朱俊杰，李士華

（中國葛洲壩集團股份有限公司三峽分公司，湖北宜昌 443002）

1 前言

三峽升船機船廂室段塔柱結(jié)構(gòu)，頂部由兩個平臺和7根橫梁形成塔柱的橫向聯(lián)系，其中兩個平臺部位各有兩根橫梁和兩根縱梁，兩根橫梁之間布置了5根次梁。在橫梁兩端沿流向各布置了1根基礎(chǔ)梁將11根橫梁連成整體。橫梁一端設(shè)計有寬槽后澆帶，另一端設(shè)有豎向施工縫。單根橫梁兩端布置了牛腿結(jié)構(gòu)，橫梁牛腿結(jié)構(gòu)以及縱梁與塔柱一起澆筑，橫梁中間部分、基礎(chǔ)梁以及兩個平臺部位在后續(xù)時間一次全部澆筑完成?？v梁尺寸為19.1m×1.5m×7.25m（跨度×寬度×高度），橫梁最大尺寸為25.8m×2m×2.75m×7.15m（跨度×寬度×中部高度×兩側(cè)高度）。橫梁梁系結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 升船機頂部橫梁梁系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Beam structure at the top of the ship lift

橫梁梁系布置高度高（距地面達(dá)145m），跨度大，高寬比大，現(xiàn)場施工設(shè)備布置僅有船廂室段建筑塔吊，起吊重量有限，且筒體為薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，對混凝土施工的支撐結(jié)構(gòu)要求高，橫梁支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大、風(fēng)險大。

2 塔柱橫梁貝雷架支撐方案

2.1 貝雷架簡介

最初的貝雷軍用鋼橋是由英國工程師唐納德·西·貝雷（Donald Coleman Bailey）在1938年第二次世界大戰(zhàn)初期開始設(shè)計。他的設(shè)計概念為利用易于得到的一般中型卡車進(jìn)行運輸，利用非熟練工人以人力進(jìn)行搭建，同時以最少種類的單元構(gòu)件拼裝成能夠承受各種不同荷載、具有不同跨徑的橋梁。戰(zhàn)后，許多國家把貝雷軍用鋼橋經(jīng)過一些改進(jìn)后轉(zhuǎn)為民用。如今，貝雷鋼橋在國防交通工程保障、抗震救災(zāi)、抗洪搶險、聯(lián)合國維護行動中起到不可替代的作用。

貝雷架是采用Q345型鋼制作而成的，它由上下弦桿、豎桿、斜桿等拼裝而成。弦桿由10號槽鋼組成，腹桿系由8號工字鋼組成。端豎桿和中豎桿上的規(guī)形孔為橫梁夾具孔，是用來安裝橫梁夾具的，橫梁夾具能起到穩(wěn)定橫梁的作用。貝雷架的配件有貝雷銷、桁架螺栓、弦桿螺栓、撐架螺栓，其中貝雷銷具有連接桁架的作用。貝雷架的構(gòu)件有桁架、450支撐架、900支撐架、加強弦桿，其中加強弦桿具有提高弦桿的抗彎能力以及充分發(fā)揮桁架腹桿抗剪能力的作用。

貝雷架節(jié)與節(jié)之間采用貝雷銷連接加長形成排，排與排之間采用支撐架（連接桿）連接形成組，組與組之間以及單排與組之間采用支撐架（連接桿）連接形成整體（榀）。根據(jù)貝雷架的受力情況，可將其設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，兩層之間采用桁架螺栓連接。

貝雷架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長為300 cm，寬為17.6 cm，高為150 cm，單節(jié)質(zhì)量為270 kg。根據(jù)塔柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求以及受力情況，除使用標(biāo)準(zhǔn)貝雷架以外，另需加工長分別為150 cm、90 cm的非標(biāo)準(zhǔn)貝雷架以及8孔1350支撐架、3m高抗剪桁架單元、1.5m加強弦桿、900加強弦桿、450聯(lián)板、225聯(lián)板等設(shè)施。貝雷架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)見圖2。

圖2 貝雷架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)示意圖Fig.2 Schematic of standard section of Bailey rack

