大橋水庫引水工程管橋設(shè)計變更分析

趙 亞, 張 建 祥

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

涼山州大橋水庫引水工程是解決西昌市、冕寧縣及沿途鄉(xiāng)鎮(zhèn)引水安全的重要工程，工程任務(wù)為城鄉(xiāng)生活供水。工程設(shè)計的引水流量為3.434 m3/s，年引水量為7 928.2萬m3。工程等別為Ⅲ等中型。輸水管線、接水點、隧洞、管橋、倒虹管等主要建筑物的級別均為3級，閥門、閥門井、河道防護(hù)等次要建筑物的級別為4級，臨時建筑物的級別為5級。

工程線路所在的瀘沽鎮(zhèn)至漫水灣首部樞紐段地形起伏不平，沿線溝壑縱橫且切割較深，是該工程最復(fù)雜、最難布置的線路。設(shè)計采用6座管橋跨越該段線路的沿線溝壑。管橋上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土預(yù)制T梁。

2 原管橋設(shè)計方案

全線共設(shè)中型管橋6座，單座管橋橋跨為30m，橋長60.88 m。管橋橫斷面為：0.25 m(欄桿)+1.1 m(檢修道)+1.8 m(管道寬度)+1.1 m(檢修道)+0.25 m(欄桿)=4.5 m。管橋下部橋臺為樁接蓋梁式橋臺；橋墩采用方柱式實體墩、群樁基礎(chǔ)(布置4根直徑為1.2 m的樁基礎(chǔ))，最大墩高28 m。上部橋跨布置為2×30 m預(yù)制T梁，橋?qū)?.5 m，橋面凈寬4 m。地震基本烈度為Ⅸ度，地震動水平峰值加速度為0.4 g[1]。管橋典型立面示意圖見圖1。管橋上部結(jié)構(gòu)T梁橫斷面布置情況見圖2。

圖1 管橋典型立面示意圖

圖2 上部結(jié)構(gòu)T梁橫斷面布置圖

管橋的主要材料為：C50混凝土(T梁、橋面現(xiàn)澆層、橋面鋪裝層)、C40混凝土(背墻、蓋梁、擋塊、實體墩身)、C30混凝土(承臺、樁基礎(chǔ))、GYZd350 mm×96 mm板式橡膠支座、HRB400級和HPB300級鋼筋。預(yù)應(yīng)力鋼束采用的標(biāo)準(zhǔn)為《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》GB/T5224-2003 φ15.2 mm高強(qiáng)低松弛鋼絞線，其抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa。

3 施工中存在的問題

3.1 管橋位置分散，難以布置集中預(yù)制場

涼山州大橋水庫引水工程為線性工程。1號JP2〗管橋中心樁號為41+141.887，2號管橋中心樁號為41+722.44，3號管橋中心樁號為41+917.44，4號管橋中心樁號為41+970，5號管橋中心樁號為42+398，6號管橋中心樁號為88+184.31。6座管橋分散布置在冕寧縣林區(qū)，沿線山地起伏不平，管線附近無既有交通道路，交通十分不便，故該工程無法遵循“安全、緊湊、通暢”的原則布置集中預(yù)制場。

因該工程單座管橋需30 m預(yù)制T梁4榀，6座管橋共需30 m預(yù)制T梁24榀，若采用分散布置預(yù)制場的方式，預(yù)制場建廠投資大且占地面積較大，不利于投資成本的控制。

3.2 管橋位置無運梁通道

因管橋所在地為冕寧縣林區(qū)，跨越“深V型、陡峻”山谷，且山谷頂部有生態(tài)養(yǎng)殖場、村組唯一的耕地、天然林區(qū)等范圍需要在施工期做好保護(hù)工作，全面實現(xiàn)“現(xiàn)代生態(tài)化施工”，管橋平面布置航拍圖見圖3。但是，為了滿足T梁運輸，道路的縱坡須小于8%，轉(zhuǎn)彎半徑須大于20 m，而現(xiàn)有路面寬3 m的鄉(xiāng)村便道一側(cè)緊鄰既有深溝壑，另一側(cè)則緊鄰現(xiàn)有村落的民房，擴(kuò)建道路需要拆遷大量的民房，經(jīng)濟(jì)上極不合理。

圖3 管橋平面布置航拍圖

3.3 T梁架設(shè)施工的難度大、安全隱患突出

由于單榀30 m預(yù)制T梁重約87.8 t，且因管橋均為跨山溝設(shè)計，所處地理條件較差，受地形條件影響，預(yù)制T梁無法采用一臺或兩臺吊機(jī)架設(shè)法組織施工。

由于管橋布置分散，預(yù)制T梁采用聯(lián)合架橋機(jī)架設(shè)法或雙導(dǎo)梁架橋機(jī)架設(shè)法組織施工費用昂貴，極不經(jīng)濟(jì)。

