毗河供水工程蒋铜渡槽高架空槽身现浇悬挂式贝雷梁支撑技术研究

2018-07-10

四川水利 2018年3期

(中国水利水电第十工程局有限公司，成都，610072)

1　工程概况

毗河供水工程是以“再造一个都江堰”为目标，解决川中旱区用水问题的四川省重点民生工程，功能以农业灌溉、城镇供水为主，兼顾人畜用水和改善生态环境。工程分两期进行，取水枢纽位于毗河中游成都市新都区的苟家滩，总干渠穿龙泉山、跨沱江，沿沱涪分水岭至安岳县朝阳水库，各类渠道总长381.36km。

毗河供水工程总干渠蒋铜渡槽位于成都市、简阳市境内，丘陵地貌，全长5600m，全线跨越三乡镇，是毗河供水工程的关键控制性工程之一，同时也是国内单座最长渡槽。渡槽设计流量22m3/s，平均架空高度17m，最大架空高度46m，为简支梁式渡槽，槽身为U型薄壳混凝土结构，槽身净宽5.2m，净高3.9m，主槽身厚度25cm，单跨槽身16m，共347跨，单跨槽身C30混凝土89.3m3，钢筋15.65t，设计方案为现浇。高架空槽身施工为施工管控重难点，项目部经研究设计了悬挂式贝雷梁方案，作为架空高度>20m的槽身现浇支撑体系。

2　悬挂式贝雷梁支撑体系设计

2.1　技术原理及优势

悬挂式贝雷梁技术原理：利用排架顶梁作为贝雷梁的下部受力基础，槽身施工荷载通过贝雷梁传递至顶梁，在顶梁产生的荷载最终由超静定排架结构传递至地面。

相较满堂支撑架，悬挂式贝雷架具有结构简单、架设快速、分解容易、承载能力大、结构刚性强、疲劳寿命长、受地形地质条件影响小等技术特点；相较钢管柱贝雷梁支撑体系，悬挂式贝雷架支撑体系更为精简、成本低、安全系数高(高架空钢管柱稳定性较差)。

2.2　支撑体系结构

悬挂式贝雷梁支撑体系是利用渡槽顶梁作为受力支撑，上方放砂桶调节，然后通过工字钢横梁、贝雷梁、分配梁搭建形成组合支架，结构形式见图1。

2.2.1主要构件参数

(1)横梁：4I20b型工字钢；

(2)贝雷片：国产321型，单片重量270kg、高度1.5m、长度2.06m(定制)和3.0m(标准)两种，上设加强弦杆；

(3)分配梁：16a型工字钢，长度9.0m。

2.2.2杆件连接和固定方式

图1　悬挂式贝雷梁支撑体系立面

(1)贝雷片采用专用插销拼装接长，相邻两组贝雷片采用连接杆加固，与横梁接触面采用钢板限位，防止滑移和倾覆；

(2)分配梁采用U型螺杆与贝雷梁连接固定，防止滑移和倾覆。

2.2.3卸荷方式

贝雷梁支架体系采用砂桶卸荷，砂桶放置在顶梁上，作为重要受力点承载上部荷载。

2.3　支撑体系验算

支撑体系验算采用有限元软件midas civil 2015计算，最终方案已通过专家论证。悬挂式贝雷梁支撑体系约3500个单元，有限元模型见图2。

图2　悬挂式贝雷梁有限元模型

2.3.1荷载及计算参数

(1)悬挂式贝雷架设计荷载及组合

按规范规定，验算支架强度、稳定性时采用(①+②+③)×1.2+(④+⑤+⑥)×1.4荷载组合。

①钢筋混凝土渡槽重量：2100kN；

②模板重量：620kN；

③支架体系自重：480kN；

④施工人员及设备荷载产生的标准值：1.0kN/m2；

⑤振捣混凝土时产生的荷载标准值：2.0kN/m2；

⑥风荷载：风荷载标准值按照wk=0.7μzμsw0计算，取风压高度变化系数μz=3.12，基本风压w0=0.25kN/m2，模板风荷载体型系数μs=1.0。

(2)贝雷梁参数

本支架采用国产321型贝雷梁，材料为16锰钢，材料的容许应力按基本应力提高30%，设计时采用的容许应力如下：

①16锰钢拉应力、压应力为1.3×210=273(MPa)；

②16锰钢剪应力为1.3×160=208(MPa)。

321型贝雷梁材料屈服强度及容许应力见表1，321型贝雷梁的相关技术指标见表2。

表1材料屈服强度及容许应力(MPa)

表2国产321贝雷梁相关技术参数

(3)型钢参数

本支架型钢所用的钢材为Q235，其容许应力见表3。

表3 Q235钢材的容许应力及相关参数

2.3.2各构件受力验算

根据悬挂式贝雷架结构及受力情况，分别对分配梁I16、贝雷梁、横梁4I20b、卸荷砂桶、排架进行受力验算，具体验算内容如下：

(1)分配梁I16受力验算

在贝雷片上横向布设I16，纵向间距为60cm，I16用U型卡在贝雷片上固定。在横断面上，贝雷片为13片，上部荷载为定型钢模传递下来的均布荷载。经midas civil计算，结论如下：

