復雜鋼管貝雷滿堂支架設計與施工安全控制

楊樂緒

（中鐵十五局集團第三工程有限公司，四川成都 610097）

復雜鋼管貝雷滿堂支架設計與施工安全控制

楊樂緒

（中鐵十五局集團第三工程有限公司，四川成都 610097）

一座96 m尼爾森系桿鋼管拱橋，其系梁砼澆筑采用鋼管貝雷滿堂支架施工方案，因現場限制條件苛刻，支架構造復雜。文中介紹了該鋼管貝雷支架的基本特點，闡述了利用等荷載法實現貝雷梁橫向優化布置的方法，說明了利用離散法建立支架各組成構件計算模型的方法及主要計算步驟，提出了施工安全控制措施。

橋梁；鋼管拱橋；貝雷梁；碗扣滿堂支架

1 鋼管貝雷滿堂支架設計方案

杭黃鐵路上朗坑大橋跨越績黃（績溪—黃山）高速公路，與績黃高速公路斜交41°。為96 m尼爾森系桿拱橋，系梁為預應力砼梁，截面為單箱三室箱形結構，橋寬17.1 m，梁高2.5 m，拱腳順橋向8 m范圍內設成實體段（見圖1）。采用先梁后拱法施工，系梁采用支架整體現澆，一次澆筑C50砼量為2 040 m3。根據現場地質和施工技術條件，采用鋼管貝雷滿堂支架施工方案。支架設計見圖2、圖3。

圖1　朗坑大橋示意圖（單位：m）

圖2　鋼管貝雷滿堂支架立面圖（單位：m）

圖3　鋼管貝雷滿堂支架橫斷面（單位：m）

（1）碗扣滿堂支架布置。碗扣立桿縱向間距，碗扣支架布置加密區為0.3 m，非加密區為0.6 m。方木布置方式為先縱向方木后橫向方木，即碗扣立桿頂托上布置橫向方木，橫向方木上布置縱向方木；縱向方木的橫向間距為0.3 m；縱、橫向方木尺寸為（10×10）cm。非橫隔板的中央區域立桿橫向間距為（0.9+0.3+9×0.6+0.3+8×0.6+0.3+9×0.6 +0.3+0.9）m。橫桿步距，貝雷梁布置區域為0.6 m，其他區域為1.2 m。

（2）鋼管+大橫梁+貝雷梁+小橫梁布置。共設34排單層普通型貝雷梁，貝雷梁上橫向鋪設間距為0.6 m的I20a工字鋼小橫梁。鋼管立柱規格為φ630×10，共10排鋼管，其中4排與高速公路平行，4排與鋼管拱橋軸線正交，2排屬于局部加塞型，主要用于降低貝雷梁的最大跨徑長度。鋼管立柱頂部設置雙I45a工字鋼大橫梁作為橫向分配梁，每排鋼管立柱基礎為寬1.5 m、高0.7～1.0 m，要求基底應力不小于250 k Pa。

2 貝雷梁橫向布置方法

箱梁截面較寬、橋跨較長時，貝雷梁橫向布置方案將對鋼管貝雷滿堂支架的工程量及安裝、拆卸產生較大影響。貝雷梁通常按組布置，除特別定制的外，貝雷組的常用間距為0.45、0.90或1.35 m，相鄰貝雷組之間通過型鋼花格等橫向約束加以限位，以增強貝雷梁的整體穩定性。貝雷梁橫向布置可采用等荷載方法來優化，基本思路：對系梁截面進行區域分割，讓各區域的每排貝雷梁盡可能承受相等的組合荷載、具有相等的承載能力或安全儲備系數。

組合荷載G是指系梁砼自重荷載G0、模板荷載Gm、人群和機器荷載G1及砼振搗沖擊荷載G2，按規范要求進行組合得到，計算公式如下：

將系梁截面分割為腹板區和箱室區等若干區域，計算各區域對貝雷梁產生的組合荷載，再根據各區域每排貝雷梁上所受組合荷載相等的原則布置各區域的貝雷梁排數。通常情況下，得到嚴格滿足上述等荷載布置原則的貝雷梁橫向布置方案是困難的，但通過試算可得到近似滿足該原則的貝雷梁橫向布置方案。圖4為截面區域分割情況，系梁截面被分割成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類共7個區域，其中Ⅰ、Ⅲ區布置2排間距為0.45 m的貝雷組，Ⅱ區布置9排間距為0.45 m的貝雷組，Ⅳ區布置8排間距為0.45 m的貝雷組，全橋截面共布置34排貝雷梁。利用組合荷載計算方法可計算出各區域單位長的總組合荷載及各區域中每排貝雷梁所受的單位長度組合荷載值。區域Ⅱ中，組合荷載為148.9 k N，每排貝雷所受單位長組合荷載為148.9/9=16.5 k N；貝雷梁所受的最大及最小單位長組合荷載分別為17、16.5 k N，每排貝雷梁所受的組合荷載基本相等。

