盧玉強(qiáng) ，張海龍 ，黃啟勝

（1.中國(guó)水利水電第十三工程局有限公司，山東 德州 253009；2.山東省水利工程局，山東 濟(jì)南250013；3.東平縣銀山鎮(zhèn)水利服務(wù)隊(duì)，山東 東平 271513）

界河渡槽工程是山東省膠東引黃調(diào)水工程的一個(gè)大型渡漕，位于煙臺(tái)招遠(yuǎn)市境內(nèi)，全長(zhǎng)2021m。渡槽設(shè)計(jì)采用上承式預(yù)應(yīng)力混凝土拉桿拱結(jié)構(gòu)，為國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用，其中最大跨度為50.6m，高26.3m，共有21跨。拱肋采用C50鋼筋混凝土矩形斷面（1.4m×0.8m），拱肋上設(shè)14道C40鋼筋混凝土排架柱作為矩形渡槽的豎向支撐。拱肋間設(shè)C40鋼筋混凝土拱橫梁和拱斜撐，其斷面分別為為0.6m×0.6m和0.5m×0.5m。為抵消拱座水平推力，兩端拱座采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土拉桿（0.6m×0.6m）連接，每根拉桿內(nèi)設(shè)四束低松弛鋼絞線 （fptk=1860MPa）。拱肋軸線為拋物線，矢高 f=10.5m，跨度l=47m。拋物線方程為：

拱上渡槽每跨分為四段，其中：17.97m跨槽身位于拉桿拱的跨中部位，14.47m跨槽身位于拉桿拱的兩側(cè)，3.57m跨槽身位于拉桿拱兩跨的中間部位，在拉桿拱渡槽的兩個(gè)端跨各有一段16.265m跨槽身。渡槽采用聚丙稀纖維混凝土，聚丙稀纖維摻入量為 0.9kg/m3，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，抗凍等級(jí)F200，抗?jié)B等級(jí)W4。

本工程采用碗扣式腳手架支撐，拉桿拱承重支架搭設(shè)高度達(dá)25～30m，上部支撐荷載達(dá) 500t，并且工程鄰近大海，受風(fēng)荷載的影響較大。通過對(duì)支架的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算，確定支架塔設(shè)的寬度、行距、步距、剪刀撐布置等，控制支架豎向和側(cè)向變形量，并確定荷載預(yù)壓的程序、預(yù)拱度的留設(shè)、支架卸落程序等，為本工程的難點(diǎn)。

1 上部荷載及地基承載力

1.1 上部支撐荷載

拱肋模板自重為2.0kN/m2,拉桿模板自重為1.0kN/m2;鋼筋混凝土單片拱肋自重為1470kN，單個(gè)拉桿自重為441kN，排架 2～7自重分別為 98.2kN、79.1kN、47.1kN、41.1kN、28.2kN、26.7kN；施工人員、料具運(yùn)輸堆放荷載為1.0kN/m2；傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的豎向荷載為2.0kN/m2；振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的豎向荷載為2.0kN/m2；風(fēng)荷載為0.5 kN/m2。

1.2 荷載分項(xiàng)系數(shù)

各種荷載的分項(xiàng)系數(shù)見表1。

表1 荷載分項(xiàng)系數(shù)表

1.3 地基承載力

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)第三跨進(jìn)行了重型釬探，釬探位置如圖1所示，釬探結(jié)果見表2。

圖1 釬探位置示意圖

表2 地基承載力釬探結(jié)果匯總表kPa

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 材性檢測(cè)

為便于準(zhǔn)確計(jì)算分析，在工程現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取腳手架鋼管試樣進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè)，鋼管截面規(guī)格為 Φ48×3.0mm，屬非標(biāo)準(zhǔn)截面 （腳手架規(guī)范要求為Φ48×3.5mm），實(shí)測(cè)鋼材極限強(qiáng)度平均值為 385MPa，且該鋼管沒有屈服階段，名義屈服強(qiáng)度可按0.85fu考慮，即 fy=0.85×385=327.25MPa，則設(shè)計(jì)強(qiáng)度為 f=327.25/1.111=294.6MPa，取 290MPa。

2.2 試壓應(yīng)變檢測(cè)

結(jié)合50.6m跨支架進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試壓應(yīng)變檢測(cè),在拱肋下部?jī)膳帕⒐苌瞎苍O(shè)置了20個(gè)檢測(cè)點(diǎn) (見圖2)。檢測(cè)的目的:一方面可以用來檢驗(yàn)前期支架的工作性能,發(fā)現(xiàn)問題與不足,指導(dǎo)后期施工;另一方面也可以驗(yàn)證理論分析的可靠性,找出經(jīng)濟(jì)合理的模型體系。

預(yù)壓荷載按設(shè)計(jì)永久荷載的110%考慮,設(shè)計(jì)永久荷載考慮內(nèi)容為:外露于雙排架頂梁之外的拱肋、拉桿和拱上排架,沒有考慮拱肋之間的橫梁和斜撐重量。

