水工建筑双悬臂结构的运用

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1.引言

水工建筑施工技术是一个特别全面的领域，在施工过程中，工程师需要具备制定更完整的水工建筑施工计划的经验，以更好地解决水工建筑施工过程中存在的问题。尽管双悬臂结构具有许多优点，然而在应用双悬臂结构时仍然存在许多问题，例如双悬臂结构的模板施工不科学，并且结构重量超过了双悬臂结构的强度。如果水工建筑施工力度超过双悬臂结构的强度，则双悬臂结构的底部将出现不同程度地破裂，从而影响双悬臂结构的有效性。

2.水工建筑的施工现状

水工建筑施工的复杂水环境，增加了施工难度，而水工建筑结构的稳定性和安全性尤为重要。水工建筑的首要考虑因素是建筑材料的性能，以避免在以后的运行中发生各种安全事故。在投入使用之后，随着使用时间的增加，水工建筑经常会遇到诸如混凝土开裂、沉降不均匀以及泄漏等问题，导致这些问题的原因各不相同。与典型建筑物相比，水工建筑物主要是大体积混凝土结构，如果结构施工不合理，则可能会在内部和外部之间产生较大的温差，并导致混凝土收缩，造成水工建筑会破裂。如果不对裂缝进行加固或修复，裂缝将变得很严重并影响整个建筑物的耐久性。水工建筑物基础的不均匀沉降直接影响到整个建筑物的稳定性和安全性问题，主要原因是对基础的不良地质影响，例如，水工建筑经常遇到软土地基。如果不采取必要的措施进行软土地基的加固处理，直接压实软土地基，将会导致沉降问题并增加水工作业的安全风险。泄漏问题主要是由于建筑物本身的建筑周围的水环境长期受到侵蚀，提倡对在建筑中使用更高要求的防水材料，并在必要时采取必要的防水措施，以防止泄漏，减少由于泄漏问题造成的损坏。

3.双悬臂结构内力特点

如果简支梁的两端在支撑件外部对称地延伸悬臂的一部分，则成为双悬臂的简支梁（板）结构。由于悬臂的作用，在相同的均匀载荷和外力条件下，与简支梁（板）相比，双悬臂（板）的内部和位移将发生显着变化。前者具有中等的弯曲距离，挠度大大减小。以承受均匀载荷的梁（板）为例，其内力和位移的计算公式如下表1 所示，显示了双悬臂和简支梁的内力比较。

表1 双悬臂梁和简支梁内力对比

通过分析方程式，不难发现悬臂的外部伸长直接影响梁的内力。计算得出具有相等弯矩的双悬臂梁系数λ ≈0.354，将简支梁的内力计算公式与等弯矩双悬臂梁的内力计算公式进行比较可以看出，在相同载荷和等梁长的条件下，前者的弯矩绝对值是后者的5.84 倍。

4.双悬臂结构在水工建筑施工中的应用

与简支梁相比，双悬臂梁的内力大大降低，如果可以合理地用于各种建筑结构中，则可以节省大量建筑材料和金钱。该结构易于计算并且具有清晰的受力，根据当地情况用于各种水工建筑。实践证明，双悬臂施工经济、合理，且安全可靠。

4.1 在桥梁施工中的应用

双悬臂结构可以均匀地承受载荷，结构的跨中可以有效地降低建筑的承载力，因此，水工建筑物必须灵活地使用双悬臂结构，充分发挥双悬臂结构的优势。双悬臂结构施工简单，功能强大，因此，经常用于各种桥梁的水利工程中。比较常见的是使用具有相等弯矩的双悬臂结构，例如，用于打开和关闭水坝闸的交通桥、行人桥和工作桥。水平桥面板除了在垂直方向上采用双悬臂梁的施工和装饰外，还可以选择减少双悬臂内力的结构。在人行天桥中，使用具有相等弯矩的双悬臂结构是最合理的，因为其承载力基本上是均匀分布的载荷。对于动载荷下的行车桥，当车轮载荷P 作用在悬臂上时，负弯矩值小于简单地由支撑梁承受的相同载荷的正弯矩的减小量（前者为-0.207 PL，后者为+0.207 PL），当检查由桥重的均匀分布引起的相等弯矩的组合时，与简支梁结构相比，具有相等弯曲距离的双悬臂结构仍然是有利的。

