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

(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。

4　应用效果

结合蒋铜渡槽沿线特点，项目共安排五个作业班组进行施工，每个作业班组配备两套悬挂式贝雷架，自2017年3月投入使用至今，平均每套悬挂式贝雷架的槽身浇筑强度约2跨/月，根据当前进度保守估计蒋铜渡槽槽身施工工期将比原定工期(38个月)提前近5个月，另外施工安全、质量、成本均良好可控。

5　结语

通过悬挂式贝雷梁支撑技术在毗河供水工程蒋铜渡槽高架空槽身现浇中的成功应用，丘陵地区高架空渡槽槽身现浇支撑体系可进行借鉴，悬挂式贝雷梁的具体参数型式根据渡槽结构特性进行设计，当渡槽下部结构受力不能满足搭设悬挂式贝雷架要求时，如无其他有效可行方案，应提前考虑渡槽下部结构变更事宜。