單跨雙層貝雷梁支架在高墩橋梁現(xiàn)澆施工中的應(yīng)用

張 振 （合肥信睦工程建設(shè)有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

在橋梁建設(shè)過程中，支架現(xiàn)澆法是一種常用的施工方法，主要分為滿堂支架和貝雷梁鋼管柱梁式支架，后者常用于地基承載力較差、山區(qū)、高墩梁、上跨道路等施工條件復(fù)雜的工況下，甚至特殊情況下采用雙層貝雷梁作為橋梁現(xiàn)澆施工支架[1]。隨著有限元法的推廣和應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析以及貝雷梁鋼管支架現(xiàn)澆施工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

本文就是利用Midas Civil軟件對(duì)貝雷梁鋼管支架進(jìn)行受力分析，從而確保雙層貝雷梁鋼管支架結(jié)構(gòu)的可靠性[2]。

2 工程概況

新建銀西鐵路蒿店村大橋總長(zhǎng)400.88m，采用（48+2×80+48）m 連續(xù)梁+4-32m 簡(jiǎn)支梁。簡(jiǎn)支梁截面類型為單箱單室等高度簡(jiǎn)支箱梁，梁長(zhǎng)32.6m，橋梁寬12.6m，采用現(xiàn)澆施工。

橋址位于西北黃土地區(qū)深谷之中，地形陡峭，橋址處地面高程在960～1020m，相對(duì)高差約為60m。若采用傳統(tǒng)單層貝雷梁+中支墩支架體系，大橋4#墩～5#墩之間現(xiàn)澆支架中支墩高達(dá)40m，施工費(fèi)用高、安全風(fēng)險(xiǎn)大。通過技術(shù)方案創(chuàng)新及力學(xué)分析，研究采用一種單跨雙層加強(qiáng)型貝雷梁支撐體系。該支撐體系一孔跨越橋墩之間，避免了陡峭地形環(huán)境下中支墩施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，確保大橋施工安全。

3 支架總體布置

蒿店村大橋主橋4#～7#墩之間簡(jiǎn)支梁采用單跨雙層加強(qiáng)型貝雷梁支架現(xiàn)澆施工，鋼管立柱設(shè)置在橋墩承臺(tái)上，跨中不設(shè)中支墩，如圖1 所示。貝雷梁采用加強(qiáng)型弦桿，貝雷梁與鋼管立柱一起構(gòu)成32m簡(jiǎn)支梁施工的承重系統(tǒng)。

圖1 貝雷梁支架總體布置圖

圖2 剪刀撐立面布置圖（單位：cm）

圖3 剪刀撐平面布置圖（單位：cm）

4 支架設(shè)計(jì)及施工

貝雷梁鋼管支架立柱均采用φ600×8mm 螺旋鋼管，每排設(shè)置5 根，間距2.3m，立柱之間設(shè)置[20a 剪刀撐，剪刀撐豎向設(shè)置間距為3.0m，鋼管立柱與橋墩之間設(shè)置[20a 型鋼連墩件，豎向每隔5m設(shè)置一道。

立柱頂部設(shè)置50cm 高砂筒用來調(diào)整標(biāo)高和落梁，砂筒上部為雙拼2I45b工字鋼橫向分配梁，分配梁上部設(shè)雙層加強(qiáng)型貝雷梁，貝雷片橫向布置為2×0.90m+6×0.45m+3×0.90m+6×0.45m+2×0.90m，共20 片。貝雷梁上部設(shè)置I16 工字鋼分配梁，如圖4 所示，箱梁底板及翼緣板下設(shè)置定型鋼模，本文不涉及定型鋼模的相關(guān)受力分析。

