鋼管貝雷梁支架施工設(shè)計模塊化探討

陳云輝，蒙立和

(廣西路橋工程集團有限公司路面分公司，廣西　南寧　530011)

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鋼管貝雷梁支架施工設(shè)計模塊化探討

陳云輝，蒙立和

(廣西路橋工程集團有限公司路面分公司，廣西南寧530011)

文章從橋梁臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，基于橋梁上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆施工常用的鋼管貝雷梁組合支架設(shè)計，結(jié)合手算和電算的計算方法，提出更加合理、便捷的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路和方法，對類似橋梁施工臨時結(jié)構(gòu)標準化、模塊化的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)借鑒意義。

橋梁施工；組合支架設(shè)計；計算方法；模塊化

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進步，交通建設(shè)猛速發(fā)展，其對在施工過程中如何確保施工安全和質(zhì)量，提出了更高的要求。施工臨時結(jié)構(gòu)作為施工過程中的重要輔助設(shè)施，大部分情況下由施工企業(yè)自行設(shè)計。由于臨時結(jié)構(gòu)的倒塌、傾覆釀成的安全事故時有發(fā)生，對于設(shè)計者，如何針對臨時結(jié)構(gòu)的使用功能和使用特點的特殊性，提出更加合理的設(shè)計，應(yīng)引起高度重視。

橋梁施工承重支撐架主要包括鋼管滿堂支架和鋼管貝雷梁支架。與鋼管滿堂支架相比較，鋼管貝雷梁支架具有承載能力較高、跨越能力較大等顯著優(yōu)勢，特別適用于不良地質(zhì)地段、施工高度>18 m的現(xiàn)澆橋梁施工。支架的優(yōu)化設(shè)計對項目的施工成本至關(guān)重要，自上而下設(shè)計，采用標準化的工藝、材料、可周轉(zhuǎn)使用是確保經(jīng)濟性的重要手段。本文主要從橋梁臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，從快速的計算方法、標準化、模塊化等方面對鋼管樁貝雷梁組合支架設(shè)計進行論述。

1　常見的現(xiàn)澆橋梁概況

在橋梁上部結(jié)構(gòu)施工中，如高架橋、立交橋、匝道橋、斜拉橋等大橋邊跨現(xiàn)澆及主塔現(xiàn)澆等，常常會采用現(xiàn)澆施工工法。

通過調(diào)研分析，橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計一般為箱型截面，按照梁高分為等高的箱梁和不等高箱梁；不同的設(shè)計單位針對城市橋梁、鐵路橋梁、公路橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計不盡一致，采取的橋梁經(jīng)濟指標也會有區(qū)別。對于公路高架橋、立交橋、匝道橋等一般設(shè)計為25～60 m跨徑的現(xiàn)澆箱型截面，混凝土經(jīng)濟指標在0.57～0.65 m3/m2之間，公路橋配筋率為150～220 kg/m3，箱梁梁高一般≤3 m；縱向荷載一般≤50 t/m，如表1所示。

表1　公路橋梁設(shè)計主要經(jīng)濟指標表

2　鋼管樁貝雷梁組合支架設(shè)計

2.1鋼管樁貝雷梁組合支架的構(gòu)成

從下到上主要包括基礎(chǔ)、鋼管系統(tǒng)、貝雷梁系統(tǒng)。

(1)基礎(chǔ)設(shè)計

常采用條形基礎(chǔ)，不良地質(zhì)地段則采用直接插打鋼管樁或其他樁基礎(chǔ)形式。

(2)鋼管系統(tǒng)

選用直徑(529×10)mm以上的鋼管，能適應(yīng)較多形式的承載能力要求，通用性較強，鋼管樁之間通過型鋼或者鋼管連接組合成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，樁頂布置型鋼橫梁。

(3)貝雷梁系統(tǒng)

321貝雷梁作為上部主要承載結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)受力情況順橋向或者橫橋向布置，貝雷梁上方布置分配梁或者鋼管滿堂支架，從而滿足橋梁線形調(diào)節(jié)的需要。

某橋布置為(30+50+30)m，單幅箱梁為2.8 m高單箱雙室截面，箱梁頂板寬度為19 m，底板寬度為14 m，兩側(cè)翼板懸臂長2.5 m。需要跨越省道和攔河壩，采用鋼管貝雷梁組合支架對上部結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)澆施工，布置情況如圖1～2所示。

