大跨度橋梁施工貝雷架支撐結構體系計算與優化

廖袖鋒，魏奇科，王維說

（1重慶市合川區建設工程質量監督站，重慶401520；2中冶建工集團有限公司，重慶400084）

大跨度橋梁施工貝雷架支撐結構體系計算與優化

廖袖鋒1，魏奇科2，王維說2

（1重慶市合川區建設工程質量監督站，重慶401520；2中冶建工集團有限公司，重慶400084）

以銀川水洞溝大橋工程為例，利用3D3S有限元計算分析軟件，分析了大跨度橋梁施工貝雷架支撐結構體系設計與優化。計算分析了5種結構體系下結構受力及變形特征，包括：跨中1個支撐點單層貝雷架體系、跨中1個支撐點局部雙層貝雷架體系、跨中2個支撐點（間距6m）單層貝雷架體系、跨中2個支撐點（間距12m）單層貝雷架體系、跨中2個支撐點（間距18m）單層貝雷架體系。通過各結構體系的計算分析，得出跨中設置2個支撐點，且支撐點間距設置為12m時支撐結構受力及變形最優，且滿足規范要求。

貝雷架；公路鋼橋；支撐結構；內力

0　引言

貝雷架也稱為“裝配式公路鋼橋”，原名叫“321”公路鋼橋，是我國的戰備公路鋼橋。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，它具有結構簡單、運輸方便、架設快速、分解容易的特點。同時具備承載能力大、結構剛性強、疲勞壽命長等優點。它能根據實際需要的不同跨徑組成各種類型和各種用途的臨時橋、應急橋和固定橋，具有構件少、重量輕、成本低的特點。目前已經廣泛應用于國防戰備、救災搶險、鐵路橋梁施工、市政橋梁施工以及其他大跨度施工需求的機場及地鐵等的施工［1-8］，作為上部結構施工的支撐結構體系，根據荷載和跨度情況，可拼裝成1層、2層或多層，如圖1所示。

圖1　貝雷架施工應用圖片

圖2　橋梁橫斷面布置圖

桁架由上下弦桿、豎桿及斜桿焊接而成，上下弦桿的端部有陰陽接頭，接頭上有桁架連接銷孔。貝雷架桁架的弦桿由兩根10號槽鋼（背靠背）組合而成，在下弦桿上，焊有多塊帶圓孔的鋼板，在上下弦桿內有供與加強弦桿和雙層桁架連接的螺栓孔，在上弦桿內還有供連接支撐架用的四個螺栓孔，其中間的兩個孔是供雙排或多排桁架同節間連接用的，靠兩端的兩個孔是跨節間連接用的。在下弦桿上，設有4塊橫梁墊板，其上方有凸榫，用以固定橫梁在平面上的位置；在下弦桿的端部槽鋼的腹板上還設有兩個橢圓孔，供連接抗風拉桿使用。桁架豎桿均用8#工字鋼制成，在豎桿靠下弦桿一側開有一個方孔，它是供橫梁夾具固定橫梁時使用的。貝雷架桁架單元尺寸及部件說明如圖2所示。

圖3　整橋立面布置圖

圖4　橋梁橫斷面布置圖

圖5　模板支撐結構體系縱向布置圖

1　工程概況

銀川水洞溝大橋工程位于銀川濱河新區，橋面寬度38m，全橋9孔一聯布置，跨徑組成為（35+7×40+35），橋長350m。4#、5#橋墩固結，其余橋墩及橋臺設支座，如圖3所示。主梁采用箱形截面，變高度連續梁，支點梁高530cm，跨中梁高200cm，梁底曲線按橢圓曲線變化。

主梁橋面寬38m，雙向六車道以及非機動車道，主梁橫向分為四片單箱單室，采用橫梁、橫隔板及頂板連接，如圖4所示。

該橋位于水庫內，無通航要求，采用回填筑島法施工，筑島后豎向高度受限，擬采用貝雷片加鋼管組合支撐體系施工。模板支撐結構體系主要由鋼管柱、下橫梁、貝雷架、上橫梁、碗扣式腳手架、主次梁方木、模板構成，如圖5所示。

