郑永吉，吴 兴

（中国水利水电第一工程局有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

水电一局四川分局承建的毗河供水一期工程位于川中丘陵地区，输水线路总长63.67 km，主要渠系建筑物为隧洞、渡槽、明（暗）渠。其中，渡槽有29 座，共计长6.73 km，跨越河道、水田地、鱼塘等不利地形、地貌。由于施工道路狭窄，不适宜大型设备通行，因此，槽身需采用现浇混凝土的施工工艺。 施工时，若搭设满堂脚手架，投入较多，且施工周期较长。 为节约资源，克服地基承载力弱等不利因素，项目部设计了钢管柱组合贝雷梁施工平台。 笔者试结合实际工程，探讨钢管柱贝雷梁施工平台的设计和应用，以期为类似工程提供参考。

1 钢管柱组合贝雷梁施工平台的设计方案和原理

1.1 设计方案

钢管柱贝雷梁施工平台在桥梁施工中有较为成熟的设计和施工方案。 项目部在桥梁工程钢管柱贝雷梁施工平台的基础上，结合该工程特点，进行槽身施工平台的设计与应用研究。

本次提出的钢管柱组合贝雷梁施工平台是以渡槽承台作为受力基础，内侧搭设钢管柱作为支承，然后通过工字钢横梁、贝雷梁、分配梁搭建形成的组合支架。

1.2 设计原理

钢管柱组合贝雷梁施工平台的承载能力和支撑结构的稳定性是设计者首先要考虑的问题， 因此本项课题的研究主要围绕以下几方面开展。

（1） 针对农田软土地基条件下的平台支架体系基础承载力试验研究及基础加固技术研究［1］。 采用预压试验对不同跨度的钢管柱贝雷梁支架稳定性进行检验，通过对线性和非线性屈曲分析，了解不同跨度下的支架结构在极限荷载条件下的稳定系数以及对应的失稳模态， 研究防止钢管柱组合贝雷梁施工平台失稳的设计参数。 对软土地基的各类处理方式进行比对，选出最佳处理方案。

（2）高平台支架体系刚度、强度、稳定性分析。测定贝雷梁施工平台的最大承载能力， 同时获得支架非弹性变形和弹性变形值， 确保结构设计满足施工需求的承载范围，并留有富余；综合分析风、雨、高温等不同环境对结构稳定性的影响， 并制订极端气象条件下的风险应急预案及保稳措施。

（3） 钢管柱组合贝雷梁结构形式及组合方式设计研究。应用有限元理论计算分析拱式、简支与连续组合、简支等3 种贝雷梁组合结构形式。 基于应力、变形、稳定性基本参数的控制，分析钢管柱组合贝雷梁架在3 种结构形式中的不同表现， 用实际应用检验理论上得出的最合理结构形式，并进行优化［2］。

2 钢管柱组合贝雷梁施工平台的结构设计

该工程钢管柱组合贝雷梁施工平台的设计方案在总干渠第五流量段进行试验。 总干渠第五流量段共有4 座渡槽，分别为：王家沟渡槽（五1＋196.63～五1＋466.63）、 三沟田渡槽 （五2＋689.5～五2＋749.5）、胡家渡槽（五2＋826.08～五3＋006.08）、盐井滩渡槽（五4＋034.20～五4＋579.20）。 王家沟渡槽全长270 m，最大架空高度为10.2 m，下部支撑结构共计19 个； 三沟田渡槽全长60 m， 最大架空高度为6.3 m， 下部支撑结构共计5 个； 胡家渡槽全长180 m， 最大架空高度为11.0 m， 下部支撑结构共计13个； 盐井滩渡槽全长545 m， 最大架空高度为18.7 m，I 类支撑18 个，槽台2 个。

2.1 整体结构设计

该工程设计的钢管柱组合贝雷梁施工平台是利用渡槽承台作为受力基础， 内侧搭设钢管柱作为支承，由工字钢横梁、贝雷梁、分配梁搭建而成的组合支架，其结构如图1 所示。

图1 第五流量段钢管柱组合贝雷梁施工平台剖面图Fig.1 Section of combination of Bailey beam construction platform and five flow section steel tube column