2.2 橫梁貝雷架支撐方案

橫梁混凝土結(jié)構(gòu)特殊，對外觀質(zhì)量要求高，施工時為高空作業(yè)，受起吊能力、技術(shù)要求限制，經(jīng)綜合分析比較，決定采用貝雷架（貝雷梁）支撐方案。即在塔柱墻體內(nèi)預(yù)埋貝雷架支座埋件，后期支座與預(yù)埋埋件連接安裝形成貝雷架支座，貝雷架坐落在支座上，則可以在貝雷架上部搭設(shè)鋼管支撐排架以及安裝橫梁模板，貝雷架上部施工荷載通過貝雷架傳遞到支座以及塔柱混凝土墻體。在對施工荷載進(jìn)行計算后可以對貝雷架進(jìn)行布置，196.00m高程上單個橫梁結(jié)構(gòu)支撐貝雷架的最小質(zhì)量達(dá)36 t，最大質(zhì)量達(dá)78 t，因而應(yīng)采用大噸位的起重設(shè)備整體吊裝到位。升船機橫梁貝雷架提升高度可達(dá)到150m，而現(xiàn)場起重設(shè)備布置場地狹窄，不具備實施條件。由于現(xiàn)場建塔起吊能力不能滿足單根梁貝雷架的整體吊裝要求，故采取將單個橫梁部位的貝雷架分成若干個起吊單元，然后在空中連接形成整體的施工方案。

3 貝雷架支撐系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

3.1 支撐體系設(shè)計荷載

貝雷架支撐系統(tǒng)的設(shè)計荷載包括。a.貝雷架支撐體系自重。b.混凝土梁自重。c.施工人員和施工材料、機具等荷載。d.現(xiàn)澆砼梁底部模板系統(tǒng)材料（貝雷架以上）重量。e.荷載組合。計算強度時用荷載組合：a+b+c+d；計算撓度時用荷載組合：b+c+d。

3.2 支撐體系穩(wěn)定性要求及主梁撓度

貝雷架支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求為牛腿牢固，貝雷梁橫向之間連接牢固。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]和《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[2]，支撐體系主梁彈性撓度應(yīng)小于結(jié)構(gòu)跨度的1/400。同時，將貝雷架支撐體系設(shè)計安全等級定為二級。貝雷架體系安裝完成后的使用時間即設(shè)計基準(zhǔn)期為1年。

4 貝雷架支座系統(tǒng)設(shè)計

4.1 支座受力分析

1）貝雷架支座的全部豎向載荷由結(jié)合面的靜摩擦力傳遞至錨板，結(jié)合面涂無機富鋅底漆，摩擦系數(shù)采用0.4，由此可以確定高強螺栓的預(yù)緊力，根據(jù)預(yù)緊力復(fù)核高強螺栓組件中相關(guān)零件的強度。

今天我來到了“齊音琴行”學(xué)習(xí)吹薩克斯，心里既緊張又興奮，緊張的是怕自己學(xué)不好，興奮的是我有機會學(xué)薩克斯了，有一天我也能吹出優(yōu)美的曲子，享受音樂帶來的快樂。

2）支座的全部豎向載荷由剪力板傳遞，據(jù)此復(fù)核抗剪焊縫的強度。

3）作用于錨板的全部豎向荷載由焊釘傳遞至混凝土，焊釘均勻承載，由此可復(fù)核焊釘強度。

4）支座豎向載荷形成的翻轉(zhuǎn)力矩由布置在支座上方的3排螺栓承擔(dān)，最頂部的一排螺栓拉力最大。以此拉力可以復(fù)核高強螺栓組件中相關(guān)零件的強度。

整個貝雷架系統(tǒng)對安全性要求很高，其中支座系統(tǒng)的施工質(zhì)量關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全?？紤]到現(xiàn)場施工難度大，設(shè)計時應(yīng)增加支座系統(tǒng)的安全儲備，即在上述支座反力的基礎(chǔ)上乘以1.25倍的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計。

4.2 支座系統(tǒng)設(shè)計

貝雷架由設(shè)在塔柱墻壁外側(cè)的牛腿支承，牛腿頂面高程為182.00m，牛腿與貝雷架之間設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)箱梁。牛腿有兩種布置方式，一種是將牛腿對稱布置在船廂室兩側(cè)的塔柱墻壁上，垂直于水流向布置。牛腿采用鋼結(jié)構(gòu)支座，通過高強螺栓與埋件結(jié)構(gòu)連接，位于每個橫向墻端面的軸線附近。另一種是將牛腿布置在塔柱凹槽內(nèi)的上下游墻壁上，順?biāo)飨虿贾?。鋼結(jié)構(gòu)牛腿與埋件、箱梁及貝雷架之間的連接方案見圖3。

