水工建筑雙懸臂結(jié)構(gòu)的運用

（廣州市增城區(qū)財政投資評審中心，廣東 廣州 510000）

1.引言

水工建筑施工技術(shù)是一個特別全面的領(lǐng)域，在施工過程中，工程師需要具備制定更完整的水工建筑施工計劃的經(jīng)驗，以更好地解決水工建筑施工過程中存在的問題。盡管雙懸臂結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點，然而在應(yīng)用雙懸臂結(jié)構(gòu)時仍然存在許多問題，例如雙懸臂結(jié)構(gòu)的模板施工不科學(xué)，并且結(jié)構(gòu)重量超過了雙懸臂結(jié)構(gòu)的強度。如果水工建筑施工力度超過雙懸臂結(jié)構(gòu)的強度，則雙懸臂結(jié)構(gòu)的底部將出現(xiàn)不同程度地破裂，從而影響雙懸臂結(jié)構(gòu)的有效性。

2.水工建筑的施工現(xiàn)狀

水工建筑施工的復(fù)雜水環(huán)境，增加了施工難度，而水工建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性尤為重要。水工建筑的首要考慮因素是建筑材料的性能，以避免在以后的運行中發(fā)生各種安全事故。在投入使用之后，隨著使用時間的增加，水工建筑經(jīng)常會遇到諸如混凝土開裂、沉降不均勻以及泄漏等問題，導(dǎo)致這些問題的原因各不相同。與典型建筑物相比，水工建筑物主要是大體積混凝土結(jié)構(gòu)，如果結(jié)構(gòu)施工不合理，則可能會在內(nèi)部和外部之間產(chǎn)生較大的溫差，并導(dǎo)致混凝土收縮，造成水工建筑會破裂。如果不對裂縫進行加固或修復(fù)，裂縫將變得很嚴(yán)重并影響整個建筑物的耐久性。水工建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降直接影響到整個建筑物的穩(wěn)定性和安全性問題，主要原因是對基礎(chǔ)的不良地質(zhì)影響，例如，水工建筑經(jīng)常遇到軟土地基。如果不采取必要的措施進行軟土地基的加固處理，直接壓實軟土地基，將會導(dǎo)致沉降問題并增加水工作業(yè)的安全風(fēng)險。泄漏問題主要是由于建筑物本身的建筑周圍的水環(huán)境長期受到侵蝕，提倡對在建筑中使用更高要求的防水材料，并在必要時采取必要的防水措施，以防止泄漏，減少由于泄漏問題造成的損壞。

3.雙懸臂結(jié)構(gòu)內(nèi)力特點

如果簡支梁的兩端在支撐件外部對稱地延伸懸臂的一部分，則成為雙懸臂的簡支梁（板）結(jié)構(gòu)。由于懸臂的作用，在相同的均勻載荷和外力條件下，與簡支梁（板）相比，雙懸臂（板）的內(nèi)部和位移將發(fā)生顯著變化。前者具有中等的彎曲距離，撓度大大減小。以承受均勻載荷的梁（板）為例，其內(nèi)力和位移的計算公式如下表1 所示，顯示了雙懸臂和簡支梁的內(nèi)力比較。

表1 雙懸臂梁和簡支梁內(nèi)力對比

通過分析方程式，不難發(fā)現(xiàn)懸臂的外部伸長直接影響梁的內(nèi)力。計算得出具有相等彎矩的雙懸臂梁系數(shù)λ ≈0.354，將簡支梁的內(nèi)力計算公式與等彎矩雙懸臂梁的內(nèi)力計算公式進行比較可以看出，在相同載荷和等梁長的條件下，前者的彎矩絕對值是后者的5.84 倍。

4.雙懸臂結(jié)構(gòu)在水工建筑施工中的應(yīng)用

與簡支梁相比，雙懸臂梁的內(nèi)力大大降低，如果可以合理地用于各種建筑結(jié)構(gòu)中，則可以節(jié)省大量建筑材料和金錢。該結(jié)構(gòu)易于計算并且具有清晰的受力，根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r用于各種水工建筑。實踐證明，雙懸臂施工經(jīng)濟、合理，且安全可靠。

4.1 在橋梁施工中的應(yīng)用

雙懸臂結(jié)構(gòu)可以均勻地承受載荷，結(jié)構(gòu)的跨中可以有效地降低建筑的承載力，因此，水工建筑物必須靈活地使用雙懸臂結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮雙懸臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。雙懸臂結(jié)構(gòu)施工簡單，功能強大，因此，經(jīng)常用于各種橋梁的水利工程中。比較常見的是使用具有相等彎矩的雙懸臂結(jié)構(gòu)，例如，用于打開和關(guān)閉水壩閘的交通橋、行人橋和工作橋。水平橋面板除了在垂直方向上采用雙懸臂梁的施工和裝飾外，還可以選擇減少雙懸臂內(nèi)力的結(jié)構(gòu)。在人行天橋中，使用具有相等彎矩的雙懸臂結(jié)構(gòu)是最合理的，因為其承載力基本上是均勻分布的載荷。對于動載荷下的行車橋，當(dāng)車輪載荷P 作用在懸臂上時，負彎矩值小于簡單地由支撐梁承受的相同載荷的正彎矩的減小量（前者為-0.207 PL，后者為+0.207 PL），當(dāng)檢查由橋重的均勻分布引起的相等彎矩的組合時，與簡支梁結(jié)構(gòu)相比，具有相等彎曲距離的雙懸臂結(jié)構(gòu)仍然是有利的。

