陳云輝，蒙立和

(廣西路橋工程集團(tuán)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(jì)模塊化探討

陳云輝，蒙立和

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司路面分公司，廣西南寧530011)

文章從橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)，結(jié)合手算和電算的計(jì)算方法，提出更加合理、便捷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和方法，對(duì)類似橋梁施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)；計(jì)算方法；模塊化

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，交通建設(shè)猛速發(fā)展，其對(duì)在施工過(guò)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(shí)結(jié)構(gòu)作為施工過(guò)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(jì)。由于臨時(shí)結(jié)構(gòu)的倒塌、傾覆釀成的安全事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)于設(shè)計(jì)者，如何針對(duì)臨時(shí)結(jié)構(gòu)的使用功能和使用特點(diǎn)的特殊性，提出更加合理的設(shè)計(jì)，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(shì)，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(jì)對(duì)項(xiàng)目的施工成本至關(guān)重要，自上而下設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)化的工藝、材料、可周轉(zhuǎn)使用是確保經(jīng)濟(jì)性的重要手段。本文主要從橋梁臨時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，從快速的計(jì)算方法、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化等方面對(duì)鋼管樁貝雷梁組合支架設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

1　常見(jiàn)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(huì)采用現(xiàn)澆施工工法。

通過(guò)調(diào)研分析，橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)單位針對(duì)城市橋梁、鐵路橋梁、公路橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不盡一致，采取的橋梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也會(huì)有區(qū)別。對(duì)于公路高架橋、立交橋、匝道橋等一般設(shè)計(jì)為25～60 m跨徑的現(xiàn)澆箱型截面，混凝土經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(jì)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

2　鋼管樁貝雷梁組合支架設(shè)計(jì)

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(jì)

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(qiáng)，鋼管樁之間通過(guò)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(zhǎng)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(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)原則

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

(1)施工設(shè)計(jì)荷載取值準(zhǔn)確；

(2)充分考慮施工過(guò)程工況組合；

(3)工況分析計(jì)算準(zhǔn)確。

3　支架體系計(jì)算方法模塊化

通過(guò)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(shí)際不符造成的，且手算中的撓度計(jì)算是借用梁?jiǎn)卧獡隙扔?jì)算公式進(jìn)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(jì)算出的撓度也會(huì)大于手算的撓度。以下主要從手算對(duì)貝雷支架進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后通過(guò)電算進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)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(jì)算有限元軟件。

3.1貝雷梁承載能力快速分析計(jì)算

貝雷梁的受力主要由承受的彎矩和剪力組成，對(duì)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(duì)應(yīng)位置。

采用平面理論，假設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算比較，采用Excel表格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(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(xiàn)[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(jì)算出的數(shù)量，貝雷片數(shù)量2為根據(jù)容許剪力計(jì)算出的數(shù)量；(3)選取貝雷片數(shù)量：在計(jì)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(diǎn)：

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

(2)此表格可以快速計(jì)算貝雷梁的所需數(shù)量；

(3)通過(guò)Excel表格，可以進(jìn)一步詳細(xì)計(jì)算分析得出腹板、底板與頂板、翼板對(duì)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(jìn)行計(jì)算，腹板作用位置下，一般取貝雷梁2～4片。

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

由于貝雷梁上弦荷載通過(guò)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(shí)際中，貝雷梁此段下弦桿為實(shí)心矩形截面，故模型計(jì)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(jìn)行分析，分別采用的計(jì)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(shí)構(gòu)件的材料強(qiáng)度有1.3的提高系數(shù)的情況下，通過(guò)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(qiáng)型常用6 m、9 m、12 m跨徑的推薦值如下：

(1)當(dāng)計(jì)算荷載為50 kN/m，適合布置6 m跨徑的貝雷梁；

(2)當(dāng)計(jì)算荷載為40 kN/m，適合布置9 m跨徑的貝雷梁；

(3)當(dāng)計(jì)算荷載為30 kN/m，適合布置12 m跨徑的貝雷梁。

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

其他的計(jì)算內(nèi)容與常規(guī)計(jì)算方法一致，在此不再論述。

3.2支架系統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)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(jì)算。

支架系統(tǒng)的穩(wěn)定性驗(yàn)算包括支架整體穩(wěn)定性驗(yàn)算和鋼管穩(wěn)定性驗(yàn)算。其中整體穩(wěn)定性驗(yàn)算利用Midas/civil軟件進(jìn)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(yàn)算，根據(jù)《建筑施工臨時(shí)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(jìn)行，主要用到Midas/Civil與Mathcad Prime 2.0工程計(jì)算軟件進(jìn)行分析。

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

(1)利用Midas/Civil進(jìn)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(jìn)行計(jì)算書(shū)的編寫，如下：

通過(guò)屈曲分析得出臨界荷載Pcr=5 065 kN；

得出計(jì)算長(zhǎng)度為l0=μ·h+1=16.696 m。

計(jì)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(jì)指標(biāo)

支架工程數(shù)量的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，一般為混凝土重量的15%可以控制，通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，可以控制在10%以內(nèi)。

3.4貝雷梁布置要點(diǎn)

(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(dá)到受力均衡的目的；

(2)安裝貝雷梁時(shí)，為避免下弦桿應(yīng)力過(guò)大，貝雷梁和下橫梁接觸點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在貝雷梁腹桿節(jié)點(diǎn)處；

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

4　結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)建筑市場(chǎng)的不斷規(guī)范，對(duì)建筑質(zhì)量安全的不斷重視，對(duì)于施工臨時(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，受建設(shè)項(xiàng)目工期、成本和設(shè)計(jì)時(shí)間等因素的制約，對(duì)其設(shè)計(jì)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(jì)算細(xì)節(jié)不同，把握支架結(jié)構(gòu)選型、強(qiáng)度剛度分析、穩(wěn)定性分析、細(xì)節(jié)計(jì)算分析是保障支架設(shè)計(jì)安全的重要因素，缺一不可。本文通過(guò)分析鋼管樁貝雷梁組合支架體系的受力特點(diǎn)，探討一套簡(jiǎn)單快捷的設(shè)計(jì)方法，能保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全，且不會(huì)浪費(fèi)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(jì)圖成套技術(shù)[J].公路，2009，11(11)：35-39，40.

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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。