贝雷桥在升船机设备层板梁施工中的可行性研究

罗罡， 田战锋， 詹筱霞

(1.江西理工大学，江西 赣州 341000;2.中国人民武装警察部队水电第一总队，南宁 530222; 3.江西理工大学应用科学学院，江西 赣州341000)

贝雷桥在升船机设备层板梁施工中的可行性研究

罗罡1， 田战锋2， 詹筱霞3

(1.江西理工大学，江西 赣州 341000;2.中国人民武装警察部队水电第一总队，南宁 530222; 3.江西理工大学应用科学学院，江西 赣州341000)

为解决跨度大、高差大悬空结构的施工平台问题，文章结合贵州乌江沙沱水电站工程右岸通航升船机设备层板梁施工方案的选择问题，通过对比分析贝雷桥方案与传统钢结构桁架方案，在技术上着重对贝雷桥进行抗弯和抗剪分析，及变形计算复核，验证了贝雷桥施工方案在技术上是完全可行的;通过比较费用投入，贝雷桥方案较传统钢结构桁架措施费用节省25%～30%，经济效果更为显著;从施工组织方面考虑，贝雷桥方案施工模块化，拆装灵活，施工干扰小，更为便利，施工进度、安全更有保障.

贝雷桥;升船机;板梁

1938年，英国工程师唐纳德·西·贝雷发明了贝雷桥 (Bailey Bridge).这种桥以高强钢材制成轻便的标准化桁架单元构件及横梁、纵梁、桥面板、桥座和连接件等组成，用专用的安装设备可就地迅速拼装成适用于各种跨径、荷载的桁架梁桥.在国内定名为装配式公路钢桥，是钢桥中的一种，但又不等同于钢桥[1-2]，贝雷桥更为典型，其主要特点是模块化，应用更为便捷、广泛.在我国，早期贝雷桥主要应用于军事上，即军用钢桥，现在贝雷桥除了作为战备钢桥外，已经广泛应用于抢险救灾、交通工程、危桥加固等各领域.比如2008年5.12地震期间，就有大量的贝雷桥用于抢险救灾，贝雷桥对抗震救灾物资前运、伤员后送及群众撤离起到了较为关键作用[3].

水工建筑物在进行悬空结构施工时，多采用搭设脚手架或增设钢结构支撑和内拉来提供立模和浇筑作业平台.搭设脚手架是比较普遍的一种施工方法，但多适用于悬空结构高差不大、搭设工程量适中的构筑物.对于高差大的部位，采用搭设脚手架进行施工，因工程量太大，且钢管使用量大，投入太大，显然不适用.而采用增设钢支撑和内拉的方案，不仅钢材耗用量大，金结制安工作强度高，工程造价高，且涉及安全问题，同样不是最合理的施工措施。

近年来随着水利工程的大量兴建发展，水工建筑物设计更具突破性，结构布置更有创新意识，施工技术亦随之日新月异，但是对于解决大高差、大跨度结构的施工平台问题，此类实际应用研究成果并不多见，各类方案的可行性亟待论证.本文结合乌江沙沱水电站的实际案例对贝雷桥的施工方案及其可行性进行研究，总结出解决同类工程问题的施工方案，并运用力学理论对其可行性进行演算论证.

1 工程概况

乌江沙沱水电站枢纽工程规模为二等大(2)型，拦河大坝、泄洪系统及引水发电系统为2级建筑物，各次要水工建筑物为3级建筑物.从左到右共16个坝段，依次为:左岸挡水坝段、取水坝段、溢流坝段、右岸通航坝段和右岸挡水坝段.

右岸通航建筑物按四级航道设计，过坝船舶吨位500 t级，年过坝能力为330万t，由上游引航道、过坝渠道、上闸首、本体段、下闸首、下游引航道及靠船墩等组成，采用垂直升船机型式，布置于溢流坝段的右侧，靠岸边，通过的标准船舶尺寸为55 m×10.8 m×(1.6～2.0)m(长×宽×吃水深)，承船厢有效水域为64 m×12 m×2.5 m(长×宽×水深)，承船厢外形尺寸68 m×16 m×6.5 m(长×宽×高)，船厢池尺寸为68.1 m×16.8 m(长×宽);通航净空9.6 m，本体段设备层高程377 m，本体段底板高程281 m.设备层为板梁结构，其结构形式如下:楼板厚度50 cm;主梁断面尺寸为120 cm×240 cm(宽×高)，共12根;次梁断面尺寸为80 cm×160 cm(宽×高)，共8排(其中:左右边墙各 2排，承船厢室4排)，每排10根.

2 设备层支撑系统设计

设备层为板梁结构，从升船机本体段剖面图看，设备层板梁与本体段两边的边墙构成一个“门”字型，板梁结构距本体段底板高差达到96 m，是一典型的特大高差悬空结构.传统的方法根本无法解决设备层板梁的支撑作业平台的问题.沙沱水电站升船机施工引进新工艺，采用架设贝雷桥的方案解决了该棘手问题.贝雷桥支撑系统设置方案主要情况为:

1)贝雷片桁架的支座采用25 a工字钢预埋在边墙混凝土内，预埋工字钢长度分别为1.2 m(外露0.4 m)、4.5 m(外露3.6 m).在混凝土内工字钢的尾端焊接2根Φ25“U”型锚筋，以增强预埋工字钢的稳定性[4].