如果橋梁使用一對縱梁來支撐橋面結(jié)構(gòu)，則通過適當(dāng)調(diào)整橋面的間距，橫向橋板也將具有相等彎矩的雙懸臂結(jié)構(gòu)，在我國被廣泛用于各種水工建筑，例如閘門、水壩、渡槽、橋梁和管道，經(jīng)過多年的實踐測試，尚未發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或不可靠的案例出現(xiàn)。由于雙懸臂結(jié)構(gòu)在兩端具有相等的彎矩時的懸臂作用，結(jié)構(gòu)物能均勻地承擔(dān)載荷。因此，根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r采取措施并使用柔性水工建筑可以大大節(jié)省水泥和鋼材，并降低工程成本。等彎矩雙懸臂結(jié)構(gòu)仍然是一種簡單支撐的靜定結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)計算簡單，作用力清晰，安全可靠。

4.2 在閘壩施工中的應(yīng)用

4.2.1 基礎(chǔ)底板和閘孔的布置

中小型水壩，例如低水位河道防洪和潮汐控制閘門、水庫排洪和河道控制閘，其中的許多使用具有相等彎矩的雙懸臂結(jié)構(gòu)，并帶有相鄰的閘孔，寬度不相等。閘孔的寬度的一半為L，相鄰孔的寬度為0.707L，下部板在較小的閘孔中具有狹縫。

作為基礎(chǔ)平板，其內(nèi)力計算基于以下假設(shè)：基礎(chǔ)底部在平板自身重量、水重量、透水壓力、重力以及來自墩臺和上部結(jié)構(gòu)的動態(tài)載荷的作用下均勻地反應(yīng)，均勻的反作用力呈線性分布。盡管這個假設(shè)與計算彈性基礎(chǔ)梁的方法不一致，但底板采用等彎矩雙懸臂布置，由于閘墩跨度不均勻，因此可以合理地布置上層建筑，例如由閘墩支撐的交通橋和開/關(guān)閘的工作橋，等彎矩雙懸臂具有減少內(nèi)力、節(jié)省材料的作用。

4.2.2 閘門結(jié)構(gòu)的雙懸臂布置

為了減小弧形閘門的主梁的彎矩和撓度，大多數(shù)門扇采用雙懸臂結(jié)構(gòu)，它們具有相等的彎矩，并帶有正支腿或斜支腿，以支撐門扇的主梁，因此，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和門的重量顯著減小，并且啟閉機和閘門的工程成本可以降低約1/3。

4.2.3 閘壩固定式擋水結(jié)構(gòu)

如果在水閘和潮汐閘門處安裝擋水胸壁，并且支撐胸壁的墩采用上述不等寬的門洞布置，則胸壁也可分為等彎矩雙懸臂布置。與通常簡單支撐的平板墻壁相比，其內(nèi)力和材料在較低液壓的均勻分布中起著重要作用。

在中小型板式支撐壩中，用作保水壩的板承受外力，例如水壓、板重、壩前的沉積物壓力、冰壓和地震力，它們都屬于均勻分布的負載，例如，如果將平板壩墩放置為合理的雙懸臂支撐，則保水平板將是具有相等彎矩。但是，為了達到減小懸臂部分內(nèi)力的目的，每個板壩部分必須配備能夠適應(yīng)變形并嚴(yán)密止水的聯(lián)合措施。

4.3 在渡槽修建中的應(yīng)用

如果開挖的渠道與沖溝相交，則可以在運河中修建排洪渠，以排泄沖溝中的水和沉積物，以防止沉積物進入運河。建筑工人需要在渠道中修建渡槽，以防止泥石流的侵入。渡槽由四部分組成：罐體，渡槽支架，渡槽入口和出口以及基本結(jié)構(gòu)。渡槽支持有兩種類型：梁型和拱型。由于將其放置在碼頭或彎曲的框架上，并且具有與梁相同的垂直力，因此將其稱為梁式渡槽。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土和鋼絲網(wǎng)水泥結(jié)構(gòu)也可以用來節(jié)省鋼材和水泥的量，小跨度的槽身也可以用混凝土建造，即使使用幾年后，該支架也可以保持良好的性能。梁式渡槽如圖1 所示。

圖1 梁式渡槽

由于渡槽主體位于支撐結(jié)構(gòu)上，渡槽本身的重量和渡槽中水流的重量均由渡槽支撐件支撐，渡槽支撐將地面轉(zhuǎn)移到渡槽的基礎(chǔ)，進而轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)。由于其高效率和便利性，渡槽是常見的排水結(jié)構(gòu)。渡槽通常適用于水道跨越深而寬的河谷、洪水泛濫的灘地和水道之間較寬的洼地。與倒置虹吸管相比，它的頭部損失更少，更易于通航，更易于管理和使用，并且是建筑物中使用最廣泛的類型。

5.結(jié)束語

總而言之，在社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展下，人們的生活水平越來越高，對水資源的需求日益增加，水工建筑物的施工質(zhì)量尤為重要。將雙懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)用于水工建筑，提高了建筑結(jié)構(gòu)支撐的承載能力，延長了水工建筑的使用壽命，并提高了安全性能。雙懸臂結(jié)構(gòu)在某些方面優(yōu)于單懸臂結(jié)構(gòu)，這就是為什么雙懸臂結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于水工建筑中的原因。