受工程所在地施工環(huán)境的影響，預(yù)制T梁架設(shè)考慮采用傳統(tǒng)的簡易型鋼導(dǎo)梁架設(shè)法。但該架設(shè)法屬高空架設(shè)法，高處墜落、機(jī)械傷害、物體打擊等事故隱患突出。

另外，因其上部結(jié)構(gòu)調(diào)整為現(xiàn)澆方式組織施工、分段澆筑，但現(xiàn)有鄉(xiāng)村便道不滿足混凝土罐車的通行要求，導(dǎo)致混凝土入倉強(qiáng)度無法確?，F(xiàn)澆混凝土橋梁的質(zhì)量受控。

鑒于上述原因，參建各方結(jié)合管橋附近布設(shè)的鐵路鋼橋，初步考慮將大橋水庫引水工程管橋的上部結(jié)構(gòu)調(diào)整為鋼結(jié)構(gòu)。但鋼結(jié)構(gòu)中的橋梁上部結(jié)構(gòu)若采取現(xiàn)場焊接的方式組織施工，現(xiàn)場過多的焊接作業(yè)對鋼結(jié)構(gòu)的耐久性將造成很大的損傷、腐蝕及其運行期的維護(hù)工作量大。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況和以上存在的問題，在充分考慮管橋建設(shè)的工期要求、成本控制、運行功能等要求后，參建各方最終決定將管橋的上部結(jié)構(gòu)由設(shè)計變更的方式調(diào)整為組合裝配式貝雷鋼橋結(jié)構(gòu)。

4 管橋設(shè)計方案的變更

4.1 變更后的方案

經(jīng)涼山州大橋水庫引水工程參建各方共同研究與討論后，將管橋的上部結(jié)構(gòu)由原設(shè)計方案的預(yù)制T梁變更為30 m(長)×4 m(寬)四排貝雷鋼橋[2]。貝雷鋼橋的橋面板采用28號工字鋼加8 mm厚鋼板構(gòu)成[3]。 貝雷鋼橋采取在廠家購買成品貝雷片及其附屬構(gòu)件，運輸至施工現(xiàn)場后在現(xiàn)場拼裝的方式組織施工。30 m(長)×4 m(寬)雙排單層鋼橋的主要工程量見表1。

表1 30 m(長)×4 m(寬)雙排單層鋼橋主要工程量表

4.2 貝雷鋼橋的復(fù)核計算

貝雷鋼橋的橋面強(qiáng)度滿足引水工程架設(shè)單根φ1.2 m自來水管道的要求，在此不予校核其強(qiáng)度。僅對貝雷鋼橋主梁按均布荷載進(jìn)行校核。

(1)主要計算參數(shù)。

W水=1 131 kg=113.1 kN

W水管=473.3 kg=47.33 kN，L=30 m

q1=(W水+W水管)/L

q1=(113.1+47.33)/30=5.35(kN/m)

查《裝配式公路鋼橋使用手冊》,鋼橋自重[4]為:

W橋=27.7 t=277 kN

q橋=W橋/L=277/30=9.2(kN/m)

安全系數(shù)K=1.3

(2)橋梁端部剪力計算。

q=q1+q橋=5.35+9.2=14.55(kN/m)

Qmax=(q×L×K)/2

Qmax=(14.55×30×1.3)/2=567.5(kN)

(3)主梁最大彎矩計算。

Mmax=(q×L2×K)/8

Mmax=(14.55×302×1.3)/8

=2 127.9(kN·m)

查《裝配式公路鋼橋使用手冊》知：雙排單層貝雷片鋼橋[Q]=980.8 kN,[M]=3 152.8 kN·m。

Qmax=567.5 kN<[Q]=980.8 kN

Mmax=2 127.9 kN·m<[M]

=3 152.8 kN·m

在上述公式中，W水為水的重力；W水管為鋼管的重力；q1為均布荷載；W橋為鋼橋的重力；q橋為鋼橋自身荷載；q為總荷載；Qmax為最大重力；Mmax為最大彎矩。

綜上可知：變更后的橋梁結(jié)構(gòu)形式安全、合理。

4.3 方案變更前后直接經(jīng)濟(jì)成本的對比分析

(1)變更前預(yù)制T梁的費用按設(shè)計工程量和概算定額的方法進(jìn)行費用估算，30 m預(yù)制T梁費用估算表見表2。

表2 30 m預(yù)制T梁費用估算表

(2)變更后的貝雷鋼橋采用市場詢價法進(jìn)行相應(yīng)的費用估算，30 m(長)×4 m(寬)雙排單層鋼橋費用估算見表3。

表3 30 m(長)×4 m(寬)雙排單層鋼橋費用估算表

30 m預(yù)制T梁的費用估算為29.92萬元，30 m(長)×4 m(寬)貝雷鋼橋的費用估算為35.322 9萬元，變更后單跨管橋上部結(jié)構(gòu)增加的投資費用約為：35.322 9-29.92≈5.4(萬元)。