圖4 貝雷梁斷面布置圖（單位：cm）

圖5 貝雷梁強(qiáng)度驗(yàn)算（單位：MPa）

圖6 剛度驗(yàn)算（單位：mm）

圖7 柱頂橫梁組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

圖8 柱頂橫梁剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

充分利用承臺(tái)作為鋼管立柱基礎(chǔ)，承臺(tái)預(yù)埋20mm 厚鋼板及φ20mm 地腳螺栓，立柱與基礎(chǔ)采用法蘭連接。

5 有限元分析

5.1 荷載選取

貝雷梁最大計(jì)算跨徑為32m，貝雷梁橫橋向平均間距腹板下為45cm，底板和翼緣下為90cm，以此計(jì)算每片貝雷梁荷載。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，需要考慮的計(jì)算荷載包括如下。①混凝土自重：按26kN/m3計(jì)算。②模板及支架結(jié)構(gòu)自重：支架結(jié)構(gòu)自重軟件自動(dòng)生成，箱梁定型鋼模自重3.0kN/m2。③施工機(jī)具及人行荷載：計(jì)算支撐模板的縱橫梁時(shí)，取1.5kN/m2；計(jì)算支架立柱及其他結(jié)構(gòu)時(shí)取1.0kN/m2。④振搗荷載：豎向荷載2.0kN/m2。⑤澆筑沖擊荷載：2.0kPa。

采用承載能力極限狀態(tài)法計(jì)算，荷載組合系數(shù)的恒載取1.2、活載取1.4。

5.2 建立模型

根據(jù)支架設(shè)計(jì)方案、材料特性及荷載取值，利用Midas Civil 有限元分析軟件建立鋼管貝雷梁支架模型。各構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧?，貝雷片材料選用16Mn，貝雷梁支撐架、鋼管立柱、柱頂橫梁材料選用Q235b。貝雷梁與柱頂橫梁支點(diǎn)采用彈性連接，柱頂橫梁與鋼管柱頂采用剛性連接。貝雷梁之間通過銷軸連接，因此，需要釋放梁端約束，選用鉸接。貝雷梁支座處增加設(shè)置2[10 雙拼槽鋼作為加強(qiáng)豎桿。荷載加載于I16 橫向分配梁上，采用單元荷載[3]。

5.3 計(jì)算結(jié)果

5.3.1 貝雷梁受力分析

貝雷梁計(jì)算結(jié)果詳見表1。計(jì)算結(jié)果表明，與設(shè)計(jì)值相比較，貝雷梁各構(gòu)件最大彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力及剛度均滿足規(guī)范要求。

表1 貝雷梁計(jì)算結(jié)果匯總表（單位：MPa）

雙層貝雷梁最大組合應(yīng)力位于腹板下跨中下弦桿，最大剪應(yīng)力位于支座弦桿?？紤]實(shí)際施工中可能存在材料、安裝等因素，施工中應(yīng)確保兩層貝雷梁之間有效連接，保證整體穩(wěn)定性；貝雷梁端部支座處設(shè)置2[10 雙拼槽鋼加強(qiáng)豎桿并確保與弦桿焊接牢固，提高抗剪能力；貝雷梁底用支撐架進(jìn)行水平方向連接，增強(qiáng)貝雷梁整體穩(wěn)定性。

5.3.2 柱頂橫梁受力分析

最大組合應(yīng)力153MPa＜[f]=215MPa，最大剪應(yīng)力86MPa＜[fv]=125MPa，滿足規(guī)范要求。柱頂橫梁最大組合應(yīng)力位于柱頂橫梁懸挑段根部，最大剪應(yīng)力位于柱頂橫梁腹板作用位置。

實(shí)際施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制柱頂橫梁懸挑段長(zhǎng)度，如需增加挑段長(zhǎng)度，應(yīng)在鋼管柱頂和橫梁端部設(shè)置斜撐。

5.3.3 鋼管立柱受力分析

鋼管立柱最大組合應(yīng)力125MPa，滿足規(guī)范要求，最大組合應(yīng)力位于腹板對(duì)應(yīng)樁的頂端，如圖9所示。

圖9 鋼管柱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

5.3.4 支架立柱穩(wěn)定性分析

鋼管截面積A=14879mm2，慣性距I=6.512×108mm4，根據(jù)模型計(jì)算鋼管最大軸力F=1756kN，最大彎矩Mx=57kN·m，如圖10所示。

圖10 鋼管柱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖11 一階屈曲模態(tài)

