鋼管臨時支撐和貝雷架在施工實踐中的應用

李云華

0 引言

貝雷架是形成一定單元的鋼架，可以用它拼接組裝成很多構件、設備。“貝雷架”又稱貝雷片，貝雷梁或桁架，于 1965年定型生產，在我國得到了很大發展，廣泛應用于國防戰備、交通工程、市政水利工程，是我國應用最為廣泛的組裝式承重構件。貝雷架具有結構簡單、運輸方便、架設快捷、載重量大、互換性好、適應性強的特點。“321”鋼橋是在原英制貝雷桁架橋的基礎上，結合我國國情和實際情況研制而成的快速組裝橋梁，于 1965年定型生產，在我國得到了很大發展，成為我國應用最為廣泛的組裝式橋梁，具有結構簡單、運輸方便、架設快捷、載重量大、互換性好、適應性強的特點。“HD 200”型裝配式公路鋼橋增加了桁架高度，提高了承載能力，增強了穩定性能，增加了疲勞壽命，提高了可靠度。與 321型鋼橋比，在相同組合情況下，強度提高了 33%，剛度提高了 2.3倍。適用范圍:單車道橋面凈寬 4.2，組合跨徑 9.14 m～76.2m，雙車道橋面凈寬7.4m，組合跨徑9.14m～57.91m。

1 工程概況

環膠州灣高速(市區段)拓寬改造工程雙埠立交橋工程WE19～WE20號箱梁為鋼混疊合梁，位于既有舊橋的上方。舊橋為雙向四車道，寬度為16m，其中WE20號墩柱為分離式雙墩，分別位于既有舊橋的兩側，兩墩間通過蓋梁連接，蓋梁橫跨既有舊橋，鋼混疊合梁直接架設到蓋梁上。

WE20墩柱尺寸1.6m×2m，北橋墩與舊橋最近距離為2.2m，南橋墩與舊橋最近距離為2.1 m。WE20蓋梁長26.6m，蓋梁底寬3.6m，南北橋墩間內側最小距離為22.4m。蓋梁采用預應力混凝土，其中C55混凝土207.9m3，鋼筋36.3 t，鋼絞線13 t，共計總重569.05 t，其中橫梁中部(1.6m寬范圍內)占據了66%重量，即為375.6 t，橫梁兩側各占據了17%重量，即為96.7 t。

2 貝雷片力學計算

貝雷架按12m+12m+9m為一聯計算，采用平面桿系結構建模，上下弦桿及豎桿使用梁單元Beam3模擬，斜腹桿使用桿單元Link1模擬，兩片桁架片之間鉸接，貝雷架的荷載由分配橫梁傳遞，為模擬移動荷載從而找出不利位置，建模時考慮與分配橫梁及縱向分布梁整體建立。WE20蓋梁臨時門架采用加強型上下兩層貝雷片，共計需用貝雷片156片，約43.68 t(貝雷片單片重270 kg，按照 280 kg計算)。臨時支墩施工完畢后貝雷片凈跨度為 21m，因此貝雷片跨度按照簡支梁21m計算。

2.1 荷載組合

1)鋼筋混凝土自重(按照全部重量計算):

569.05 t=569.05×1 000×9.8=5 576 690N=5 576.69 kN。

每米荷載:q1=5 576.69÷26.6=208.65 kN/m。

2)貝雷片自重:43.68×1 000×9.8=428 064 N=428.064 kN。

每米荷載:q2=428.064÷21=20.384 kN/m。

3)工字鋼荷載:q3=3.4×9.8÷21=1.6 kN/m。

4)其他荷載。傾倒混凝土產生沖擊荷載:2.0 kN/m2;振搗混凝土產生荷載:2.0 kN/m2(JTJ 041-2000橋規);施工人員、搬運工具材料等產生荷載:計算模板及小棱時為2.5 kN/m2，計算支架立柱時為1.0 kN/m2(JTJ 041-2000橋規)。

