形、位移進行了監(jiān)測。監(jiān)測結果表明，橫梁支撐系統(tǒng)滿足了橫梁澆筑支撐要求，施工技術方案可行。本文所提出的關于塔柱橫梁支撐系統(tǒng)的施工技術方案可以為今后類似工程施工提供參考借鑒。

[1] 中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50017—2003鋼結構設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2] 中華人民共和國交通部.JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 5110—2000水電水利工程模板施工規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2001.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ 130—2011建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.