2)每根主梁底部采用5榀双层加强弦杆贝雷片桁架做支撑，次梁及板底部位置采用间距45 cm的双层加强弦杆型贝雷片桁架做支撑.每两榀贝雷片承重桁架之间采用支撑架进行横向连接，一榀上两节贝雷片之间用销子连接[5].

3)为保证施工安全，在贝雷片桁架顶部满铺一层竹条板[6].

4)贝雷桥支撑系统搭设完成后，在其上搭设承重排架，用于支撑模板及上部板梁结构.

贝雷桥支撑系统布置图详见图1、图2，主梁底部贝雷片设置情况详见图3，贝雷桥桁架两端支点结构布置详见图4.

图1 本体段377 m高程设备层贝雷桥支撑系统布置图(A－A)

图2 本体段377m高程设备层贝雷桥支撑系统布置图(B－B)

图3 大样图A

图4 大样图B

3 可行性分析

3.1 技术性分析

技术性分析主要着重于对贝雷桥支撑系统的进行受力分析，包括对贝雷桥的应力分析和变形分析两个方面[7-8].进行贝雷桥应力和变形分析时，应考虑的荷载包括:模板及支架重量、承重排架重量、板梁混凝土重量、振捣混凝土时产生的荷载、人员设备和工器具产生的荷载、结构钢筋重量、倾倒混凝土时产生的动力荷载等[9-10]，为便于计算，在进行应力分析时主要取前五项进行相关计算，其它荷载体现在荷载分项系数中.本文仅选取具有代表性的主梁(长17.6 m)进行相关分析，其余较短的主梁及次梁因承受的上部荷载更小，安全性更有保障，且其受力分析方法和分析步骤均相同，本文不另赘述.

3.1.1 应力分析

1)荷载计算

砼重:1.2×2.4×17.6×26.5=1343.23 kN

梁模板及围令重:(2.4×2+1.2)×17.6×0.75= 79.20 kN

承重排架及桁架重:32.35+150=182.35 kN

施工人员及施工设备荷载:1.2×17.6×2.5 kN/ m2=52.80 kN

振捣荷载:1.2×17.6×2 kN/m2=42.24 kN

静荷载分项系数取1.2，动荷载分项系数取1.4，所以单根大梁施工的荷载为:

G=1.2×(1343.23+79.2+182.35)+1.4×(52.8+ 42.24)=2058.79 kN

转换成线荷载为:2058.79÷17.6=116.98 kN/m

初步确定每根大梁由5榀贝雷片桁架来承重，则单榀桁架所承受的线荷载为:

q=116.98÷5=23.40 kN/m

2)桁架受力计算

单榀桁架受力简图详见图5.

图5 单榀桁架受力图

桁架跨中最大弯矩详见图6.

图6 桁架跨中弯矩图

M=1/8qL2=1÷8×23.4×17.62=906.05 kN·m

支座两端剪力详见图7.

图7 支座两端剪力图

F=1/2qL=1÷2×23.4×17.6=205.92 kN

经查得相关数据如表1[11]:

单排单层加强弦杆贝雷片桁架的容许承载力为:[M]=1687.5 kN·m，[Q]=245.2 kN

实际施工中桁架内力均小于容许承载力，结构受力上满足使用要求.

抗弯安全系数:K=[M]/M=1687.5÷906.05=1.86抗剪安全系数:K=[Q]/Q=245.2÷205.92=1.19满足承载力要求.

3.1.2 应变分析

根据相关的计算理论[11]，贝雷片桁架的变形有非弹性变形和弹性变形两种，非弹性变形主要是由于轴销之间的间隙而产生的变形，弹性变形是由于荷载作用下引起的变形.

1)非弹性挠度(插销间隙产生变形)

简支情况下桁架(偶数节)非弹性变形可采用以下公式计算:

其中，n为贝雷片桁架的单元数，本桁架跨度17.6 m，单元数n=6.

2)弹性变形(荷载作用下变形)

参照简支吊车桁架跨中挠度计算，根据《钢结构设计手册》简支吊车桁架跨中挠度计算公式，荷载作用下桁架变形为:f=ML2/8EIx[12-13]，其中M为跨中弯矩、L为跨度、E为桁架材料的弹性模量、Ix为桁架截面的惯性矩.据《装配式公路钢桥多用途使用手册》，采用单排单层加强弦杆桁架时，其近似惯性矩为I=577434.4 cm4[11]，E=2.1×107 N/cm2.则:

表1 桁架容许内力表

f=ML2/8EIx=90605000×17602/(8×2.1×107× 577434.4)=2.89 cm

因此，桁架的总变形为:

Σf=1.80+2.89=4.69 cm＜[f]=L/250=1760÷250= 7.04 cm

贝雷桥桁架变形满足要求.

