貝雷架在橋梁快速施工中的應用

翟文靜,張茂華

(1.北京鑫實路橋建設有限公司,北京 102206;2.北京建筑工程學院土木與交通工程學院,北京 100044)

1 工程概況

某跨越四環路立交橋設計采用鋼-混凝土組合體系。為了減少鋼箱梁架設施工對四環主路的影響,需要在四環主路上搭設臨時支架進行鋼箱梁的拼接及隨后的混凝土澆筑工作,支架平面布置如圖 1所示。為了減少施工對四環主路路面的破壞,擬采用貝雷架搭設施工平臺的技術方案。由于貝雷架具有抗彎能力較強,抗剪能力弱的特點,而鋼箱梁吊拼過程中采用砂箱作為臨時支座,在臨時支座處產生的較大集中力故要求貝雷架提供較大的抗剪能力。因此控制貝雷架的抗剪能力是否滿足要求是臨時支架設計中的關鍵問題。通常貝雷架的變形是控制設計的主要因素,為保證施工安全,采用現場試驗測試貝雷架主梁的撓度,驗證變形計算的準確性。同時,為滿足橋梁快速施工的要求,貝雷架設計需綜合考慮合理的架設和拆除問題。

2 貝雷架設計與安全性驗算

2.1 貝雷架設計方案

貝雷架設計方案如圖 2所示。其中主梁由四榀貝雷架組成,長度為 12m,計算跨徑為 9m;支架單柱為 3榀貝雷架組成,高度為 9m。在柱腳設置專用礎板將貝雷架和基礎連接,柱頂放置下頂梁,在其上放置分配梁,主梁設置在分配梁上。

主梁桁架由上、下弦桿、豎桿及斜桿焊接而成,上下弦桿的端部采用陰陽結構,接頭上設有桁架連接銷孔。桁架構件的材料為 16Mn鋼,每片桁架重270 kg。主梁桁架之間靠桁架連接銷傳遞剪力,桁架連接銷材料為 30CrMnSi鋼,直徑為49.5mm,材料屈服應力為 1300MPa,桁架連接銷的容許拉應力和容許彎曲應力為 1105MPa,容許剪應力 585MPa。

2.2 貝雷架的抗剪性能

2.2.1 桁架抗彎能力計算

式中:n為桁架排數;ξ為桁架荷載分配折減系數;

圖1 支架平面布置

單層雙排時 ξ=1.0,三排時 ξ=0.333/0.35=0.95;

[N]為弦桿容許承載力(kN);H為桁架計算高度。

2.2.2 桁架容許抗剪能力計算

式中:k為系數,為 1.43;

ξ為分配折減系數,三排桁架取 0.95,其余取 1.0;

n為桁架排數;

[Nx]為斜桿容許承載力取 171.5 kN。

圖2 支架設計方案

在文獻[2]中,不加強單排單層橋梁容許內力為彎矩788.2 kN·m,剪力為 245.2 kN。本橋鋼箱梁單個支點的設計荷載為 360 kN,最大的彎矩約為 1152 kN·m,最大的剪力為 624 kN。考慮鋼箱梁施工荷載為集中力,而標準桁架設計荷載為均布力,故不能簡單地通過增加桁架片數提高承載能力。故選用 4片桁架,荷載分配折減系數取 0.85進行驗算。分別驗算桁架的豎桿、斜桿和桁架連接銷的抗剪性能,驗算結果見表1。

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通過比較豎桿、斜桿和桁架連接銷的驗算結果可以看出,桁架以豎桿抗剪控制設計。主梁的兩端支點作用位置為斜桿和下弦桿件交匯處,具有較好的抗剪性能,可以按單跨貝雷架梁容許內力值設計。集中荷載作用位置不是作用在斜桿和弦桿交匯處,由于考慮荷載橫向折減后,4片貝雷架的豎桿的容許承載力大于設計剪力,故集中荷載作用在豎桿處不需要其他加強措施。集中荷載作用在單個弦桿上時,在4片貝雷架上采用對稱布置加強豎桿,加強的豎桿采用磨光頂緊的辦法與上下弦桿頂緊,不得采用焊接。同時,為保證桁架的橫向穩定,增加了橫向連接系構件,采用螺栓和桁架連接。加強豎桿設置位置示意圖見圖 3所示,根據荷載作用的不同位置而設置。最左邊的圖中荷載作用在單弦桿上,故需要設置加強豎桿。