圖1　支架斷面布置圖

2.2主要的設(shè)計原則

梁柱式鋼管貝雷桁架支架結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要考慮以下幾個方面：

(1)施工設(shè)計荷載取值準確；

(2)充分考慮施工過程工況組合；

(3)工況分析計算準確。

3　支架體系計算方法模塊化

通過調(diào)研得出，貝雷支架手算和電算結(jié)果存在一定的差異，主要原因是約束條件與實際不符造成的，且手算中的撓度計算是借用梁單元撓度計算公式進行的，未能充分考慮位移與彎矩、剪力、軸力的關(guān)系，所以電算計算出的撓度也會大于手算的撓度。以下主要從手算對貝雷支架進行初步設(shè)計，然后通過電算進行詳細驗算，最后得出常用貝雷梁布置跨徑的荷載取值。主要采用的軟件有Excel電子表格、Mathcad Prime 2.0、Midas/Civil結(jié)構(gòu)計算有限元軟件。

3.1貝雷梁承載能力快速分析計算

貝雷梁的受力主要由承受的彎矩和剪力組成，對于箱梁截面，主要關(guān)注底板范圍內(nèi)的貝雷梁布置，尤其是箱梁的最重區(qū)域，一般情況是腹板對應(yīng)位置。

采用平面理論，假設(shè)計算縱向荷載按照50 t/m，分別選取跨徑為6 m、9 m、12 m、15 m、18 m進行計算比較，采用Excel表格進行統(tǒng)計(如表2所示)。

表2　不同跨徑貝雷梁承載能力分析表

注：(1)貝雷梁的容許彎矩、容許剪力采用文獻[5]的推薦值，且貝雷架容許彎矩考慮折減系數(shù)；(2)貝雷片數(shù)量1為根據(jù)容許彎矩計算出的數(shù)量，貝雷片數(shù)量2為根據(jù)容許剪力計算出的數(shù)量；(3)選取貝雷片數(shù)量：在計算需要片數(shù)的基礎(chǔ)上，再考慮一定施工操作寬度的需要

從表中可以看出以下幾點：

(1)當貝雷梁跨徑在12 m以下時，計算選取貝雷梁數(shù)量按照剪力進行控制，當>12 m布置時，受彎矩進行控制；

(2)此表格可以快速計算貝雷梁的所需數(shù)量；

(3)通過Excel表格，可以進一步詳細計算分析得出腹板、底板與頂板、翼板對應(yīng)區(qū)域所需要的貝雷片數(shù)量。一般情況下，腹板荷載與底板+頂板荷載之和相近，按照10 t/m進行計算，腹板作用位置下，一般取貝雷梁2～4片。

目前計算多采用手算和有限元軟件電算的方式，而采用兩種計算方式得出的結(jié)果有一定差異。其中有限元軟件計算經(jīng)常會出現(xiàn)剪應(yīng)力偏大的現(xiàn)象，為了安全起見，需要增加貝雷片材料數(shù)量，造成一定的浪費。如何更好地將計算結(jié)果與現(xiàn)場實際情況結(jié)合，一直以來都是施工設(shè)計技術(shù)人員的一塊心病。

由于貝雷梁上弦荷載通過豎桿傳遞到下弦桿，故在支撐處兩豎桿之間的下弦桿處出現(xiàn)了較大剪應(yīng)力。在此模型中此處弦桿為雙10#槽鋼截面，而實際中，貝雷梁此段下弦桿為實心矩形截面，故模型計算結(jié)果偏于不利。

按照常用的6 m、9 m、12 m等布置跨徑進行分析，分別采用的計算荷載為50 kN/m、40 kN/m、30 kN/m，電算結(jié)果如圖3～5所示。

圖3　6 m跨徑貝雷梁應(yīng)力云圖

圖4　9 m跨徑貝雷梁應(yīng)力云圖

圖5　12 m跨徑貝雷梁應(yīng)力云圖

在不考慮臨時構(gòu)件的材料強度有1.3的提高系數(shù)的情況下，通過Excel表格手算和Midas/Civil軟件電算比較，得出單排321貝雷梁不加強型常用6 m、9 m、12 m跨徑的推薦值如下：

(1)當計算荷載為50 kN/m，適合布置6 m跨徑的貝雷梁；

(2)當計算荷載為40 kN/m，適合布置9 m跨徑的貝雷梁；

(3)當計算荷載為30 kN/m，適合布置12 m跨徑的貝雷梁。

通過以上結(jié)論，可以快速進行貝雷支架進行布置，包括跨徑和數(shù)量的要求，然后通過Midas/Civil軟件進行整體建模分析計算。

其他的計算內(nèi)容與常規(guī)計算方法一致，在此不再論述。

3.2支架系統(tǒng)的穩(wěn)定性計算

一般情況下貝雷支架<12 m的跨度，側(cè)向整體失穩(wěn)的安全系數(shù)是夠的，這里主要介紹支架系統(tǒng)的穩(wěn)定性計算。

支架系統(tǒng)的穩(wěn)定性驗算包括支架整體穩(wěn)定性驗算和鋼管穩(wěn)定性驗算。其中整體穩(wěn)定性驗算利用Midas/civil軟件進行屈曲分析，一階屈曲分析的臨界荷載系數(shù)為>4，即判斷支架整體穩(wěn)定性滿足要求。