2.2 主要杆件确定

（1）钢管。 采用直径为500 mm、壁厚为1.0 cm的钢管，长度50～900 cm 不等。

（2）横梁。 采用2 根I32b 型工字钢，长度为9 m。

（3）贝雷片。 采用国产321 型贝雷片，单片重量为270 kg、高度为1.5 m、长度为2.2 m（定制）和3.0 m（标准）2 种，下设加强弦杆。

（4）分配梁。 采用I22b 型工字钢，长度为9 m。

2.3 杆件的连接和固定

（1）钢管采用法兰盘连接，采用膨胀螺栓和Φ25钢筋抱箍与排架柱固定；

（2）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；

（3）分配梁采用U 型螺杆与贝雷梁连接固定，防止滑移和倾覆。

2.4 卸荷方式

贝雷梁支架体系采用千斤顶卸荷， 千斤顶放置在钢管柱顶端中心位置，作为重要受力点，承载上部荷载。

3 钢管柱组合贝雷梁施工平台的结构计算［3］

3.1 设计参数的确定

槽身截面积为2.889 7 m2， 投影面积为5.4×14.97＝80.84 m2；钢筋混凝土密度为2.5 t／m2；模板自重为35 t； 施工荷载按0.3 t／m2取； 分配梁自重为8.541 t，贝雷梁自重为17.62 t。

3.2 分配梁计算

贝雷梁上铺I22b 工字钢作为分配梁。工字钢每根长9 m，间距为0.6 m，共计26 根，荷载分布长度为5.9 m，计算跨径取1.97 m。

3.2.1 荷载计算

（1）模板自重。 采用定型钢模板，荷载按350 kN计算，即q1＝350÷26÷5.9＝2.28 kN／m。

（2）主梁上沿槽身纵向铺设I22b 工字钢作为施工横梁，铺设4 道，共长60 m。 所以，q2＝36.5×60÷1 000×10÷26÷5.9＝0.14 kN／m。

（3）槽身上铺设I25b 工字钢作为配重并与贝雷架上工字钢连成整体，每根长7 m，设置16 根。 q3＝42.03×16×7÷1 000×10÷26÷5.4＝0.34 kN／m。

（4）查《路桥施工计算手册》可知，施工人员和机具荷载取1 kN／m2，所以，q4＝80.84×1÷26÷5.9＝0.53 kN／m。

（5）查《路桥施工计算手册》可知，混凝土倾倒及振捣产生的荷载取2 kN／m2， 所以q5＝80.84×2÷26÷5.9＝1.05 kN／m。

（6） 混凝土重 （混凝土体积取52.44 m3）。 q6＝52.44×25÷26÷5.9＝8.55 kN／m。

3.2.2 I22b 工字钢验算

（1）I22b 工字钢的抗弯强度验算。

I22b 工字钢截面特性为： 截面抵抗矩W＝325.8 cm3，惯性矩I＝3 583 cm4，弹性模量E＝2.06×105MPa，容许弯曲力σw＝145 MPa，容许剪切应力τ＝85 MPa，计算跨径取l=1.97 m。

对于作用于分配梁上的荷载， 静荷载分项系数取1.2，动荷载分项系数取1.4。 所以，q=（q1＋q2＋q3＋q6）×1.2 ＋（q4＋q5）×1.4=15.78 kN／m。

按照单跨简支梁计算分析，弯矩按式（1）计算，弯矩正应力按式（2）计算。

式中：q 为作用于分配梁上的荷载，kN／m；l 为计算跨径，m。

经计算，Mmax=7.66 kN·m，σmax=23.50 MPa， 小于145 MPa，故满足要求。

（2）I22b 工字钢抗剪强度验算。

I22b 工字钢抗剪应力计算式如式（3）所示。

式中：Sx为中性轴以上的毛截面对中性轴的静矩，I22b 工字钢Sx=189.8 cm3；δ 为验算截面处腹板的厚度，I22b 工字钢δ=9.5 mm；Ix为截面惯性矩，I22b 工字钢Ix=3 583 cm4；Q 为作用于分配梁上的总荷载，kN；τ 为工字钢剪切应力，MPa。

经计算，τ=31.09×1 000×189.8／（3 583×10×9.5）=17.34 MPa，小于容许剪切力85 MPa，故满足要求。

（3）I22b 工字钢挠度校核

I22b 为单跨简支梁受力构件，根据路桥施工手册，挠度计算采用公式（4）。

经计算，Fmax=0.42 mm，小于1 970／400=4.9 mm，故满足要求。

经验算，分配梁按照以上布置时，其工字钢梁抗弯强度、抗剪强度、跨中挠度均满足施工规范要求。

3.3 贝雷梁计算

3.3.1 荷载计算

分配梁上总荷载为15.78×26×5.9=2 420.65 kN；分配梁荷载为8.54×10×1.2=102.48 kN。

3.3.2 贝雷梁验算

（1）贝雷梁的抗弯强度验算。

贝雷片总共为8 片，均匀布置，则分配到每片、每延米的荷载q=（2 420.65＋102.48）÷8÷15=21.03 kN／m。

按照单跨简支梁计算分析， 弯矩Mmax=1／8ql2=0.125×21.03×152=591.47 kN·m，国产312 贝雷架最大允许弯矩为975 kN·m，故满足要求。

