毗河供水工程蔣銅渡槽高架空槽身現(xiàn)澆懸掛式貝雷梁支撐技術(shù)研究

(中國水利水電第十工程局有限公司，成都，610072)

1　工程概況

毗河供水工程是以“再造一個都江堰”為目標(biāo)，解決川中旱區(qū)用水問題的四川省重點民生工程，功能以農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)供水為主，兼顧人畜用水和改善生態(tài)環(huán)境。工程分兩期進(jìn)行，取水樞紐位于毗河中游成都市新都區(qū)的茍家灘，總干渠穿龍泉山、跨沱江，沿沱涪分水嶺至安岳縣朝陽水庫，各類渠道總長381.36km。

毗河供水工程總干渠蔣銅渡槽位于成都市、簡陽市境內(nèi)，丘陵地貌，全長5600m，全線跨越三鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是毗河供水工程的關(guān)鍵控制性工程之一，同時也是國內(nèi)單座最長渡槽。渡槽設(shè)計流量22m3/s，平均架空高度17m，最大架空高度46m，為簡支梁式渡槽，槽身為U型薄殼混凝土結(jié)構(gòu)，槽身凈寬5.2m，凈高3.9m，主槽身厚度25cm，單跨槽身16m，共347跨，單跨槽身C30混凝土89.3m3，鋼筋15.65t，設(shè)計方案為現(xiàn)澆。高架空槽身施工為施工管控重難點，項目部經(jīng)研究設(shè)計了懸掛式貝雷梁方案，作為架空高度>20m的槽身現(xiàn)澆支撐體系。

2　懸掛式貝雷梁支撐體系設(shè)計

2.1　技術(shù)原理及優(yōu)勢

懸掛式貝雷梁技術(shù)原理：利用排架頂梁作為貝雷梁的下部受力基礎(chǔ)，槽身施工荷載通過貝雷梁傳遞至頂梁，在頂梁產(chǎn)生的荷載最終由超靜定排架結(jié)構(gòu)傳遞至地面。

相較滿堂支撐架，懸掛式貝雷架具有結(jié)構(gòu)簡單、架設(shè)快速、分解容易、承載能力大、結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)、疲勞壽命長、受地形地質(zhì)條件影響小等技術(shù)特點；相較鋼管柱貝雷梁支撐體系，懸掛式貝雷架支撐體系更為精簡、成本低、安全系數(shù)高(高架空鋼管柱穩(wěn)定性較差)。

2.2　支撐體系結(jié)構(gòu)

懸掛式貝雷梁支撐體系是利用渡槽頂梁作為受力支撐，上方放砂桶調(diào)節(jié)，然后通過工字鋼橫梁、貝雷梁、分配梁搭建形成組合支架，結(jié)構(gòu)形式見圖1。

2.2.1主要構(gòu)件參數(shù)

(1)橫梁：4I20b型工字鋼；

(2)貝雷片：國產(chǎn)321型，單片重量270kg、高度1.5m、長度2.06m(定制)和3.0m(標(biāo)準(zhǔn))兩種，上設(shè)加強(qiáng)弦桿；

(3)分配梁：16a型工字鋼，長度9.0m。

2.2.2桿件連接和固定方式

圖1　懸掛式貝雷梁支撐體系立面

(1)貝雷片采用專用插銷拼裝接長，相鄰兩組貝雷片采用連接桿加固，與橫梁接觸面采用鋼板限位，防止滑移和傾覆；

(2)分配梁采用U型螺桿與貝雷梁連接固定，防止滑移和傾覆。

2.2.3卸荷方式

貝雷梁支架體系采用砂桶卸荷，砂桶放置在頂梁上，作為重要受力點承載上部荷載。

2.3　支撐體系驗算

支撐體系驗算采用有限元軟件midas civil 2015計算，最終方案已通過專家論證。懸掛式貝雷梁支撐體系約3500個單元，有限元模型見圖2。

圖2　懸掛式貝雷梁有限元模型

2.3.1荷載及計算參數(shù)

(1)懸掛式貝雷架設(shè)計荷載及組合

按規(guī)范規(guī)定，驗算支架強(qiáng)度、穩(wěn)定性時采用(①+②+③)×1.2+(④+⑤+⑥)×1.4荷載組合。

①鋼筋混凝土渡槽重量：2100kN；

②模板重量：620kN；

③支架體系自重：480kN；

④施工人員及設(shè)備荷載產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)值：1.0kN/m2；

⑤振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載標(biāo)準(zhǔn)值：2.0kN/m2；

⑥風(fēng)荷載：風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按照wk=0.7μzμsw0計算，取風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=3.12，基本風(fēng)壓w0=0.25kN/m2，模板風(fēng)荷載體型系數(shù)μs=1.0。