本文主要介紹鋼管支架穩(wěn)定性驗算，根據(jù)《建筑施工臨時支撐結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(JGJ300-2013)的相關(guān)要求，采用手算和電算相結(jié)合的方式進行，主要用到Midas/Civil與Mathcad Prime 2.0工程計算軟件進行分析。

例如：對某支架最高為70 m的支架系統(tǒng)進行鋼管穩(wěn)定性分析。主要分以下兩步進行。

(1)利用Midas/Civil進行屈曲分析，參與荷載為每根鋼管承受的1 kN外荷載，如圖6所示。

圖6　支架系統(tǒng)在1 kN外荷載作用下的臨界荷載圖

(2)利用Mathcad Prime 2.0進行計算書的編寫，如下：

通過屈曲分析得出臨界荷載Pcr=5 065 kN；

得出計算長度為l0=μ·h+1=16.696 m。

計算軸向應(yīng)力：

查軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)表得：φ=0.616；

故鋼管墩柱滿足穩(wěn)定性要求。

3.3支架工程數(shù)量經(jīng)濟指標

支架工程數(shù)量的經(jīng)濟指標，一般為混凝土重量的15%可以控制，通過優(yōu)化計算，可以控制在10%以內(nèi)。

3.4貝雷梁布置要點

(1)貝雷梁布置跨徑可設(shè)置為45、90、115，合理選用支撐架，可以達到受力均衡的目的；

(2)安裝貝雷梁時，為避免下弦桿應(yīng)力過大，貝雷梁和下橫梁接觸點應(yīng)設(shè)置在貝雷梁腹桿節(jié)點處；

(3)支點一定要選在有豎桿的位置，如果沒有豎桿，需加雙豎桿，目的就是加強上下弦桿的聯(lián)系，讓支點部位相關(guān)節(jié)點位移盡可能小，這樣不但桁架桿件應(yīng)力會降下來，而且由于支點附近的節(jié)點位移傳導(dǎo)至跨中的量會減少，會降低跨中撓度。

4　結(jié)語

隨著我國建筑市場的不斷規(guī)范，對建筑質(zhì)量安全的不斷重視，對于施工臨時結(jié)構(gòu)的設(shè)計，受建設(shè)項目工期、成本和設(shè)計時間等因素的制約，對其設(shè)計者提出了更高的要求。支架結(jié)構(gòu)形式多樣，每種結(jié)構(gòu)形式需要考慮的計算細節(jié)不同，把握支架結(jié)構(gòu)選型、強度剛度分析、穩(wěn)定性分析、細節(jié)計算分析是保障支架設(shè)計安全的重要因素，缺一不可。本文通過分析鋼管樁貝雷梁組合支架體系的受力特點，探討一套簡單快捷的設(shè)計方法，能保障結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全，且不會浪費大量成本，有一定的指導(dǎo)性。

[1]李軍，蔣新民，余培玉，等.現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁橋通用設(shè)計圖成套技術(shù)[J].公路，2009，11(11)：35-39，40.

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[5]JTG/TF50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[6]孫九春，盧瑛.貝雷架作為橋梁承重支架應(yīng)用時的理論分析與實踐應(yīng)用研究[J].上海公路，2010(1)：26-30.

Discussion on Modular Construction Design of Steel-tube Bailey Beam Brackets

CHEN Yun-hui，MENG Li-he

(Pavement Branch of Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

From the perspective of temporary bridge structure design，based on the steel-tube bailey beam combination-stent design commonly used in the in-situ construction of upper bridge structure，and combining the hand calculation and computerised calculation methods，this article proposed the more reasonable and convenient structure design ideas and methods，which has some guidance reference significance for the standardized and modular application of temporary construction structure in similar bridges.

Bridge construction；Combination stent design；Calculation method；Modular

U442.5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.006

1673-4874(2016)07-0023-04

2016-06-10

陳云輝(1984—)，工程師，主要從事公路橋梁隧道施工管理工作；

蒙立和(1974—)，主要從事路橋施工技術(shù)研究工作。