圖4　鋼管滿堂支架按等荷載布置貝雷梁（單位：m）

3 鋼管貝雷滿堂支架的驗算

建立計算模型評估所設計鋼管貝雷滿堂支架的承載能力和剛度。鋼管貝雷滿堂支架為一復雜的空間結構體系，其力學計算模型的建立具有很強的靈活性，同一支架方案可能構造出多樣化的計算模型。通常有以下兩種建模策略：1）建立鋼管貝雷滿堂支架三維綜合桿件有限元模型，通過三維有限元模型的綜合計算評估支架的承載能力和剛度；2）根據鋼管貝雷滿堂支架的傳力和約束特點，將整個空間支架體系離散成一系列碗扣滿堂支架的大小楞、碗扣支架立桿、貝雷梁上的小橫梁、貝雷梁、貝雷梁下的大橫梁及鋼管立柱等獨立構件，并建立各自獨立的計算模型單獨計算。理論上，三維模型方法能真實反映支架各構件的實際受力情況，但建模過程費時費力，且計算結果的正確性有時難以把控。采用離散方法計算時，當各構件所受荷載和約束與原結構吻合時，能得到與三維模型相吻合的計算結果，且計算過程和結果容易檢查和控制。故采用離散方法進行建模計算。主要計算步驟如下：

（1）對系梁截面進行區域分割，計算各區域縱向長度為0.6 m時的組合軸力［見圖5（a）和（b）］。

（2）根據碗扣立桿的橫向布置及立桿的縱向間距，計算各立桿的組合軸力［見圖5（c）］。

（3）建立I20a工字鋼小橫梁計算模型，其外載為碗扣立桿組合軸力，支座為貝雷梁約束，可近似為豎向剛性約束［見圖5（d）和（e）］。

圖5　各構件的計算模型（單位：k N）

（4）建立最不利貝雷梁計算模型，位于邊腹板位置，最不利支座反力為15.7 k N，因小橫梁間距為0.6 m，則貝雷梁所受荷載為15.7/0.6=26.2 k N/m（見圖6）。

（5）建立最不利雙I45a工字鋼大橫梁計算模型，其所受荷載為貝雷梁支座反力，且在鋼管立柱位置可按剛性約束考慮。由于大橫梁所受荷載復雜，偏于安全考慮，認為大橫梁所有支座反力數值均為貝雷梁的最大支座反力401.2 k N（見圖7）。

（6）按壓桿穩定性計算鋼管立柱的承載能力，其所受壓桿軸力為大橫梁計算模型（見圖8）。

圖6　貝雷梁最不利計算模型（單位：m）

圖7　貝雷梁支座反力（單位：k N）

圖8　大橫梁最不利計算模型（單位：力為k N，其他為m）

通過模型計算，貝雷梁位移滿足剛度要求，所有水平桿、斜桿均滿足承載能力要求；但在支座處豎桿軸力為246 k N，超過了貝雷梁豎桿的允許軸力212 k N，需采用［20a槽鋼進行局部加強處理，提高貝雷梁豎桿的承載能力；碗扣支架、大橫梁、小橫梁及所有鋼管立柱均滿足強度、剛度或穩定性要求。圖9為貝雷梁最不利軸力圖，圖10為大橫梁所受最不利彎矩圖。

圖9　貝雷梁軸力圖（單位：k N）

圖10　大橫梁最不利彎矩圖（單位：k N·m）

4 鋼管貝雷滿堂支架施工安全控制

由于鋼管貝雷滿堂支架的理論計算結果與實際必然存在一定差異，還需從線形監控及局部構造措施上進行鋼管貝雷滿堂支架安全控制，確保施工安全。主要措施如下：

（1）對支架按規范進行荷載分級預壓與卸載處理，檢驗支架的實際承載能力，并獲得支架的彈性變形，消除支架的非彈性位移；在荷壓、預卸載及砼澆筑過程中進行鋼管貝雷支架線形監測，做好安全控制預案，發現異常及時處理。

（2）對于鋼管頂部雙I45a工字鋼大橫梁，在鋼管立柱處設置兩道1.0 cm厚、間距4 cm鋼肋板，增加構件局部抗失穩能力；大橫梁與貝雷梁采用U形卡鎖定。

（3）相鄰貝雷組之間用通長I28a工字鋼鎖定連成整體，增強貝雷梁之間的穩定性；貝雷梁兩端與橋墩頂死，限制貝雷梁的縱向位移；在貝雷梁下弦桿直接支撐于大橫梁的位置或豎向立桿軸力較大位置，用［20a槽鋼進行局部加強處理。

（4）嚴格按照JGJ 130-2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》進行碗扣支架搭設，加強縱向、橫向及水平向剪刀撐搭設，并根據搭設質量進行必要的局部剪刀撐和橫撐加密處理。

5 結語

采用鋼管貝雷滿堂支架施工方案可很好地適應該橋現場苛刻條件的限制，采用等荷載法可使各貝雷梁承受近似相等的組合荷載，優化貝雷梁的橫向布置。在準確分析各組成構件受力和約束條件的前提下，采用等效、離散的平面桿件有限元計算模型來評估鋼管貝雷滿堂支架的承載能力和剛度情況，并通過現場局部構造措施及線形監控，確保了鋼管貝雷支架施工的安全。

［1］ 宋志宏.貝雷梁鋼管柱支架在同安彎大橋中的應用［J］.鐵道標準設計，2008（8）.

［2］ 楊文淵，徐稗.橋梁施工工程師手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2003.

［3］ 董勤銀.太中銀鐵路丁家溝無定河特大橋貝雷梁施工方案［J］.鐵道標準設計，2009（11）.

U445.46

A

1671-2668（2016）05-0198-03

2016-03-28