(2)貝雷梁參數(shù)

本支架采用國產(chǎn)321型貝雷梁，材料為16錳鋼，材料的容許應(yīng)力按基本應(yīng)力提高30%，設(shè)計時采用的容許應(yīng)力如下：

①16錳鋼拉應(yīng)力、壓應(yīng)力為1.3×210=273(MPa)；

②16錳鋼剪應(yīng)力為1.3×160=208(MPa)。

321型貝雷梁材料屈服強(qiáng)度及容許應(yīng)力見表1，321型貝雷梁的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1材料屈服強(qiáng)度及容許應(yīng)力(MPa)

表2國產(chǎn)321貝雷梁相關(guān)技術(shù)參數(shù)

(3)型鋼參數(shù)

本支架型鋼所用的鋼材為Q235，其容許應(yīng)力見表3。

表3 Q235鋼材的容許應(yīng)力及相關(guān)參數(shù)

2.3.2各構(gòu)件受力驗算

根據(jù)懸掛式貝雷架結(jié)構(gòu)及受力情況，分別對分配梁I16、貝雷梁、橫梁4I20b、卸荷砂桶、排架進(jìn)行受力驗算，具體驗算內(nèi)容如下：

(1)分配梁I16受力驗算

在貝雷片上橫向布設(shè)I16，縱向間距為60cm，I16用U型卡在貝雷片上固定。在橫斷面上，貝雷片為13片，上部荷載為定型鋼模傳遞下來的均布荷載。經(jīng)midas civil計算，結(jié)論如下：

①橫向分配梁I16最大組合應(yīng)力值為69.54MPa<[σ]=140MPa，滿足要求；

②橫向分配梁I16最大剪應(yīng)力值為18.5MPa<[τ]=85MPa，滿足要求；

③橫向分配梁I16最大位移為24.256-18.325=5.9mm，滿足要求。

(2)貝雷梁受力驗算

槽身下部橫向布設(shè)13片貝雷梁，上部荷載為I16工字鋼傳遞下來的均布荷載，按簡支梁考慮，經(jīng)midas civil計算，結(jié)論如下：

①貝雷片上下弦桿的最大組合應(yīng)力為216.3MPa<[σ]=273MPa，滿足要求；

②貝雷片弦桿的剪應(yīng)力為69.75MPa<[τ]=208MPa，滿足要求；

③貝雷片腹桿的最大組合應(yīng)力為166.5MPa<[σ]=273MPa，滿足要求；

④貝雷片腹桿的最大剪應(yīng)力為39.63MPa<[σ]=208MPa，滿足要求；

⑤貝雷片支撐架桿的最大組合應(yīng)力為247.4MPa<[σ]=273MPa，滿足要求；

⑥貝雷片支撐架的最大剪應(yīng)力為21.4MPa<[σ]=208MPa，滿足要求；

⑦貝雷片的最大位移為18.5mm，最大出現(xiàn)在中間片貝雷片的跨中。18.5mm<最大容許撓度[v]=14000/400=35.5mm，滿足要求；

⑧手算復(fù)核：取單層單片貝雷片的容許彎矩[M]=788.2kN·m，容許剪力[Q]=245.2kN，則13片貝雷片的容許彎矩[M]=10246.6kN·m，容許剪力[Q]=3187.6kN。

(3)橫梁4I20b受力驗算

在卸荷砂桶上橫向布設(shè)4I20b，4I20b上部布設(shè)13片貝雷片，經(jīng)midas civil計算，結(jié)論如下：

①橫梁4I20b最大組合應(yīng)力值為75.8MPa<[σ]=140×1.3=182MPa，滿足要求；

②橫梁4I20b最大剪應(yīng)力值為32.2MPa<[τ]=85MPa，滿足要求；

③橫梁2I20b最大位移為1.38mm<最大容許撓度[v]=2400/400=6.00mm，滿足要求。

(4)卸荷砂桶受力驗算

本支架采用砂桶卸荷，每個砂桶承擔(dān)的荷載為120t。砂桶結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　砂桶結(jié)構(gòu)立面

d0為砂桶的頂心直徑，d0=325mm；d1為砂桶的直徑，d1=347mm；d2為放砂孔徑，d2=30mm；h0為頂心放入砂桶深度，h0=75mm(一般取值70mm～100mm)；H為降落高度，H=125mm；[σ]為砂的容許承壓應(yīng)力，可采用10MPa，預(yù)壓后取30MPa；δ為砂桶壁厚，δ=25mm。