其他荷載組合:q4=(2+2+2.5)×3.6=23.4 kN/m(蓋梁底寬3.6m)。

5)荷載分項系數:靜載系數為1.2，活載系數為1.4(《路橋施工計算手冊》表 8-5)。

總荷載:q=(q1+q2+q3)×1.2+q4×1.4=(208.65+20.384+ 1.6)×1.2+23.4×1.4=309.52 kN/m。

2.2 貝雷片力學計算

1)雙排雙層加強貝雷片幾何特性。

截面抵抗矩:W=30 641.7 cm3。

截面慣性矩:I=4 596 255.2 cm4。

彈性模量:E=2.1×105MPa=2.1×108kPa。

容許應力:[σ]=273MPa。

雙排雙層加強貝雷片容許彎矩:[M]=6 750 kN?m。

2)貝雷片彎矩計算，按照跨徑 21m考慮。

Mmax=qL2/8=309.52×21×21/8=17 062.29 kN?m。

單組雙排雙層貝雷片承受最大彎矩(按照荷載橫向均勻分布計算，不考慮不均勻分布系數)M=Mmax/5=3 412.5 kN?m＜[6750]。

3)貝雷片強度計算(五組雙層雙排共計 20片貝雷片)。

σ=Mmax/W=17.062 29/(30 641.7×10-6×5)=111.35MPa＜[σ]=273MPa。

4)貝雷片撓度驗算。

因每組貝雷片結構相同，可看作勻質梁，以簡支梁計算，最大撓度為(五組雙層雙排共計 20片貝雷片)(《土木工程手冊 3-18》):

f=5×qL4/(384EI)=5×309.52×214/(384×2.1×108× 4 596 255.2×10-8×5)=0.016m=1.6 cm＜L/400=2 100/400= 5.25 cm。

3 鋼管臨時支撐計算

鋼管采用外徑直徑530mm，壁厚8mm鋼管，每端11根，共計 22根，按簡支梁計算，一端承受總重的 1/2重量。貝雷片與臨時墩之間采用 16角鋼焊接成 U形卡子連接。

3.1 荷載組合

1)鋼筋混凝土自重(按照全部重量計算):569.05×9.8= 5 576.69 kN。

2)貝雷片自重43.68×9.8=428.064 kN。

3)Ⅰ10a工字鋼荷載q3=3.4×9.8=33.32 kN。

4)Ⅰ32a工字鋼荷載q4=2.7×9.8=26.46 kN。

5)其他荷載。傾倒混凝土產生沖擊荷載:2.0 kN/m2;振搗混凝土產生荷載:2.0 kN/m2(JTJ 041-2000橋規);施工人員、搬運工具材料等產生荷載:計算模板及小棱時為2.5 kN/m2，計算支架立柱時為1.0 kN/m2(JTJ 041-2000橋規);其他荷載組合q4=(2+ 2+2.5)×3.6×26.6=622.44 kN(蓋梁底寬3.6m，長26.6m)。

6)荷載分項系數:靜載系數為1.2，活載系數為1.4(《路橋施工計算手冊》表 8-5)。

總荷載:q=(q1+q2+q3)×1.2+q4×1.4=(5 576.69+ 428.064+33.32+26.46)×1.2+622.44×1.4=8 148.86 kN。

3.2 鋼管力學計算

鋼管的自由長度按照 6m計算，鋼管材料相同為A 3鋼，查《路橋施工計算手冊》附錄三附表 3-20得:[σ]=140MPa。

鋼管的慣性矩:I=(π/64)(D4-d4)=(π/64)(534-51.44)= 44 695.46 cm4。

鋼管的截面積:A=(π/4)(D2-d2)=(π/4)(532-51.42)= 131.2 cm2。

截面抵抗彎矩:W=(π/32)[(D4-d4)/D]=0.098 2×[(534-51.44)/53]=1 687.05 cm3。

以上參照《路橋施工計算手冊》附錄二附表 2-2或《土木工程手冊》表 3-4。

1)立桿長細比:λ=L/i=600/18.46=32.5＜[λ]=100(《路橋施工計算手冊》附錄三附表 3-25)。

2)查《路橋施工計算手冊》附錄三附表 3-26得:立桿軸心受壓構件縱向彎曲系數:φ=0.9。

因所有荷載均由 22根鋼管承受，因此每根鋼管承受的荷載為:

查《路橋施工計算手冊》表 13-3得鋼管的穩定強度:σ= N/(φA)=370.4×10-3/(0.9×131.2×10-4)=31.3 MPa＜φ× [σ]=0.9×140=126MPa。

4 鋼管臨時支撐與貝雷架在施工中的實踐

因 WE 20蓋梁跨度大、自重大，且橫跨既有舊橋，為確保舊橋安全，施工中不允許在舊橋上搭設滿堂支架，因此采用鋼管支架與貝雷片相結合的施工方案。

4.1 支架搭設

根據實際地形，在橋墩與既有舊橋間搭設φ530mm，壁厚8mm鋼管，每端各11根，共計 22根。WE20蓋梁臨時支架平面示意圖如圖 1所示。

鋼管頂部采用1 cm厚80 cm×80 cm鋼板進行封頂，封頂鋼板與鋼管間焊接并加設4道加勁肋板，加勁肋板壁厚 2 cm，鋼管支架頂部構造圖如圖 2所示。

為確保排架受力的整體性，頂部不采用砂箱，在鋼板上順橫梁方向每兩根鋼管采用兩根焊接成一體Ⅰ32a工字鋼連接，橫向同樣安放兩根焊接成一體的Ⅰ32a工字鋼，貝雷片安放到橫向兩根Ⅰ32a工字鋼上。支架基礎采用鋼筋混凝土，基礎厚度為 0.5m，尺寸大于鋼管最外緣0.5m(墩柱四周各出1.5m)，基礎底層及頂層配φ16間距20 cm鋼筋網片。基礎施工時預埋1.5 cm厚鋼板，鋼板底部焊接U形φ20mm圓鋼與混凝土錨固成一體，鋼板與鋼管連接方式同頂部。

為確保排架整體性，在鋼管底部0.5m與頂部0.5m處各采用[10槽鋼縱橫向連接，沿鋼管高度方向上 6m設置一道[10槽鋼橫向連接，每道橫向連接間設[10槽鋼人字支撐。

4.2 貝雷片安裝

因WE20墩柱間最小距離為22.4m，蓋梁長度26.6m，單片貝雷片標準長度為3m，因此根據貝雷片模數計算，兩橋墩 1.6m寬度內貝雷片組合長度為 21m，1.6m范圍外組合長度為 27m。橋墩寬度 1.6m內因貝雷片組合完成后與墩柱間距離相差 0.7m，此范圍內采用鋼管單獨進行支撐(見圖 3)。

因蓋梁重量過大，因此貝雷片使用中采用雙排雙層加強(采用加強弦桿)安裝的施工方案。共計使用 5組，每組單排間距0.45m，使用支撐架進行連接。

為確保貝雷片的穩定性，每組底部同樣采用 0.45 m支撐架進行連接。同時縱向每隔 3m、豎向 3排采用[16槽鋼將貝雷片連接成一體，槽鋼與貝雷片間連接方式為 16角鋼焊接成 U形卡子連接。

貝雷片上橫向擺放長4.5mⅠ10工字鋼，間距0.3m，縱向擺放10×10方木，間距0.2m。工字鋼總重為3.4 t，方木忽略不計。

4.3 貝雷片的拆除

采用 4個 20 t手拉葫蘆將貝雷片吊在蓋梁底，落架時先割除頂部20 cm長度鋼管，將貝雷片落到割除后的鋼管上，采用卷揚機或吊車將貝雷片拖出，然后拆除鋼管支墩。

[1] 李廉錕.結構力學[M].北京:高等教育出版社，1996.

[2] GBJ 17-88，鋼結構設計規范[S].

[3] 劉山林，閆淑娟，鐘本蜂.鋼管樁和貝雷片支架在現澆箱梁施工中的應用[J].石家莊鐵道學院學報，2003(7):37-38.