貝雷桁架與鋼立柱在橋梁施工中的組合應(yīng)用

張曉振

(中交一公局集團(tuán)海外分公司，北京 100024)

近幾年，隨著國內(nèi)鐵路、公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，采用滿堂支架施工設(shè)計的橋梁也越來越多，但滿堂支架占地空間大，材料用量多，不適用于高墩橋梁施工[1-4]。本文結(jié)合亞環(huán)三期大橋工程實例，采用貝雷桁架和鋼立柱組合的支架形式，施工簡便、安全可靠[5-6]，有效克服通行空間和雨季行洪的問題[7-8]。

1 工程概況

亞環(huán)三期大橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，跨徑組合為(35+6×40+35) m，箱梁為分離式單箱結(jié)構(gòu)，左右幅橋面寬度均為10.27 m，箱梁為等高度2.25 m。箱梁底寬為4.4 m，翼板寬度為2.20～2.27 m，底板厚度24～50 cm，頂板厚度24 cm。在墩頂設(shè)置橫隔梁，且距墩頂7.25 m處設(shè)置施接縫橫梁。箱梁采取搭設(shè)落地支架逐跨推進(jìn)施工方式，各跨箱梁施工縫在距墩中軸線7.25 m處設(shè)置，各跨采取預(yù)應(yīng)力連接器形成整體。

2 支架方案

該橋P2、P3、P4、P5四根墩柱高度均超過12 m，考慮到經(jīng)濟、安全、拆除等方面，在這三跨采用碗口支架與貝雷桁架相結(jié)合的支架形式，具體方式為采用鋼管貝雷支架，貝雷桁架支架與箱梁底部預(yù)留2.5～3.5 m空間用以搭設(shè)碗扣支架；其余部分采用滿堂碗口支架。

貝雷桁架支架采取鋼管樁立柱與貝雷桁架縱梁作為承擔(dān)箱梁荷載主要構(gòu)件，一孔箱梁支架按兩跨連續(xù)梁體系設(shè)計，支架跨度為17.5 m；箱梁豎向荷載由三排鋼管樁(規(guī)格為φ=100cm、δ=8mm)立柱承擔(dān)，墩邊的鋼管樁立柱直接依托承臺面，在每一孔箱梁中間設(shè)置一個臨時中支墩(中支墩基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土擴大基礎(chǔ)，尺寸為9.6 m(長)×3 m(寬)×0.5 m(高)，在擴大基礎(chǔ)底層鋪設(shè)二層縱橫均為φ12@20 cm的鋼筋網(wǎng)片，間距為20 cm)；鋼管樁橫橋向布置3根/排，鋼立柱底與承臺預(yù)埋的鋼筋固結(jié)；貝雷桁架采用中國標(biāo)準(zhǔn)321軍用桁架梁搭設(shè)，箱梁橫斷面鋪設(shè)14排桁架縱梁；鋼管樁頂部橫梁采用I36～56工字鋼拼接而成。貝雷桁架支架搭設(shè)先架立鋼管樁立柱，鋼管樁立柱自由長度≤15 m；靠墩柱鋼管樁每隔6 m與墩柱連接一道[10聯(lián)系桿；中支墩為單排鋼管樁立柱，同樣采取隔6 m將三根立柱連接成整體，鋼管樁立柱頂、底部均需要澆筑60 cm高度鋼筋混凝土；鋼管樁橫梁采用邊墩3I36a、中支墩為4 I56a，橫梁長度為12 m，橫梁頂部墊塊16×1 cm鋼板；貝雷縱梁整體長度為36 m，采取兩排為一組，中間每隔3 m用支撐架連接一道，平面布置好后沿橫橋向斷面采用[10槽鋼將14排桁架再度連接成整體。圖1為第4跨箱梁支架立面圖。

圖1 箱梁支架立面(單位:m)

3 支架計算

本文主要分析貝雷桁架和鋼管樁立柱的力學(xué)性能，碗口滿堂支架部分比較簡單，在此不做闡述。

3.1 貝雷桁架縱梁

321標(biāo)準(zhǔn)軍用貝雷桁架自重G=270kg/片，沿箱梁橫橋向總共分布14排桁架。箱梁模板系統(tǒng)重量g1=19.28kN/m。施工荷載g2=2kN/m2，振搗混凝土產(chǎn)生的荷載荷載g3=2kN/m2，對荷載g2、g3橫橋向按1 m考慮。碗扣支架立桿平均按3 m長度計算自身重量，則g4=1.29kN/m。貝雷桁架自重g5=12.6kN/m，箱梁混凝土荷載g6=167.71kN/m(圖2)?？偤奢dq總=g1+(g2+g3)×1+g4+g5+g6=204.88kN/m。