圖12 剪刀撐大樣圖（單位：mm）

計(jì)算時(shí)鋼管底部采用固定約束，施工最下層剪刀撐距離承臺(tái)頂不大于5.0m，因此長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算長(zhǎng)度取5.0m。鋼管的回轉(zhuǎn)半徑i=209mm，則長(zhǎng)細(xì)比λx=2L/i=2×5000/209=47.8，按b類截面查表得穩(wěn)定性系數(shù)φx=0.866，βmx=1.0。

單肢立柱穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求[4]。

5.3.5 整體穩(wěn)定性分析

采用彈性屈曲分析方法驗(yàn)算鋼管立柱整體穩(wěn)定性。

計(jì)算荷載：支架自重+混凝土澆筑荷載+施工機(jī)具及人群荷載+混凝土澆筑振搗荷載+混凝土澆筑沖擊荷載，設(shè)活載系數(shù)為k、程序計(jì)算整體屈曲系數(shù)為λ[5]。

則屈曲荷載=λ[支架自重+k×（混凝土澆筑荷載+施工機(jī)具及人群荷載+混凝土澆筑振搗荷載+混凝土澆筑沖擊荷載）]。

鋼管立柱整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，通過試算k，直到λ=1 時(shí)，k 值即為活載屈曲系數(shù)。

當(dāng)k=9，計(jì)算得到λ=1。

根據(jù)有限元屈曲分析結(jié)果，當(dāng)k=9＞2，鋼管立柱整體穩(wěn)定性滿足要求。

5.3.6 剪刀撐節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

剪刀撐與鋼管立柱連接可采用滿焊連接或高強(qiáng)螺栓連接，若采用角焊縫滿焊連接，則焊腳尺寸不小于6mm。

剪刀撐節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接，選用M20 高強(qiáng)螺栓，節(jié)點(diǎn)板厚16mm，節(jié)點(diǎn)板與鋼管焊接，焊高8mm。

根據(jù)20m 及40m 高度支架有限元模型剪刀撐計(jì)算結(jié)果，剪刀撐斜桿最大壓力設(shè)計(jì)值為106kN，水平桿最大拉力設(shè)計(jì)值為57kN。

單個(gè)螺栓受剪承載力Nb v=0.9knfμP=0.9×1×1×0.3×125=33.75kN；

水平桿與斜桿均采用6 個(gè)螺栓與節(jié)點(diǎn)板連接，6 個(gè)螺栓受剪承載力N=6×33.75=202.5kN＞106kN；

螺栓承載力滿足要求。

焊縫計(jì)算：

節(jié)點(diǎn)板N1 與鋼管雙面焊接，焊高8mm，節(jié)點(diǎn)板長(zhǎng)620mm，寬340mm。

節(jié)點(diǎn)板N1 與鋼管焊接承載力滿足要求。

6 結(jié)語

通過對(duì)銀西鐵路蒿店村大橋現(xiàn)澆支架進(jìn)行受力分析，單跨雙層貝雷梁支架可以滿足32m 簡(jiǎn)支梁現(xiàn)澆施工。尤其在地基承載力不高、山區(qū)或施工條件復(fù)雜的地區(qū)、高墩梁、大跨度梁等工況下，可優(yōu)先選用貝雷梁鋼管柱支架方法施工。

單跨雙層貝雷梁鋼管柱支架方法的優(yōu)點(diǎn)為受地形地貌等影響較小，適用性廣；充分利用既有橋墩承臺(tái)作為兩端鋼管柱支承，基礎(chǔ)牢固；跨中不設(shè)支承鋼管柱，減少了鋼管柱數(shù)量及地基處理費(fèi)用，保證工期的同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

采用有限元軟件對(duì)蒿店村大橋現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)與分析。經(jīng)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施照片

雙層貝雷梁支架跨中理論計(jì)算最大豎向彈性變形為63mm，根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)提供的預(yù)壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，貝雷梁跨中最大豎向彈性變形為54mm（不含非彈性變形），跨中最小豎向彈性變形為43mm，結(jié)構(gòu)彈性變形與理論計(jì)算符合。表明單跨雙層貝雷梁支架體系應(yīng)用在深谷溝壑地區(qū)高墩橋梁現(xiàn)澆施工中是可行的，特別是在地形起伏大、地基基礎(chǔ)困難地區(qū)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和可行性。