3.2 经济性分析

1)钢支撑施工方案

经初步估算，若本工程设备层板梁采用传统钢支撑的施工方案，共需使用钢材(综合)约539 t，每吨钢材运至工地市场价按3600元/t计算，钢材回收率按70%计算，回收旧钢材按1300元/t，则需投入费用为:539×3600-539×70%×1300=1449910元.

2)贝雷桥施工方案

结合施工企业承担的施工任务情况及自身财务状况，本工程所使用的贝雷桥相关设备材料均从市场租赁.根据升船机总体施工方案，其设备层板梁施工工期为3个月时间.另据板梁施工组织设计，为节约施工成本，考虑部分贝雷桥可以周转使用及施工进度要求，从市场租赁1088片贝雷片(包括加强弦杆、销子、支撑架、螺栓)用于满足施工要求，每月租赁费为286816元，另租赁拖车运输进场，需进场费170000元，完工后费用总计为1030448元.

综上分析，本案采用贝雷桥施工方案较传统的钢支撑施工方案节约施工成本达41万元之多.

3.3 施工组织分析

施工企业最初编制的施工组织设计，设备层板梁施工支撑为传统的钢结构桁架支撑.为搭设钢结构桁架，在进行升船机边墙施工时，需在墙体内埋设大量的埋件，作为后期搭设钢桁架的支点，对边墙施工干扰非常大，且增加了边墙立模施工的难度;另一方面，传统钢结构桁架施工方案，还需加工制作大量钢桁架，耗费大量人力、物力，且在进行桁架安装时，还要充分考虑吊装手段、焊接搭设等问题，不仅技术问题多，安全问题也较为突出，风险较大.而边墙施工因其工作面受限制，机械化程度底，工序性较强，工期往往非常紧，在墙体内增设埋件，再加上大量的金结制安工作，工期难以保证，对于施工组织非常不利.

而贝雷桥为特殊的装配式钢桥，因其承载力大、模块化结构、结构灵活、运输拆装方便、构件可通用互换，且能够多次重复使用，不仅可以节约大量人力、物力，且能够降低安装难度，对其它工序施工影响较小，施工安全、进度更有保障[14-15].

4 结 论

文章结合乌江沙沱水电站右岸通航升船机设备层板梁施工中支撑系统实例，对贝雷桥方案进行技术及经济两方面进行可行性分析论证后，得出如下结论:

1)根据升船机设备层板梁结构的特点，在跨度大、高差大以及承载受力点不理想的情况下，搭设传统钢结构支架难以满足施工要求.根据相关计算理论，对贝雷桥桁架进行应力分析和变形分析，确保计算的最大弯矩和剪力在其容许弯矩和剪力范围内，且其变形满足规范要求，采用贝雷桥方案能够突破施工技术瓶颈，满足施工要求.

2)经分析，与传统的钢结构桁架措施相比，贝雷桥方案投入费用较少，更为经济.传统措施需一次性投入使用大量钢材，受市场物价波动影响较大，不确定性因素多，成本控制难度大.在特定的施工条件和环境下，根据当前的物价水平，采用贝雷桥方案总费用较传统措施要低25%～30%.

3)选用贝雷桥方案总体而言方便灵活，能够改善现场作业环境，简化施工程序，减小施工干扰，降低施工难度，施工安全性也得到较大提升，更为关键的是，在工期紧、任务重的情况下，贝雷桥方案的优越性更能得到体现，是一种可靠的施工措施.

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Feasibility study on Bailey bridge assembled in the equipment layer of plate－girder for ship lift

LUO Gang1，TIAN Zhanfeng2，ZHAN Xiaoxia3
(1.Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China;2.The First Group of the Armed Police Hydropower Troops，Nanning 530222，China;3.Faculty of Applied Science，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

The focus of attention in this paper was how to construct the suspended structure whose span was larger than normal.The construction scheme of equipment layer in plate-girder for ship lift in Shaotuo hydropower station was discussed in this paper.Bailey bridge and steel structure truss were the alternative offers for suspended structure in this paper，and the difference between Bailey bridge and steel structure truss were compared in technological and economical.With an analysis of the bending strength and shear strength of Bailey bridge，the conclusion could be draw that the Bailey bridge was feasible technologically.According to the cost estimated we could find that the cost of Bailey bridge was 25%to 30%less than traditional treatments.So that Bailey bridge was the effective and economical methods.Modularization，easiness to be assembled，less interaction were the significant features of Bailey bridge in construction organization so that it could provide safer guarantee.

Bailey bridge;ship lift;plate-girder

罗罡(1982- )，男，工程师，主要从事工程造价管理等方面的研究，E-mail:15329254@qq.com.

2095-3046(2015)01-0069-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.012

TV5

A

2014-12-10

江西省省级教改课题(JXJG-10-79-3)