圖2 貝雷桁架混凝土荷載計算簡圖(單位:mm)

根據(jù)箱梁支架整體立面布置情況，貝雷桁架縱梁為17.5 m×2兩跨連續(xù)梁驗算承載力。由于箱梁橫橋向荷載分布不均，計算桁架受力時予以分段驗算，取荷載最大部位作為控制依據(jù)，由圖3可知③～⑥號貝雷桁架受力最大，4排合計分擔(dān)荷載所占箱梁整體荷載比例為：β=2.03÷5.76=0.352。

圖3 箱梁橫斷面荷載拆分計算簡圖

由于ABC跨屬于超靜定結(jié)構(gòu)，根據(jù)變形量互等原理可得5qL4/384EI=PbL3/48EI，解出Pb=0.625qL。由q=β×q總=72.12kN/m和L=35m得出各支點反力：Fb=Pb=1577.63kN，F(xiàn)a=Fc=473.29kN。跨中最大彎矩M1=1546.07kN·m；支點最大負(fù)彎矩Mmax=2760.84kN·m；容許彎矩[M]=3152kN·m≥Mmax，彎矩富余系數(shù)μ=[M]/Mmax=1.14。最大剪力Qmax=Pb/2=788.82kN，容許剪力[Q]=980.8kN≥Qmax。

根據(jù)兩跨均布荷載連續(xù)梁跨中最大撓度計算公式：fmax=0.521qL4/100EI=16.7mm；而允許撓度[σ]=L/400=44.7mm。貝雷桁架縱梁強度、剛度滿足要求。

3.2 工字鋼橫梁

箱梁貝雷桁架邊支墩采用3I36a工字鋼橫梁；中支墩采用4I56a工字鋼橫梁。根據(jù)荷載承受最大部位，驗算中支墩貝雷桁架橫梁構(gòu)件。為使得計算過程簡化，用P1替代p1+p2、P2替代p3+p4、P3替代p5+p6、P4替代2p7，如圖4所示，由于2P1+2P2+2P3+P4=0.625q總L=4481.75kN，計算由貝雷縱梁傳遞的荷載得：P1=326.79kN、P2=P3=789.75kN、P4=669.15kN。

圖4 工字鋼橫梁受力計算簡圖

工字鋼橫梁屬于超靜定結(jié)構(gòu)，根據(jù)變形量互等原理可得：∑P×a(3L2-4a2)÷24EI-P1×a1L2÷8EI=(Fb-P4)L3/48EI。解得鋼管樁中間支點反力Fb=1208.07kN，邊支點反力Fa=Fc=1636.84kN。支點最大負(fù)彎矩Mmax=P1×a1=588.22kN·m；彎曲應(yīng)力σ=M/4W=62.8N/mm2≤[σ]=145MPa；最大剪力Qmax=Fa-P1-P2/2=915.18kN；剪應(yīng)力τ=QS/4Itw=38.37N/mm2≤〔τ〕=85MPa。工字鋼橫梁強度滿足要求。為預(yù)防工字鋼橫梁局部壓應(yīng)力導(dǎo)致失穩(wěn)，需要在相應(yīng)的貝雷縱梁與鋼管樁支點處加設(shè)加勁鋼板。

3.3 鋼管樁立柱

鋼管樁立柱承擔(dān)自工字鋼橫梁傳遞荷載，由工字鋼橫梁計算結(jié)果可知，在貝雷桁架17.5 m×2連續(xù)梁中支墩部位荷載最大，則直接取該處鋼管樁進(jìn)行驗算承載力。

鋼管樁外直徑φ=100cm，管壁厚度δ=8mm，鋼管樁自重按20 m長度取值，則g1=20×195.7/100=39.2kN；加上橫梁傳下來的力，鋼管樁承擔(dān)最大豎向荷載Nmax=1636.84+39.2=1676.04kN。長細(xì)比λ=L/r=1500÷35.1=42.7，查出彎曲系數(shù)ψ=0.935，軸向容許壓應(yīng)力[σ]=140MPa，得出[N]=ψ×[σ]×A=3263.6kN>N=1676.04kN，強度滿足要求。