圖3 貝雷架支承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of supportstructureof Bailey rack

塔柱薄壁混凝土結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，支座布置困難。其中，縱梁與橫梁形成的垂直交叉結(jié)構(gòu)處在平衡重導(dǎo)軌的凹槽薄弱部位，牛腿采用混凝土結(jié)構(gòu)，在牛腿上布置鋼箱梁支撐貝雷架。其余結(jié)構(gòu)部位則采用鋼結(jié)構(gòu)支座。

4.3 錨固

橫梁貝雷架單邊最大支座反力達(dá)4 830 kN，其支座埋板的尺寸高度由于受到限制只能加高至2.37m。爬模面板上不便于開孔，在現(xiàn)場使用爬模的施工情況下，采用長螺栓對面板進(jìn)行加固是難以實施的。經(jīng)試驗論證，由10級M 52高強螺栓、40Cr錨錐、D32錨筋以及Q345底座組成的高強螺栓組件的最小破斷拉力大于800 kN；D32高強錨筋和尾端底座的最小破斷拉力大于600 kN。

埋件由錨板和高強螺栓組件構(gòu)成。其中，高強螺栓組件由M 52螺桿、M 52螺母、52墊圈、D32/M 52錨錐、M 32螺母、D32高強鋼筋以及尾端底座等零件組成。在每個高強螺栓組件中，窄支座布置15組，寬支座布置30組。錨板由50mm厚鋼板與25×300焊釘焊接而成，在鋼板上對應(yīng)于高強螺栓位置鉆?80mm孔。以錨錐?80mm軸的臺肩定位，將高強螺栓組件中的錨錐端部?80mm軸段與錨板上的?80mm孔相配合。該結(jié)構(gòu)形式可便于澆筑混凝土?xí)r采用滑模，并確保位于混凝土內(nèi)部的高強鋼筋及尾端底座等構(gòu)件不承受高強螺栓的預(yù)緊力。高強螺栓組件見圖4。

圖4 高強螺栓組件圖（單位：mm）Fig.4 Diagram for boltassembly(unit:mm)

4.4 支座

鋼結(jié)構(gòu)支座通過高強螺栓與埋件連接，安裝時對高強螺栓施加一定的預(yù)緊力，通過支座與埋件結(jié)合面的靜摩擦力承受支座載荷。貝雷架載荷作用于支座后，高強螺栓組件將承受支座翻轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的拉力。另外，在支座底板下方設(shè)置有剪力板，用于承受支座豎向載荷，以作為結(jié)合面摩擦失效時的安全保護。支座與埋件的連接方案見圖5。

圖5 支座與埋件連接方案（單位：m）Fig.5 Connectivity solution of supportand embedded parts（unit：m）

所有鋼結(jié)構(gòu)支座與埋件的高度尺寸分別為1 360mm、2 370mm；寬度有兩種不同的尺寸，一種是窄支座，其寬度為625mm；另一種是寬支座，其寬度為1 225mm，相當(dāng)于兩個窄支座的連體結(jié)構(gòu)。載荷最大的是第7根附近的兩套窄支座。因此，當(dāng)按照窄支座的載荷條件和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計計算時，寬支座是安全的。

5 貝雷架結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 貝雷架荷載分析及變形計算

5.1.1 計算模型

根據(jù)現(xiàn)場支撐條件可以確定4種有限元結(jié)構(gòu)模型或16種有限元加載模型：模型1（見圖6）、模型2（見圖7）、模型3（見圖8）、模型4（見圖9）和模型5（見圖10）。采用大型通用有限元分析軟件SAP2000對鋼橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維空間有限元分析，其中，桁架弦桿、腹桿采用框架單元，桁架單元之間采用鉸接連接方式。

圖6 桁架梁4（橫梁HL7）結(jié)構(gòu)有限元模型（模型1）Fig.6 Joist4（beam HL7）finite elementm odel（model1）

圖7 桁架梁1、2、3、5（橫梁HL1、HL2、HL3、HL7）結(jié)構(gòu)有限元模型（模型2）Fig.7 Joist1，2，3，5（beamsHL1，HL2，HL3，HL7）finiteelementmodel（model2）