鋼管柱暫定630×10鋼管，貝雷架下橫梁采用雙拼工字鋼，暫定I63c，貝雷架根據當地租賃市場情況采用國產321型貝雷架，單節貝雷片長度為3000mm，高度為1500mm，貝雷架的間距一般為450mm、900mm兩種，貝雷架在箱梁腹板范圍內加密。貝雷架上支撐腳手架立桿的橫梁采用18號工字鋼，間距暫定600mm，可根據需要加密。碗扣式鋼管支架，鋼管步距1.2m，鋼管順橋方向立桿間距600mm，橫橋方向根據荷載情況計算確定。鋼管上部沿橫橋方向主梁采用方木或鋼管，次梁采用方木，其上再鋪設竹膠板，主次梁方木和竹膠板厚度根據荷載情況計算確定。

圖6　三維計算模型

2　計算概況

2.1設計荷載

根據公路橋涵施工技術規范主要由以下荷載組成。

（1）混凝土自重。箱梁范圍內，縱橋向離橋墩凈距1m范圍內，腹板高度平均5200mm，厚度900mm，底板厚2400mm，頂板厚400mm，考慮到腹板和頂板混凝土基本在底板混凝土初凝后澆筑，荷載通過底板45O線傳遞到模板上，由于底板較厚，因此腹板、頂板和底板混凝土荷載在箱梁范圍內折算成平均荷載為：［900×5200×2+（5600-900×2）×2800］×25/5600/1000=89kN/ m2。

同理，箱梁范圍內，距橋墩第一段3000mm范圍，平均荷載為：［700×4000+650×950］×25/1350/1000=64kN/m2；箱梁其余范圍平均荷載為：［700+250］×25/1000=24kN/m2；箱梁范圍內，均橋墩第二段3000mm范圍，平均荷載為：［500×3200+400×690］×25/ 900/1000=20kN/m2；箱梁其余范圍平均荷載為：［440+250］×25/ 1000=17kN/m2；箱梁范圍內，跨中段24000mm內，平均荷載為：［500×2600+400×620］×25/900/1000=17kN/m2；箱梁其余范圍平均荷載為：［370+250］×25/1000=15.5kN/m2；箱梁范圍外，橋面板厚400mm，平均荷載為：400×25/1000=10kN/m2。

（2）方料、模板自重1.0kN/m2。

（3）施工人員和施工機具荷載2.0kN/m2。

（4）振搗混凝土產生的荷載2kN/m2。

（5）鋼管架體（包括橫桿、立桿、扣件、頂托）荷載3kN/m2。

（1）、（2）、（5）為恒荷載，（3）、（4）為活荷載。

整個支撐系統的恒荷載分布根據分包位置以及大小適當歸并，可分為五個區域：一區，箱梁范圍內，縱橋向離橋墩凈距0～1m范圍，荷載93kN/m2；二區，箱梁范圍內，縱橋向離橋墩凈距1～4m范圍，箱梁腹板下450×3=1350范圍內，荷載68kN/m2；三區，箱梁范圍內，縱橋向離橋墩凈距1～4m范圍，箱梁非腹板下范圍內，荷載28kN/m2；四區，箱梁范圍內，縱橋向跨中24m范圍，荷載24kN/m2；五區，箱梁范圍外，荷載14kN/m2。

2.2計算模型

采用3D3S設計分析軟件進行支架內力、變形計算以及截面強度、穩定校核。三維計算模型如圖6所示。

3　計算結果

3.1跨中1個支撐點單層貝雷架體系計算結果

圖7　體系1受力變形圖及內力圖

計算結果如圖7所示，跨中最大位移23.2mm，弦桿最大拉力375kN，弦桿最大壓力417kN，強度驗算不通過，最大應力比達到了1.828，應力比不滿足要求的部位主要集中在中間支撐點下部受壓的弦桿及豎腹桿。

圖8　體系2受力變形圖及內力圖

3.2跨中1個支撐點局部雙層貝雷架體系計算結果

根據結構體系1中受力不滿足規范要求的部位進行局部“加腋”措施方案，采用局部雙層的方案。

計算結果如圖8所示，跨中最大位移19.4mm，弦桿最大拉力186kN，弦桿最大壓力298kN，弦桿內力大大改善減小。但強度驗算仍不通過，最大應力比降低到1.175，應力比不滿足要求的部位主要集中在中間支撐點下部受壓的腹桿。