為確保鋼管樁上下支點受力均勻，在頂?shù)撞糠謩e澆筑60 cm高度處C20鋼筋混凝土協(xié)助局部荷載均勻擴散，同時基礎(chǔ)底部需要與臨時基礎(chǔ)或承臺面進(jìn)行有效固結(jié)以限制活動。

3.4 臨時中支墩基礎(chǔ)

連續(xù)梁中支墩基礎(chǔ)尺寸為9 m×2.8 m×0.5 m，中支墩基礎(chǔ)采用C20鋼筋混凝土澆筑，頂、底板分別分布一層φ12@200 cm鋼筋網(wǎng)片。臨時中支墩基礎(chǔ)承擔(dān)自鋼管樁立柱傳遞荷載，貝雷桁架17.5 m×2 m連續(xù)梁中支墩部位豎向荷載F1=N=1636.84×2+1208.07+39.2×3=4699.35kN

4 支架施工監(jiān)測

在澆筑箱梁混凝土的過程中，箱梁支架進(jìn)行全程監(jiān)控，主要觀測貝雷桁架縱梁繞度變化及中支墩地基沉降情況。一跨支架設(shè)置5個觀測面，每個觀測面設(shè)置7個觀測點，前后觀測面14片縱梁隔片錯開設(shè)置，縱橋向觀測面布設(shè)如圖5所示。觀測方法是從混凝土開始澆筑起每隔2 h觀測一次，直至混凝土澆筑結(jié)束。箱梁混凝土澆筑前先在桁架縱梁標(biāo)記出觀測點位置，并用7#鐵絲懸掛好吊筋，鋼筋底部距離地面約20 cm；觀測鐵絲保持豎向垂線狀態(tài)，并且不得卷曲或打結(jié)；在線垂相應(yīng)地面預(yù)埋好鋼筋頭，與觀測吊筋底部錯開20 cm，做好地面鋼筋頭防碰措施；預(yù)先用水平儀觀測好地面的鋼筋頭標(biāo)高，標(biāo)出吊筋與地面預(yù)埋鋼筋相對位置記號；箱梁混凝土澆筑過程直接觀測吊筋與地面預(yù)埋鋼筋記號相對錯開尺寸即為支架下沉數(shù)據(jù)。在整個施工過程中，支架下沉最大為10.3 cm，小于理論計算值，表明支架體系安全性滿足要求。

圖5 貝雷桁架支架沉降觀測示意(單位：m)

5 施工注意事項

貝雷桁架支撐架螺栓連接牢固，每組貝雷桁架均要用槽鋼縱橋向每道間隔3 m上、下各連接一道，假如采用與支撐架焊接方式則每個接觸點焊接長度不小于2 cm，貝雷桁架上方每個臺階橫橋向分配方鋼與貝雷桁架最少連接一道，其中方鋼與貝雷桁架連接鐵絲采用8字形綁扎不少于7處，同時桁架上的碗扣支架每個臺階同樣需要采用桿件連接成整體。鋼管樁立柱與工字鋼橫梁接觸面注意保持充分，架設(shè)工字鋼時采用鋼管樁頂部座漿方式。工字鋼橫梁與貝雷桁架縱梁接觸面不能懸空，否則需要采用相應(yīng)厚度的鐵板填充。貝雷連續(xù)梁支架按0.5～2 cm設(shè)置預(yù)拱，混凝土澆筑前夕，須在支架上設(shè)置沉降觀測點。

6 結(jié)束語

(1)本文結(jié)合亞環(huán)三期大橋工程實例，采用貝雷桁架和鋼立柱組合的支架形式，施工簡便、安全可靠，有效節(jié)省了施工時間和成本。

(2)對貝雷桁架縱梁、橫梁、鋼管樁立柱和基礎(chǔ)進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)分析，各部分強度和剛度均滿足要求；對支架進(jìn)行施工監(jiān)控，貝雷桁架撓度實測值小于理論值。

(3)貝雷桁架和鋼立柱組合形式的支架在安裝中應(yīng)保證各部分連接牢固可靠。