圖8 桁架梁5（觀光平臺下橫梁HL4-1）和桁架梁9（次梁）結(jié)構(gòu)有限元模型（模型3）Fig.8 Joist5（sightseeing p latform，transom HL4-1）and joist9（secondary beam）finiteelementmodel（model3）

圖9 桁架梁6（縱梁ZLD196-2）結(jié)構(gòu)有限元模型（模型4）Fig.9 Joist6（stringer ZLD196-2）finite elementm odel（model4）

圖10 桁架梁7、8（基礎(chǔ)梁JLE196-1、6）結(jié)構(gòu)有限元模型（模型5）Fig.10 Joist7，8（foundation beam s JLE196-1，6）finite elementmodel（model5）

5.1.2 計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，當(dāng)橫梁澆筑受力達(dá)到最大時，貝雷架跨中撓度均在控制范圍內(nèi)，桁架弦桿最大軸壓力、最大軸向拉力以及桁架腹桿最大軸壓力、最大軸向拉力均符合要求。

經(jīng)過綜合受力分析，橫梁、縱梁、平臺板、施工平臺貝雷架在采用以下結(jié)構(gòu)的情況下是安全的：HL3、HL7貝雷架采用雙層上加強且在兩端采用高抗剪桁架單元的結(jié)構(gòu)；平臺板下的橫梁、次梁、平臺板貝雷架采用單層上下加強的結(jié)構(gòu)；縱梁貝雷架采用雙層上下加強且在兩端采用超高抗剪桁架單元的結(jié)構(gòu)；HL1、HL2貝雷架采用雙層加強且采用高抗剪桁架單元的結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)梁貝雷架、輔助橫梁施工平臺、輔助縱梁施工平臺、輔助橫梁施工平臺、軌道梁貝雷架采用單層結(jié)構(gòu)。

5.2 貝雷架布置

塔柱196.00m高程橫梁、縱梁、基礎(chǔ)梁及觀光平臺（中控室）采用貝雷架+鋼管排架支撐方案施工，因混凝土梁尺寸、重量不等，貝雷架承受的荷載也不一樣。橫梁、縱梁、基礎(chǔ)梁及觀光平臺的貝雷架布置形式經(jīng)研究考慮后，分單層型、單層頂部加強型、雙層頂部加強型、雙層上下加強型4種形式。加強型貝雷架采取在貝雷架上部及下部各增加1根并排弦桿的方式來達(dá)到增強貝雷架整體強度的目的。

6 貝雷架上部鋼管排架設(shè)計

貝雷架至橫梁底部的空間搭設(shè)鋼管排架，用以支撐橫梁模板系統(tǒng)，鋼管采用?48×3.5鋼管。

6.1 荷載組合

貝雷架所承受的荷載主要包括a.混凝土梁自重，取25 kN/m3計算。b.施工人員及機具荷載，取250 kN/m2計算。c.現(xiàn)澆混凝土梁底部模板系統(tǒng)材料（貝雷架以上）重量。d.振搗混凝土產(chǎn)生的荷載，取200 kN/m2計算。Q235鋼抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值取205N/mm2。

6.2 排架設(shè)計計算依據(jù)

依據(jù)《水電水利工程模板施工規(guī)范》[3]和《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》[4]的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行驗算。Q235鋼抗壓強度設(shè)計值取205N/mm2。

6.3 排架設(shè)計計算結(jié)果

經(jīng)計算，橫梁排架立桿間距為100 cm×66 cm，基礎(chǔ)梁立桿間距為100 cm×72 cm，排架步距按不大于140 cm控制，計算結(jié)果滿足要求。

6.4 排架支撐方案

排架鋼管每根立桿底腳設(shè)工字鋼底座，工字鋼底座有I100×68×4.5和I250×116×8兩種規(guī)格，第2種規(guī)格的工字鋼底座用于跨相鄰兩橫梁貝雷架部位，第1種規(guī)格的工字鋼底座用于其余部位，工字鋼底座鋪設(shè)在貝雷架上，工字鋼用鐵絲與貝雷架綁扎固定，同時工字鋼底座上部焊裝有短鋼筋樁，立桿套置于短鋼筋樁上，以防止立桿發(fā)生側(cè)滑。

為滿足排架整體穩(wěn)定性要求，排架間隔設(shè)置剪刀撐和掃地桿，左右側(cè)基礎(chǔ)梁底部排架設(shè)連墻桿將排架與塔柱墻面連接。在兩個橫梁之間布置聯(lián)系排架，一是增加橫梁排架的側(cè)向穩(wěn)定；二是將其作為操作平臺。排架立桿上部設(shè)T32支撐頭和工字鋼帽梁用以支撐模板。