可見，局部雙層的方案增加了桁架高度，大大減小了弦桿受力，但沒有增加腹桿截面，因此支座豎腹桿的受力沒有改善，應力比仍然不滿足要求。由于貝雷架為標準構件，不便于局部加粗截面，可在此方案基礎上，采取雙片貝雷架雙拼加強的方案，但由于貝雷架橫向連接也為標準構件，橫向近距離雙拼由于不便施工而暫時放棄。

3.3跨中2個支撐點（間距6m）單層貝雷架體系計算結果

根據結構體系2的受力分析，增加桁架高度及厚度的措施不能完全解決1個支撐點方案受力的問題，因此只能增加支撐點，減小桁架跨度，從而減小桁架整體的彎矩和剪力。因此方案三采用跨中2個支撐點，支撐點間距為6m，貝雷架仍然為單層的方案。

計算結果如圖9所示，，跨中最大位移16.2mm，弦桿最大拉力159kN，弦桿最大壓力286kN，最大應力比降低到1.049，應力比不滿足要求的部位主要集中在中間支撐點下部受壓的弦桿。

可見，與方案1相比，中間增加支撐點的方案大大減小了弦桿和腹桿受力，最大應力比雖仍然超限，但已經降低到1.049，根據圖9結構變形可見，中間兩個支撐點間距較小，且跨中荷載小，兩端荷載大，因此中間跨變形沒有出現向下的正向位移，桁架整體的受力和變形還不十分均衡。

圖9　體系3受力變形圖及內力圖

3.4跨中2個支撐點（間距12m）單層貝雷架體系計算結果

根據結構體系3的受力分析，增設跨中支撐點的方案效果明顯，只是支撐點間距較小，進一步加大支撐點間距為12m。

計算結果如圖10所示，跨中最大位移9.0mm，弦桿最大拉力116kN，弦桿最大壓力177kN，強度最大應力比降低到0.8，穩定應力比接近0.9，應力比都滿足要求。

圖10　體系4受力變形圖及內力圖

可見，與方案3相比，增加中間支撐點間距進一步改善了桁架受力，從變形圖也可以看出變形更加均衡協調，中間支撐點間距進一步增加或許受力更加均衡。

3.5跨中2個支撐點（間距18m）單層貝雷架體系計算結果

根據結構體系4的受力分析，由于貝雷架桁架單元模數為3m，進一步加大支撐點間距為18m。

計算結果如圖11所示，跨中最大位移19.8mm，弦桿最大拉力192kN，弦桿最大壓力266kN，強度最大應力比增大到1.147，應力比不滿足要求。

圖11　體系5受力變形圖及內力圖

可見，與方案4相比，中間支撐點間距進一步增加到18m后，中跨跨度太大，位移增加，桁架受力也增大，應力比不滿足要求了，因此中間支撐點間距12m是最優方案。

4　結論

計算分析了5種結構體系下結構受力及變形特征，包括：跨中1個支撐點單層貝雷架體系、跨中1個支撐點局部雙層貝雷架體系、跨中2個支撐點（間距6m）單層貝雷架體系、跨中2個支撐點（間距12m）單層貝雷架體系、跨中2個支撐點（間距18m）單層貝雷架體系。

通過各結構體系的計算分析，得出銀川水洞溝大橋工程設置單層貝雷架，跨中2個支撐點，支撐點間距12m時支撐結構受力及變形最優，且滿足規范要求。

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責任編輯：孫蘇，李紅

建材養護

建筑石材養護小常識

建筑石材一旦被污染后，清洗非常不易。一般來說經常碰到的問題有：石材外墻滲水、白華、銹斑、污斑、水斑、油斑、施工材料的污染、風化、老化，以及人員出入造成光澤磨損等等。針對上述問題，可采用下列養護方法預防和治理石材病變。

