南水北调中线新乡段某倒虹吸管身混凝土顶板支撑设计

□颜晓民（河南省水利第一工程局南水北调中线新乡项目部）

一、概述

南水北调中线一期总干渠工程新乡段山庄河倒虹吸是新卫I标段唯一的一座河渠交叉建筑物，设计桩号位置为IV126+302～IV126+593，建筑物总长291m，其中管身段水平投影长140m，包括进、出口斜坡段和水平段3部分，共9节管身；管身设计采用箱形钢筋混凝土结构，为单联3孔，单孔过水断面为7m×7.3m高，是新乡段河渠交叉建筑物中较大单孔尺寸的箱型结构建筑物。

倒虹吸管身箱涵钢筋混凝土施工，根据管身结构情况，拟分3次浇筑施工，第1次浇筑至混凝土底板及侧墙1m高位置，第2次浇筑至侧墙6.8m高位置，第3次浇筑箱涵上倒角和顶板。管身底板及侧墙模板主要采用大块定型（1.5m×1.2m）钢模板，模板安装采用φ48×3.25mm钢管围檀、站筋和对销螺栓固定；管身钢筋混凝土顶板底模采用大块多层胶合板木模，模板支撑采用φ48×3.50mm钢管和8#槽钢。

二、钢管支撑结构受力计算及设计

（一）荷载计算

一是管身混凝土顶板荷载：管身混凝土顶板厚1.3m，其单位荷载重2500kg/m3×1.3m3/m2=3250kg/m2；二是模板及支撑自重：模板按钢模板50kg/m2，支撑按100kg/m2核定，其合计自重150kg/m2；三是施工活荷载：混凝土浇筑施工中，人工振捣、下料冲击等活荷载按300kg/m2核定；四是其他荷载：50kg/m2，荷载合计3750kg/m2；五是最大荷载计算：按斜坡段管身混凝土顶板为

最大荷载计算，增加斜坡系数1.0198（1:5坡比），最大荷载：3825kg/m2。

（二）设计安全系数确定

依据山庄河倒虹吸建筑物设计级别，其施工设施结构设计级别为I级，其施工安全系数确定为1.5。

（三）钢管支撑变形沉降设计值确定

根据山庄河倒虹吸管身工程有关施工技术规范中的管身混凝土顶板质量标准要求，钢管支撑变形沉降量最大值确定为1cm，变形沉降不均匀量3mm。

（四）钢管支撑结构计算

根据倒虹吸管身混凝土顶板施工实际情况，钢管支撑结构计算按管身单孔荷载，并全部简化为均布静荷载形式。

依据《简明计算手册》（汪正荣著）中φ48×3.5mm钢管立柱容许荷载表得：容许荷载35.7kN≈3570kg/根。

钢管支撑每根立杆容许可承压的混凝土顶板面积：

根据以上确定的1.5施工安全系数，钢管支撑每根立杆设计可承压的混凝土顶板面积：

单孔管身混凝土顶板面积：7×16m=112m2，管身每孔需设钢管支撑立杆：

（五）钢管支撑结构设计

根据钢管支撑结构计算结果，及倒虹吸管身单孔尺寸情况，钢管支撑结构设计按倒虹吸管身标准节16m和单孔尺寸7.0m（宽）×7.3m（高）进行结构设计布置。

1.受力支撑结构设计

支撑立杆：采用φ48×3.5mm钢管，高7.10m（可定尺加工）；支撑立杆横向布置间距及立杆数选定：管身单孔横向宽7m，其横向间距选定0.70～0.80m，每一横排需布置9根支撑立杆；支撑立杆纵向布置间距及立杆数选定：管身标准节每节16m长，其纵向间距选定0.75～0.80m，每一纵排需布置22根支撑立杆；管身单孔受力支撑立杆合计：9×22=198根/孔。完全满足钢管支撑结构计算的180根/孔的需要。

2.钢管支撑整体刚度结构设计

为了保证钢管支撑结构的整体性和刚度，充分结合钢管支撑在实际施工中安拆操作性要求，采用φ48×3.25mm钢管作水平纵横连接杆。水平纵横连接杆布置：水平上下间距按0.9m～1.0m布置，上下共设8档；横向剪刀撑：按每节管身16m长，设6～8道横向剪刀撑。

（六）管身混凝土顶板底模支撑结构计算及设计

管身混凝土顶板底模支撑拟采用8#槽钢，钢管支撑立杆横向间距按最大0.8m，纵向间距按最大0.75m，混凝土顶板底模单位荷载3824kg/m2。

1.底模每道横向槽钢支撑承受的单位荷载

2.底模横向槽钢支撑按连续梁结构计算最大弯矩

3.底模横向8#槽钢支撑容许应力按8#槽钢取其W值=25.3cm3

8#槽钢最大容许应力[σ]=2150kg/cm2＞723.5kg/cm2

4.底模横向8#槽钢支撑的最大挠度

完全满足施工技术规范规定的质量标准0.3cm的变形不均匀量。

5.管身混凝土顶板底模8#槽钢支撑布置

8#槽钢支撑布置在钢管立杆顶部焊接的7cm×7cm×5mm垫铁上，之间设2～4cm厚木楔子调整铺设高程和预拱度。

6.底模纵向10cm×5cm方木支撑按0.2～0.3m间距铺设布置，并铺设在8#槽钢上，根据8#槽钢的布置计算结果，10cm×5cm方木支撑可不需要校核。

三、钢管支撑承载及耐压试验

（一）试验方案的确定

一是试验场地选择：6#管身右边孔；二是试验面积：4.4m宽×6m长=26.4m2；三是试验荷载物及重量：采用编织袋装砂作为试验荷载物，依据荷载计算和选定的安全系数值：试验荷载重量Q=3825kg/m2×1.5系数×26.4m2=151.47t；四是变形沉降观测点布置：在4.4m×6m的试验场地的钢支撑4边中心位置设4个观测点，各吊一个垂球，观测加载过程中和加载完成后的变形沉降量。

（二）试验结果

2009年10月28～31日，在6#管身施工现场进行钢管支撑承载和耐压试验，通过现场试验观测，变形沉降量平均为3mm，最大沉降量为4mm，沉降不均匀量1mm，均满足施工技术规范规定的质量标准。

表1 变形沉降点观测成果表

四、倒虹吸管身混凝土顶板钢管支撑实际应用情况

2009年11月23～24日，山庄河倒虹吸6#管身混凝土顶板混凝土浇筑施工，通过对3孔钢支撑预设的27个观测点进行全过程实时观测，其产生的最大沉降量为5mm，平均沉降量3mm，沉降不均匀量为3mm，均达到施工技术规范规定的质量标准。

五、钢管支撑使用的主要材料及安拆人工消耗

（一）主要材料使用情况

具体情况见表2。

表2 主要材料明细表（1节管身）

（二）安拆人工消耗

每安拆一节管身钢管支撑平均使用人工155工日，比采用其它支撑结构形式节约用工20%左右。

六、结语

倒虹吸管身混凝土顶板采用钢管支撑，人工安拆操作简单、安全，使用的钢管为普通、常规的脚手管和扣件，通用性、周转性极强。对于大孔径，单节及多节箱涵结构的建筑物混凝土顶板施工，采用钢管支撑结构，其适用性、经济性比其它支撑结构形式优越、施工效率高，节约施工成本。