預(yù)壓荷載共計(jì)4910kN,采用均布加載,分三次施加:第一次施加2500kN,第二次施加1610kN,第三次施加800kN。每次施加荷載后進(jìn)行應(yīng)變讀數(shù),應(yīng)變檢測(cè)采用CS-1型應(yīng)變儀。

圖2 支架應(yīng)變檢測(cè)點(diǎn)示意圖

2.3 試壓變形檢測(cè)

在50.6m跨支架施壓過程中，還利用DS3型精平水準(zhǔn)儀進(jìn)行了沉降觀測(cè)，沉降量較小。

3 計(jì)算原理

鑒于支架桿件的組成特點(diǎn)，在充分考慮永久荷載、施工活荷載、水平風(fēng)荷載及荷載組合基礎(chǔ)上，項(xiàng)目部委托有關(guān)單位采用空間桿系有限單元法和空間梁柱有限單元法進(jìn)行了計(jì)算。

其基本原理是：以桿件為基本單元，以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，先由桿件內(nèi)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系建立單元?jiǎng)偠染仃?，然后根?jù)各節(jié)點(diǎn)平衡及變形協(xié)調(diào)條件建立結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)荷載和節(jié)點(diǎn)位移間關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)總剛度矩陣和總剛度方程?？倓偠确匠淌且怨?jié)點(diǎn)位移為未知量的線性方程組，引入邊界條件后，求解出各節(jié)點(diǎn)位移值。最后由桿件單元內(nèi)力與節(jié)點(diǎn)位移間關(guān)系求出桿件內(nèi)力。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 支架搭設(shè)方案

拉桿拱支架采用碗扣式腳手架搭設(shè)，剪刀撐和局部不合模數(shù)的支架采用普通腳手架搭設(shè)，支架搭設(shè)方案為：

支架搭設(shè)范圍為45m×7.3m，橫向9排，縱向76排。其中：橫向尺寸為0.9m×4+1.0m×1+0.9m×3=7.3m，見圖 3和圖 5；縱向尺寸為 0.6m×75=45.0m，見圖 3和圖 4；豎向尺寸為 1.2m×20=24.0m，見圖 4和圖 5；縱向斜撐在支架兩個(gè)外側(cè)立面由底至頂連續(xù)設(shè)置，采用扣件式腳手架管搭設(shè)，見圖4；橫向斜撐沿縱向每隔3m設(shè)一道，由底至頂層呈之字型連續(xù)布置，采用扣件式腳手架搭設(shè)，見圖3；水平斜撐分別在標(biāo)高7.2m、14.4m、19.2m和頂部各設(shè)一層，采用扣件式腳手架搭設(shè)，見圖4和圖 5。

圖3 支架平面圖

4.2 簡(jiǎn)化法立桿承載力驗(yàn)算

Φ48×3.0鋼管的參數(shù)：截面積A＝424mm2，慣性矩I＝1.078×105mm4，抵抗矩 W＝4.493×103mm3，回轉(zhuǎn)半徑 i＝15.95mm，自重 3.328kg/m。

根據(jù)WDJ碗扣型多功能腳手架使用說明書，支撐立桿的設(shè)計(jì)允許荷載：橫桿豎向步距為1.2m時(shí)，每根立桿可承受最大豎直荷載為30kN。

圖4 支架正立面及縱向斜撐圖

圖5 支架側(cè)立面及橫向斜撐圖

1）不組合風(fēng)載時(shí)的穩(wěn)定性驗(yàn)算

當(dāng)無風(fēng)載參與組合時(shí)，根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》提供的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，采用下式進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算：

式中：f為立桿的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

N為立桿計(jì)算范圍內(nèi)的軸心力設(shè)計(jì)值；

A為立桿的毛截面積；

2）組合風(fēng)載時(shí)的穩(wěn)定性驗(yàn)算

當(dāng)風(fēng)載參與組合時(shí)，根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》提供的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，采用下式進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算：

Φ為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)。

立桿所受軸力設(shè)計(jì)值：

N＝18.46kN＜30kN，滿足要求。

長(zhǎng)細(xì)比λ＝L/i＝1200/15.95＝75.2。

查得穩(wěn)定系數(shù)Φ＝0.719。

穩(wěn)定驗(yàn)算如下：

式中：Mw為計(jì)算立桿段風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩，按Mw＝ 1.4×0.9qwkh2/10確定；

h為步距；

qwk為作用在立桿上的線風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，按qwk＝ωkd計(jì)算；

ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；

d為立桿外徑；

W為鋼管截面抵抗矩。

立桿所受軸力設(shè)計(jì)值

N＝18.28 kN＜30kN，滿足要求。

長(zhǎng)細(xì)比λ＝L/i＝1200/15.95＝75.2。

查得穩(wěn)定系數(shù)Φ＝0.719。

穩(wěn)定驗(yàn)算如下：

+＝60.16MPa＜f＝290MPa，滿足要求。

5 結(jié) 語

根據(jù)設(shè)計(jì)方案、計(jì)算數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行施工，取得了較好的施工效果，確保緊后工序的順利、安全地進(jìn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)范要求，對(duì)于高度較高和荷載較大的支撐，有較好的應(yīng)用前景。