7 貝雷架支撐系統(tǒng)安全監(jiān)測

7.1 監(jiān)測部位

根據(jù)升船機頂部橫梁梁系結(jié)構(gòu)施工荷載情況，選擇承受荷載最大的軸2墻、軸7墻、軸12墻跨航槽橫梁及塔柱4個縱梁作為監(jiān)測部位，主要對其貝雷架、貝雷架支座系統(tǒng)在混凝土澆筑前后以及混凝土澆筑過程中的應(yīng)力（應(yīng)變）、變形、位移進(jìn)行監(jiān)測，并對相應(yīng)的塔柱混凝土墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測。

7.2 監(jiān)測方法

1）貝雷架撓度監(jiān)測。在監(jiān)測斷面貝雷架的底部中心位置粘貼上反射片，在正對貝雷架下面的50m底板上刻劃一位置點，用紅油漆標(biāo)注；在50m底板位置上架設(shè)全站儀，直接測量位置點與貝雷架底部反射片之間的距離；所得到的3個距離之差就是貝雷架的撓度值。

2）貝雷架側(cè)向位移監(jiān)測。在橫向監(jiān)測斷面的貝雷架的下游張拉一根鋼絲，鋼絲固定在貝雷架左右兩側(cè)的墻體上，在縱向監(jiān)測斷面的貝雷架的左側(cè)張拉一根鋼絲，鋼絲固定在貝雷架上下游兩側(cè)的墻體上；在監(jiān)測斷面的貝雷架側(cè)面的兩端及中心刻劃3個點，分別用鋼板尺測量點與線之間的距離，通過距離比較計算側(cè)向變形值。

3）貝雷架支座監(jiān)測。采用在墻壁上安裝托架布設(shè)百分表進(jìn)行監(jiān)測。利用膨脹螺栓將角鋼固定在梁支座周邊作為支撐點，然后焊接支撐托架并將其固定牢固。橫梁貝雷架兩端各布置兩個支座，在對應(yīng)的支架上對每個支座及高強螺栓分別布置6個百分表進(jìn)行監(jiān)控。其中6個支座百分表監(jiān)測支座的X，Y，Z三個方向位移變化，另外6個百分表監(jiān)測高強螺栓的位移變形量。

7.3 監(jiān)測結(jié)果

橫梁混凝土澆筑時選取軸2、軸12、軸7橫梁貝雷架支撐系統(tǒng)進(jìn)行砼澆筑監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表1。

監(jiān)測結(jié)果表明，貝雷架應(yīng)力、變形均在允許范圍內(nèi)。

8 結(jié)語

三峽升船機196.00m高程橫梁梁系布置高度高，跨度大，高寬比大，現(xiàn)場施工設(shè)備布置受限，且塔柱筒體為薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，對混凝土施工的支撐結(jié)構(gòu)要求高，橫梁支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大、風(fēng)險大。

表1 三峽升船機橫梁貝雷架、排架、筒體監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計表Table1 M onitoring results tableof Bailey rack，shelving，cylinder in ThreeGorges Project ship liftbeam

本文從貝雷架支撐體系的設(shè)計荷載、荷載組合出發(fā)，在滿足穩(wěn)定性要求的前提下，對貝雷架支撐系統(tǒng)的支座系統(tǒng)設(shè)計方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案以及上部鋼管排架設(shè)計方案進(jìn)行了分析計算。計算結(jié)果表明，按照上述設(shè)計方案進(jìn)行施工，貝雷架的應(yīng)力、變形均能滿足設(shè)計要求。同時，對貝雷架支撐系統(tǒng)以及相應(yīng)的塔柱混凝土墻體結(jié)構(gòu)在混凝土澆筑前后以及混凝土澆筑過程中的應(yīng)力（應(yīng)變）、變形、位移進(jìn)行了監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，橫梁支撐系統(tǒng)滿足了橫梁澆筑支撐要求，施工技術(shù)方案可行。本文所提出的關(guān)于塔柱橫梁支撐系統(tǒng)的施工技術(shù)方案可以為今后類似工程施工提供參考借鑒。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2] 中華人民共和國交通部.JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3] 中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.DL/T 5110—2000水電水利工程模板施工規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2001.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 130—2011建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.