2.3 貝雷架的變形控制

鋼箱梁拼接過程中,高強螺栓的對接精度要求較高,支架的變形控制是保證拼接精度的關鍵。采用了理論計算和試驗實測相結合的方法進行支架變形控制。貝雷架的撓度由兩部分組成,一部分是單銷間隙產生的非彈性變形,另一部分為荷載引起的彈性變形。在彈性撓度中需要同時考慮恒載和活載作用,活載需要考慮一定的動力系數;彈性撓度需要考慮腹桿的剪切變形對撓度計算的放大作用。

本貝雷架為偶數節,偶數節簡支梁的非彈性撓度按荷載作用下的錯孔撓度曲線推導出的跨中最大撓度公式計算:

式中取 n=4,貝雷架的非彈性撓度為 0.8cm;

荷載引起的彈性撓度采用B·C·卡秋林公式計算:

式中:f為桁架由荷載引起的彈性撓度(cm);

l為桁架的計算跨度(m),本例中 l=9m;

h0為桁架在支座處的計算高度(m),h0=1.5m;

h為桁架的計算高度(m),為 h=1.5m;

E為桁架所用材料的彈性模量(N/cm2),E=2.1×107N/cm2;

Kdf為活載的橫向分配系數,等于 0.1767;

I為桁架的截面的慣性矩,I=1001988cm4;

Keq為荷載的等撓度等代荷載(N/cm),Keq=64.2 N/cm。

代入(4)式得:f0+f=0.8+0.45=1.25cm

故貝雷架主梁總撓度:f0+f=0.8+0.45=1.25cm

2.4 貝雷架測試

鑒于目前施工現場使用的桁架器材已經重復使用多次,連接焊縫和桿件有銹蝕現象,而銷與孔的實際間隙與工廠加工精度有關,對撓度的計算準確性有較大的影響,故通過現場對主梁進行測試來校對撓度計算的正確性以及驗證橫向分配系數取值的合理性。

在平整的場地上用貝雷架拼接成跨度為 9m的簡支梁結構體系。在每一個節點下方沿各片貝雷架下設置撓度計,同時在桁架的弦桿上下緣設置應變片,控制弦桿的應力。加載最大值為 6.4 t/m,共分 5級加載,第一級為 2.4 t/m,依次增加 1.0 t/m,分別測試各級荷載作用下的貝雷架主梁最大撓度(圖 4所示)。

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現場實測主梁的撓度為1.34cm,略微大于理論計算值,主要原因主要為貝雷架的多次使用磨損導致的銷孔間隙增大。最終采用實測變形值作為貝雷架的變形控制值,保證了鋼箱梁高強螺栓拼接的順利實施。

圖4 撓度測試點和應變片布置

3 貝雷架的架設和拆卸

由于貝雷架的架設和拆卸受到現場工作空間和機械的限制,為了加快施工進度,結合起重機工作空間的限制要求,提出了整體拼裝架設貝雷架和分片拆卸貝雷架的施工方案。

在地面將柱子和主梁分別拼裝完成,采用起重機直接吊裝,由于單榀主梁為 4320 kg,所以吊重不大,待主梁提升到位之后,再拼裝橫向連接系。

拆卸過程中,首先解除主梁之間的橫向連接,再將一榀貝雷架主梁和鋼箱梁固定到一起,采用鋼絲繩固定,拆除貝雷架主梁上的連接銷,形成單獨的貝雷片。再采用定滑輪將貝雷片從箱梁底板滑出,降到地面上。重復此工作,最終完成其他貝雷主梁的拆卸工作。而柱子的拆卸工作,可以將柱子放倒后再拆卸。支架拆卸過程示意見圖5。

圖5 分片拆卸主梁示意

拆除過程中,先將貝雷梁和鋼箱梁連接,再將其拆為單個貝雷片,采用定滑輪拉出。

4 結束語

貝雷架應用于橋梁快速施工中可實現經濟、安全、快速的目的。但當貝雷架承受集中荷載時,抗剪性能差的問題往往妨礙了其在工程中的廣泛應用。本文結合實際工程,采用設置加強豎桿的設計方案,滿足了貝雷架承受集中荷載的抗剪要求。同時,通過理論分析和現場試驗進行了貝雷架變形控制研究,實現了鋼箱梁高強螺栓連接的精度控制。另外,為達到支架施工簡便快速安全的目的,提出了整體拼裝架設貝雷架和逐步拆卸貝雷架的施工工法。通過貝雷架在本工程中的實際應用,證明此施工工法安全實用,可在類似工程中推廣應用。

[1]GB 50017-2003鋼結構設計規范[S]

[2]黃紹金,劉陌生.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M].北京:人民交通出版社,2002

[3]顧安邦.橋梁工程(下)[M].北京:人民交通出版社,2001