該工程6座管橋需增加投資的費用為：5.4×2×6≈64.8(萬元)。

4.4 變更前后間接經(jīng)濟(jì)成本分析

(1)原設(shè)計方案為預(yù)制T梁，其間接成本高。首先需要增加預(yù)制場的臨時征地費用約4.2萬元(征地補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)按未利用地年補(bǔ)償2.1萬元的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置2處預(yù)制場)；其次，需要增加預(yù)制T梁由預(yù)制場至施工現(xiàn)場的運輸?shù)缆方ㄔO(shè)投資，其涉及到既有村民民房的集體搬遷費用和民房補(bǔ)償費用(新建道路5 km，按每km 15萬元考慮，需投資75萬元)。

(2)變更為貝雷鋼橋后，貝雷鋼橋運輸至管線附近的臨時倉庫后由民用拖拉機(jī)運輸至施工現(xiàn)場，在現(xiàn)有征地范圍內(nèi)拼裝，采用懸臂推出法組織施工，無明顯的間接投資費用增加，較預(yù)制T梁方案可節(jié)約預(yù)制場的臨時征地和新建道路等投資費用。

(3)工期方面，貝雷鋼橋亦具有顯著優(yōu)勢。

4.5 其他方面

設(shè)計變更后的管橋為鋼-混凝土結(jié)合結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)管橋，其與原設(shè)計方案的鋼筋混凝土管橋相比，具有重量較輕、制造安裝較為容易、施工速度快、工期短等優(yōu)點。

組合結(jié)構(gòu)管橋與現(xiàn)場拼裝的裝配式鋼橋相比，具有節(jié)省鋼材、耐疲勞、減少鋼梁腐蝕、減少噪音、維修養(yǎng)護(hù)工作量較少等優(yōu)點。

5 貝雷鋼橋的施工流程

管橋上部結(jié)構(gòu)變更后，貝雷鋼橋采用裝配式安裝，其施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→安裝鋼橋的座板→安裝鋼橋橋座→安裝鋼橋的桁架→安裝鋼橋的加強(qiáng)橫梁→安裝抗風(fēng)拉桿→安裝有扣縱梁與無扣縱梁→安裝鋼橋面板[5]。

結(jié)合管橋現(xiàn)場的地形、道路狀況，貝雷鋼橋的安裝采用懸臂推出法，即在鋼橋的推出側(cè)先行規(guī)劃出堆放鋼橋部件、工具等的位置，使鋼橋構(gòu)件的堆放有利于裝配式人工搬運距離最短。在管橋兩側(cè)，先安置好搖滾和平滾，鋼橋的大部分構(gòu)件在推出側(cè)的滾軸上拼好，然后由人力或機(jī)械牽引，將橋梁平穩(wěn)而緩慢地推出，直達(dá)管橋的接收側(cè)橋臺。在鋼橋未到達(dá)接收側(cè)橋臺的搖滾之前，在整個懸臂推出過程中，應(yīng)保持橋梁平衡，始終將橋梁的重心落在推出側(cè)搖滾的后面。為使鋼橋順利到達(dá)對側(cè)，避免在推出過程中因前部懸空發(fā)生傾倒的危險，需在正橋前面拼裝幾節(jié)鼻梁(鼻梁只裝桁架、橫梁與抗風(fēng)拉桿等部件，不裝縱梁與橋面板)。

6 結(jié) 語

涼山州大橋水庫引水工程管橋上部結(jié)構(gòu)經(jīng)設(shè)計變更后由原設(shè)計的預(yù)制T梁調(diào)整為貝雷鋼橋。變更后，管橋由原設(shè)計方案中的單一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變成了鋼-混凝土結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)，即管橋下部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部為鋼結(jié)構(gòu)。

鋼、混凝土組合結(jié)構(gòu)的涼山州大橋水庫引水工程管橋有效地克服了混凝土梁抗拉強(qiáng)度小、有橫向約束時抗壓強(qiáng)度增大等弱點；貝雷鋼橋采用廠家集中生產(chǎn)、運輸至施工現(xiàn)場后采用銷子連接拼裝的方式，有效克服了鋼材容易壓縮屈曲、現(xiàn)場焊接接頭容易生銹等弱點。變更后的管橋其功能滿足設(shè)計要求，降低了施工難度，加快了管橋施工進(jìn)度，確保了管橋施工期安全受控，所取得的經(jīng)驗值得在類似工程中推廣運用。