①横向分配梁I16最大组合应力值为69.54MPa<[σ]=140MPa，满足要求；

②横向分配梁I16最大剪应力值为18.5MPa<[τ]=85MPa，满足要求；

③横向分配梁I16最大位移为24.256-18.325=5.9mm，满足要求。

(2)贝雷梁受力验算

槽身下部横向布设13片贝雷梁，上部荷载为I16工字钢传递下来的均布荷载，按简支梁考虑，经midas civil计算，结论如下：

①贝雷片上下弦杆的最大组合应力为216.3MPa<[σ]=273MPa，满足要求；

②贝雷片弦杆的剪应力为69.75MPa<[τ]=208MPa，满足要求；

③贝雷片腹杆的最大组合应力为166.5MPa<[σ]=273MPa，满足要求；

④贝雷片腹杆的最大剪应力为39.63MPa<[σ]=208MPa，满足要求；

⑤贝雷片支撑架杆的最大组合应力为247.4MPa<[σ]=273MPa，满足要求；

⑥贝雷片支撑架的最大剪应力为21.4MPa<[σ]=208MPa，满足要求；

⑦贝雷片的最大位移为18.5mm，最大出现在中间片贝雷片的跨中。18.5mm<最大容许挠度[v]=14000/400=35.5mm，满足要求；

⑧手算复核：取单层单片贝雷片的容许弯矩[M]=788.2kN·m，容许剪力[Q]=245.2kN，则13片贝雷片的容许弯矩[M]=10246.6kN·m，容许剪力[Q]=3187.6kN。

(3)横梁4I20b受力验算

在卸荷砂桶上横向布设4I20b，4I20b上部布设13片贝雷片，经midas civil计算，结论如下：

①横梁4I20b最大组合应力值为75.8MPa<[σ]=140×1.3=182MPa，满足要求；

②横梁4I20b最大剪应力值为32.2MPa<[τ]=85MPa，满足要求；

③横梁2I20b最大位移为1.38mm<最大容许挠度[v]=2400/400=6.00mm，满足要求。

(4)卸荷砂桶受力验算

本支架采用砂桶卸荷，每个砂桶承担的荷载为120t。砂桶结构见图3。

图3　砂桶结构立面

d0为砂桶的顶心直径，d0=325mm；d1为砂桶的直径，d1=347mm；d2为放砂孔径，d2=30mm；h0为顶心放入砂桶深度，h0=75mm(一般取值70mm～100mm)；H为降落高度，H=125mm；[σ]为砂的容许承压应力，可采用10MPa，预压后取30MPa；δ为砂桶壁厚，δ=25mm。

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

(5)排架受力验算

贝雷梁支架搭设于横向顶梁之上，对原排架墩柱产生不利影响，对排架墩柱进行RC设计验算得知墩柱的横向顶梁受力最不利，横向顶梁经验算满足规范要求，排架墩柱正截面抗弯、斜截面抗剪及抗裂验算满足规范要求；通过有限元屈曲分析，对排架墩柱临界荷载系数进行计算，排架墩柱的临界荷载系数为29.19>4.0，满足要求。

3　施工方案

槽身现浇悬挂式贝雷梁支撑体系搭设过程中要注意对称施工，具体施工如下：

(1)双排架顶梁放置4个80t砂桶，两个砂桶中心与排架柱中心重合，另两个砂桶按间距均匀安放于横向顶梁之上；

(2)砂桶上部横向放置4根I20b横梁；

(3)横梁上部纵向铺设13组贝雷梁，与横梁接触点设置限位钢板，防止偏移；

(4)13组贝雷梁放置横梁后，按照横向60cm间距铺设分配梁，两端不足60cm则紧靠贝雷梁端头放置；

(5)完成上述杆件安装和节点加固后，应由项目部组织验收，项目经理、安全总监、项目技术负责人和相关人员参加模板支架的验收。主要检查砂桶固定是否可靠，各构件材质、布置参数是否满足设计要求，工字钢与贝雷梁之间连接可靠，安全防护设施是否到位。按相关规定填写验收记录表，若搭设不符合要求方案及规范，则应停止施工并整改，整改完毕后重新经项目部检查验收，合格后挂验收合格告示牌，经相关人员签字认证后进行槽身模板安装；

(6)为加强施工过程中安全稳定，在悬挂式贝雷梁中部最不利位置设置一组(两个)观察点，槽身模板安装及浇筑施工过程中，全程监控悬挂式贝雷架是否稳定；

(7)渡槽槽身模板采用定型钢模，由底模、外模、外模支撑、内模、内模支撑架组成。模板安装采用25t汽车吊吊装，先对槽身模板底模和外模进行安装，在完成钢筋制安后安装内模。槽身混凝土经生产区内HZS60拌合系统拌制，通过混凝土泵车运输至施工点进行浇筑，每跨混凝土浇筑应从中间向两端浇筑(先消除变形大的，减少渡槽开裂)，并宜在初凝前完成，浇筑过程中采用小型振捣棒进行振捣密实；

(8)槽身混凝土浇筑完成后，做好养护工作，混凝土强度达到100%，方能拆除底模支撑架，拆除时结合支架结构特点，自上而下拆除施工。