（2）贝雷梁抗剪强度验算。

贝雷梁为单跨简支梁受力构件， 根据剪力图可知，最大剪力为21.03×7.5=157.73 kN，小于663 kN，故满足要求。

（3）贝雷梁挠度校核。

贝雷梁为单跨简支梁受力构件， 根据路桥施工手册， 其跨中挠度Fmax=5ql4／384EI=26.86 mm， 小于15 000／400=37.5 mm，故满足要求。

经验算，贝雷梁按照以上布置时，该贝雷梁抗弯强度、抗剪强度、跨中挠度均满足施工规范要求。

3.4 主梁计算

钢管柱上主梁由2 根I32b 型工字钢组成，每根长9 m，每根I32b 工字钢受4 个集中荷载。4 个集中荷载大小相等， 均为P。 P=［15.78×5.9×26＋（8.54＋17.62）×12］÷4÷4=170.91 kN。

该主梁受力为简支梁式受力，钢管柱处支座反力为341.82 kN。 根据内力计算， 跨中弯矩M=341.82×2.1-170.91×2.95-170.91×0.98=46.15 kN·m。 I32b 截面抵抗矩W=726.7 cm3，σmax=M／W=63.50 MPa＜145 MPa。因此，I32b 工字钢的抗弯强度满足设计要求。

根据公式（3），计算I32b 工字钢的抗剪应力，其中Sx=426.1 cm3，δ=11.5 mm，Ix=11 626 cm4，容许剪切应力为85 MPa。 经计算，τ=54.47 MPa＜85 MPa，故满足要求。

3.5 立柱强度计算

（1） 荷载计算。

主梁为I32b 型工字钢， 线密度为57.71 kg／m，则2 根工字钢的重量m=57.71×2×9=1 038.78 kg，单根立柱荷载P1=（1 038.78／2）÷1 000×10=5.19 kN。 根据前面已计算的主梁上荷载， 单根立柱所受主梁以上的荷载P2=170.91×4／2=341.82 kN。 单根立柱上的总荷载N=P1＋P2=347.01 kN。

（2）强度验算。

σa=N／Aji=347.01×1 000／0.015 3=22.68 MPa ＜1.2×140=168 MPa，所以钢管柱强度满足要求。

（3）稳定验算。

采用式（5）进行稳定验算。

式中：ψ 为构件的纵向弯曲系数，取钢管柱计算长度l0 为18 m，得ψ=0.27。

经计算，σa=84.00 MPa，小于168 MPa，故满足要求。

4 钢管柱组合贝雷梁施工平台的应用

4.1 研究成果分析

毗河供水一期工程总干渠第五流量段排架式渡槽全部采用了钢管柱组合贝雷梁施工平台， 根据渡槽槽身拆模强度要求和施工进度要求， 一个渡槽平均需配置4 跨钢管柱组合贝雷梁施工平台的材料，方能满足施工要求［4］。

从运用实例看， 钢管柱组合贝雷梁施工平台利用渡槽已形成的刚性基础， 钢管柱直接安装在板式基础施工平台上， 在进行组合贝雷梁的搭设时，施工操作简单，效率高，材料占用少，人工消耗少，还可克服地基沉降难题［5］。 同等条件下，搭设满堂支架脚手架管需首先进行地基处理， 施工周期较长， 施工一跨槽身从搭设到拆除再到脱模约需要20 d 左右（不含排架及地基处理时间），且材料占用较多。

4.2 经济效益

将钢管柱组合贝雷梁施工平台和满堂脚手架方案进行经济对比， 钢管柱组合贝雷梁施工平台一跨槽身施工成本约为4.2 万元， 悬挂式贝雷梁施工平台一跨槽身施工成本约为2.5 万元， 满堂支架施工支架一跨槽身施工成本约为6 万元，且受地基条件、架空高度限制较大。

4.3 社会效益

利用钢管柱组合贝雷梁施工平台和悬挂式贝雷梁施工平台，避免了大量的土石方工程的地基处理，对施工环境和水土保持起到了非常好的效果； 减少了大量的搭设脚手架工程量，节约材料、节约人工，对提高生产效率起到了一定的推动作用。

5 结语

综上所述， 钢管柱组合贝雷梁施工平台在施工期间具有不受地形、地物限制的特点，同时又不影响下部空间使用或者妨碍原有交通的通行， 特别适用于跨越水系、 深谷以及软弱地基等地貌和地质状态的渡槽、桥梁施工。 实践证明，该钢管柱组合贝雷梁施工平台主体结构设计技术是可行的， 经济上是合理的，应用于水利渡槽施工是成功的。在进行支撑体系搭设时，应严格按照设计间距、尺寸搭设。 为保证钢管柱稳定，超过10 m 架空的钢管柱，每隔3 m 须用槽钢连接成整体。