砂桶的承載力P=[σ]×A=[σ]πd02/4=30×3.14×3252/4=2487469N>80t，滿足施工要求。

(5)排架受力驗算

貝雷梁支架搭設(shè)于橫向頂梁之上，對原排架墩柱產(chǎn)生不利影響，對排架墩柱進(jìn)行RC設(shè)計驗算得知墩柱的橫向頂梁受力最不利，橫向頂梁經(jīng)驗算滿足規(guī)范要求，排架墩柱正截面抗彎、斜截面抗剪及抗裂驗算滿足規(guī)范要求；通過有限元屈曲分析，對排架墩柱臨界荷載系數(shù)進(jìn)行計算，排架墩柱的臨界荷載系數(shù)為29.19>4.0，滿足要求。

3　施工方案

槽身現(xiàn)澆懸掛式貝雷梁支撐體系搭設(shè)過程中要注意對稱施工，具體施工如下：

(1)雙排架頂梁放置4個80t砂桶，兩個砂桶中心與排架柱中心重合，另兩個砂桶按間距均勻安放于橫向頂梁之上；

(2)砂桶上部橫向放置4根I20b橫梁；

(3)橫梁上部縱向鋪設(shè)13組貝雷梁，與橫梁接觸點設(shè)置限位鋼板，防止偏移；

(4)13組貝雷梁放置橫梁后，按照橫向60cm間距鋪設(shè)分配梁，兩端不足60cm則緊靠貝雷梁端頭放置；

(5)完成上述桿件安裝和節(jié)點加固后，應(yīng)由項目部組織驗收，項目經(jīng)理、安全總監(jiān)、項目技術(shù)負(fù)責(zé)人和相關(guān)人員參加模板支架的驗收。主要檢查砂桶固定是否可靠，各構(gòu)件材質(zhì)、布置參數(shù)是否滿足設(shè)計要求，工字鋼與貝雷梁之間連接可靠，安全防護(hù)設(shè)施是否到位。按相關(guān)規(guī)定填寫驗收記錄表，若搭設(shè)不符合要求方案及規(guī)范，則應(yīng)停止施工并整改，整改完畢后重新經(jīng)項目部檢查驗收，合格后掛驗收合格告示牌，經(jīng)相關(guān)人員簽字認(rèn)證后進(jìn)行槽身模板安裝；

(6)為加強(qiáng)施工過程中安全穩(wěn)定，在懸掛式貝雷梁中部最不利位置設(shè)置一組(兩個)觀察點，槽身模板安裝及澆筑施工過程中，全程監(jiān)控懸掛式貝雷架是否穩(wěn)定；

(7)渡槽槽身模板采用定型鋼模，由底模、外模、外模支撐、內(nèi)模、內(nèi)模支撐架組成。模板安裝采用25t汽車吊吊裝，先對槽身模板底模和外模進(jìn)行安裝，在完成鋼筋制安后安裝內(nèi)模。槽身混凝土經(jīng)生產(chǎn)區(qū)內(nèi)HZS60拌合系統(tǒng)拌制，通過混凝土泵車運輸至施工點進(jìn)行澆筑，每跨混凝土澆筑應(yīng)從中間向兩端澆筑(先消除變形大的，減少渡槽開裂)，并宜在初凝前完成，澆筑過程中采用小型振搗棒進(jìn)行振搗密實；

(8)槽身混凝土澆筑完成后，做好養(yǎng)護(hù)工作，混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%，方能拆除底模支撐架，拆除時結(jié)合支架結(jié)構(gòu)特點，自上而下拆除施工。

4　應(yīng)用效果

結(jié)合蔣銅渡槽沿線特點，項目共安排五個作業(yè)班組進(jìn)行施工，每個作業(yè)班組配備兩套懸掛式貝雷架，自2017年3月投入使用至今，平均每套懸掛式貝雷架的槽身澆筑強(qiáng)度約2跨/月，根據(jù)當(dāng)前進(jìn)度保守估計蔣銅渡槽槽身施工工期將比原定工期(38個月)提前近5個月，另外施工安全、質(zhì)量、成本均良好可控。

5　結(jié)語

通過懸掛式貝雷梁支撐技術(shù)在毗河供水工程蔣銅渡槽高架空槽身現(xiàn)澆中的成功應(yīng)用，丘陵地區(qū)高架空渡槽槽身現(xiàn)澆支撐體系可進(jìn)行借鑒，懸掛式貝雷梁的具體參數(shù)型式根據(jù)渡槽結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)渡槽下部結(jié)構(gòu)受力不能滿足搭設(shè)懸掛式貝雷架要求時，如無其他有效可行方案，應(yīng)提前考慮渡槽下部結(jié)構(gòu)變更事宜。