由于大樓位居要樞，因此污染也特別嚴重。由于石材本身具有毛細孔及吸水性，空氣污染，灰塵加上空氣中的酸氣，汽機車的廢氣等，日積月累地附著于石材表面，當下雨的時候，酸雨會加速這些污染對石材的侵蝕且吸附在石材的毛細孔內，造成不易清洗的污斑，尤其對于火燒面的石材來說，這些污染形成的速度更快，且不容易清洗，僅使用市售的清洗劑根本無法去除這些污染；若是光面的石材，這些光澤很快就被侵蝕掉。因此，要去除這些污染，可以使用石材專用清洗劑，一般常用的有強力清除劑或多功能清除劑等石材專用的清洗劑。這類石材專用的清洗劑可以將滲入毛細孔內的污染完全去除，且不會傷害石材。如果要防止石材再一次被污染，可于石材清洗干凈后，在石材表面干燥的情形下，再作一道防護處理的工作，這種滲透性的防護劑常用一些多功能防護劑或石材專用防護劑，這幾類防護劑可以滲入石材內部，形成一道防護層，具有防水、防污、防銹斑、防油污、防風化、防老化、耐酸堿、防茶漬、可樂、醬油等造成的污斑的效果，并能有效控制白華的產生，且不損及石材原有的透氣性，平常清洗工作只需用水擦拭即可達到效果，無需使用其他的清洗劑。

外墻污染的事前防護處理：一般來說，石材的外墻均有相當之高度，一旦造成污染后再來清洗，施工極為不便。如果事前能做好防護處理，完工后便沒有污染上的問題，日常的清洗工作也只需用清水擦拭即可，而且施工前的防護處理成本較低、施工較容易、比較經濟。

石材完工后，經過很長的時間都不會干而始終留有濕濕的痕跡在表面上，這就是俗稱的水斑。要去除水斑，可以說是非常困難的事，因為水斑的形成非常復雜，其中包括有水泥、酸雨、白華、砂質不良以及石材吸自地下的污染。這些污染造成石材本身的變質，這種變了質的石材相當不容易清理干凈，所以對水斑而言，唯一的方法就是預防。要預防水斑的形成可在施工前使用多功能防護劑或石材專用防護劑。施工前，對石材作防護處理，即可有效避免水斑的形成，同時可達到良好的防污效果。

我們常看到有一些白色的結晶物從石材的接縫里流出來，這就是俗稱的“白華”（泛堿）。白華分為兩種，一種是“一次白華”，一種是“二次白華”。“一次白華”的成因是施工時，水泥砂漿產生化學變化形成氫氧化鈣，從石材的接縫里冒出來或是從石材本身的紋路、毛細孔處冒出來，與空氣中的二氧化碳結合形成白色的結晶物；“二次白華”主要是由于雨水滲入石材內部與水泥砂漿接觸，產生化學變化而形成白華。這兩種白華現象，均要使用強力清除劑來去除。一般來說，要事后補救并防止白華再生須從多方面著手。首先要防止外部的污染即雨水的滲入，這可以從石材表面作防護處理及加強填縫部分的防水功能來著手，只要外面的水分不再滲入石材，而石材內也無水分，白華即無法再生。

Calculation and Optim ization of Bailey Support Structure System in Large-span BridgeConstruction

Based on Shuidonggou bridge in Yinchuan，with the calculation and analysis 3D3S finite elementsoftware，structure stress and deformation featuresof the structureunder five kindsof structuralsystemsare calculated and analyzed，including single-layered bailey system with one supportpoint，local double-layered bailey system w ith one supportpoint，single-layered bailey system with two supportpoints（distanceof6cm），single-layered bailey system w ith two supportpoints（distanceof 12cm），and single-layered bailey system w ith two supportpoints（distance of 18cm）.Through calculation and analysisof every structuralsystem，it is concluded that the support structure has the beststressand deformation andmeets the requirementsof the code when two supportpointswith distanceof 12cm are set.

bailey structure；roadsand steelbridges；supportstructure；internalstress

［TU 997］，U 445

A

1671-9107（2016）08-0046-05

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.08.046

2016-08-05

廖袖鋒（1983-），男，重慶人，研究生，高級工程師，主要從事建筑節能與建設工程管理相關工作。