如果桥梁使用一对纵梁来支撑桥面结构，则通过适当调整桥面的间距，横向桥板也将具有相等弯矩的双悬臂结构，在我国被广泛用于各种水工建筑，例如闸门、水坝、渡槽、桥梁和管道，经过多年的实践测试，尚未发现该结构不稳定或不可靠的案例出现。由于双悬臂结构在两端具有相等的弯矩时的悬臂作用，结构物能均匀地承担载荷。因此，根据当地情况采取措施并使用柔性水工建筑可以大大节省水泥和钢材，并降低工程成本。等弯矩双悬臂结构仍然是一种简单支撑的静定结构，其结构计算简单，作用力清晰，安全可靠。

4.2 在闸坝施工中的应用

4.2.1 基础底板和闸孔的布置

中小型水坝，例如低水位河道防洪和潮汐控制闸门、水库排洪和河道控制闸，其中的许多使用具有相等弯矩的双悬臂结构，并带有相邻的闸孔，宽度不相等。闸孔的宽度的一半为L，相邻孔的宽度为0.707L，下部板在较小的闸孔中具有狭缝。

作为基础平板，其内力计算基于以下假设：基础底部在平板自身重量、水重量、透水压力、重力以及来自墩台和上部结构的动态载荷的作用下均匀地反应，均匀的反作用力呈线性分布。尽管这个假设与计算弹性基础梁的方法不一致，但底板采用等弯矩双悬臂布置，由于闸墩跨度不均匀，因此可以合理地布置上层建筑，例如由闸墩支撑的交通桥和开/关闸的工作桥，等弯矩双悬臂具有减少内力、节省材料的作用。

4.2.2 闸门结构的双悬臂布置

为了减小弧形闸门的主梁的弯矩和挠度，大多数门扇采用双悬臂结构，它们具有相等的弯矩，并带有正支腿或斜支腿，以支撑门扇的主梁，因此，结构的内力和门的重量显着减小，并且启闭机和闸门的工程成本可以降低约1/3。

4.2.3 闸坝固定式挡水结构

如果在水闸和潮汐闸门处安装挡水胸壁，并且支撑胸壁的墩采用上述不等宽的门洞布置，则胸壁也可分为等弯矩双悬臂布置。与通常简单支撑的平板墙壁相比，其内力和材料在较低液压的均匀分布中起着重要作用。

在中小型板式支撑坝中，用作保水坝的板承受外力，例如水压、板重、坝前的沉积物压力、冰压和地震力，它们都属于均匀分布的负载，例如，如果将平板坝墩放置为合理的双悬臂支撑，则保水平板将是具有相等弯矩。但是，为了达到减小悬臂部分内力的目的，每个板坝部分必须配备能够适应变形并严密止水的联合措施。

4.3 在渡槽修建中的应用

如果开挖的渠道与冲沟相交，则可以在运河中修建排洪渠，以排泄冲沟中的水和沉积物，以防止沉积物进入运河。建筑工人需要在渠道中修建渡槽，以防止泥石流的侵入。渡槽由四部分组成：罐体，渡槽支架，渡槽入口和出口以及基本结构。渡槽支持有两种类型：梁型和拱型。由于将其放置在码头或弯曲的框架上，并且具有与梁相同的垂直力，因此将其称为梁式渡槽。预应力钢筋混凝土和钢丝网水泥结构也可以用来节省钢材和水泥的量，小跨度的槽身也可以用混凝土建造，即使使用几年后，该支架也可以保持良好的性能。梁式渡槽如图1 所示。

图1 梁式渡槽

由于渡槽主体位于支撑结构上，渡槽本身的重量和渡槽中水流的重量均由渡槽支撑件支撑，渡槽支撑将地面转移到渡槽的基础，进而转移到基础。由于其高效率和便利性，渡槽是常见的排水结构。渡槽通常适用于水道跨越深而宽的河谷、洪水泛滥的滩地和水道之间较宽的洼地。与倒置虹吸管相比，它的头部损失更少，更易于通航，更易于管理和使用，并且是建筑物中使用最广泛的类型。

5.结束语

总而言之，在社会经济的不断发展下，人们的生活水平越来越高，对水资源的需求日益增加，水工建筑物的施工质量尤为重要。将双悬臂结构应用于水工建筑，提高了建筑结构支撑的承载能力，延长了水工建筑的使用寿命，并提高了安全性能。双悬臂结构在某些方面优于单悬臂结构，这就是为什么双悬臂结构被广泛应用于水工建筑中的原因。