雙層貝雷梁支架在剛構(gòu)連續(xù)梁施工中的應(yīng)用

胡 小 周

(中國葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司,四川 成都 610091)

1 工程概況

新建武漢至孝感城際鐵路馬家湖特大橋1-4×20 m剛構(gòu)連續(xù)梁位于該橋末段，與天河機(jī)場U形槽工程相接，起訖里程為DK18+585.310～DK18+665.440，對應(yīng)馬家湖特大橋111號～115號墩，共4跨，其中111號～112號墩跨度為19.9 m、112號～115號墩每跨跨度為20 m，梁體全長79.9m。剛構(gòu)連續(xù)梁采用C40高性能混凝土，總方量為959 m3。

該剛構(gòu)連續(xù)梁，梁體截面高1.3 m、底寬7.265 m、頂寬11.6 m，橋面組成為防護(hù)墻內(nèi)側(cè)寬度為8.3 m、防護(hù)墻外翼緣板寬度為1.35 m；該剛構(gòu)連續(xù)梁111號墩為圓端形實(shí)體橋墩、112號～115號墩為矩形實(shí)體橋墩，系梁體與橋墩澆筑為一體的剛性連續(xù)梁，設(shè)計(jì)采用支架法施工。

本工程先進(jìn)行回填筑島，再進(jìn)行樁基、承臺、橋墩、梁體施工，回填筑島高程為21.5 m，填土厚10 m以上。

該剛構(gòu)連續(xù)梁位于馬家湖，若采用常規(guī)的滿堂式碗口鋼管支架,則由于筑島平臺填土較厚，地基極不穩(wěn)固，存在安全隱患；若采用常規(guī)的墩梁式支架，利用橋墩承臺作為支架基礎(chǔ)，采用兩點(diǎn)支撐的簡支梁支架結(jié)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算跨中變形過大，不能滿足施工要求；若采用三點(diǎn)支撐的連續(xù)梁支架結(jié)構(gòu)，則需要在梁式支架跨中設(shè)置支點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算需要采用樁基礎(chǔ)，施工成本增加較大。通過對比分析，采用鋼管立柱+雙層貝雷梁+碗口式支架作為剛構(gòu)連續(xù)梁施工的支架方案。

2 支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論依據(jù)及工藝特點(diǎn)

2.1 支架結(jié)構(gòu)形式

馬家湖特大橋1-4×20 m剛構(gòu)連續(xù)梁采用鋼管立柱+雙層貝雷梁+碗口式支架方案進(jìn)行施工。支架結(jié)構(gòu)自下而上由基礎(chǔ)承臺、組合鋼管立柱、縱向雙層貝雷、橫向分配梁、碗口式支架、底模板、側(cè)模板及支撐等構(gòu)成。組合鋼管立柱安置在承臺上作為縱向雙層貝雷梁受力支點(diǎn)，中間不設(shè)支墩。支架縱向布置見圖1。

2.2 理論依據(jù)

圖1 馬家湖剛構(gòu)梁支架縱斷面布置圖

該支架下部采用鋼管立柱作為整個支架及施工過程中荷載的傳力構(gòu)件；上部采用碗口式支架主要是為了模板調(diào)整并方便后續(xù)貝雷梁拆除；采用雙層貝雷梁是為了提高貝雷梁受力強(qiáng)度、減小貝雷梁豎向變形，以滿足施工要求。其原理是：貝雷梁為軍用制式器材，當(dāng)其組合放置方式改變時幾何特性也會相應(yīng)改變，采用雙層貝雷梁就是利用此原理，通過疊合放置來提高貝雷梁的截面抵抗矩及慣性矩，以此提高貝雷梁承載力、減小變形。根據(jù)規(guī)范，下面為幾種常用貝雷梁組合幾何特性表，見表1。

表1 用貝雷梁組合幾何特性表

2.3 工藝特點(diǎn)

鋼管立柱架設(shè)雙層貝雷梁加碗口式支架現(xiàn)是一種從梁式支架改進(jìn)而來的現(xiàn)澆梁支架結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)為：

(1)強(qiáng)度高、剛度大、變形小，一次性跨度大，部分支架可不設(shè)中間支撐；

(2)采用兩點(diǎn)支撐，支架支撐點(diǎn)坐落在橋墩承臺上，不需要進(jìn)行地基處理，降低成本；

(3)支架支撐點(diǎn)坐落在承臺上，受力結(jié)構(gòu)形勢簡單，支架整體變形主要為貝雷梁的彈性變形，可通過一次預(yù)壓確定，不需要每片梁體支架都進(jìn)行預(yù)壓，減少成本；

(4)貝雷梁的彈性變形可通過數(shù)值分析計(jì)算，便于確定梁體預(yù)拋量，有利于梁體線性控制。

3 施工工藝

3.1 鋼管立柱施工

支架采用φ609 mm×10 mm螺旋鋼管作為承重構(gòu)件，鋼管橫橋向間距為2.25 m，單排布置5根，鋼管支撐在承臺上，鋼管間設(shè)[20槽鋼剪刀撐。承臺施工過程中預(yù)埋φ28地腳螺栓，每根鋼管預(yù)埋4根，地腳螺栓深入承臺不小于30cm。墩身施工過程中預(yù)埋鋼板，鋼管固定在承臺上后，焊接[20槽鋼將鋼管與墩身預(yù)埋鋼板焊接固定。

在鋼管上安裝雙拼I56a工字鋼，為保證工字鋼均勻受力，將雙拼工字鋼加固，即間隔1.2 m在雙拼I56a工字鋼上焊接一塊綴板，工字鋼與鋼管立柱采用φ32螺紋鋼加固，螺紋鋼間距20 cm，每根鋼管頂部布置8根。

3.2 貝雷梁安裝

雙拼I56a工字鋼安裝完成后，在其上搭設(shè)貝雷梁，貝雷梁采用雙層雙排體系。貝雷梁兩片一組，梁體底板范圍每組兩片貝雷梁間距45 cm，每組間距25 cm，共設(shè)13組；梁體兩側(cè)翼緣板下各設(shè)一組貝雷梁，每組兩片貝雷梁間距90 cm，與內(nèi)側(cè)梁體底板范圍貝雷梁間距60 cm；每個支架橫橋向共設(shè)15組雙層雙排貝雷梁。支架橫向布置見下圖2。

圖2 馬家湖特大橋剛構(gòu)梁支架橫向布置

貝雷梁在現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，上下層貝雷梁之間采用螺栓將上層貝雷梁的下弦桿與下層貝雷梁的上弦桿連接固定，上層弦桿與下層弦桿之間的兩個螺栓孔必須全部固定。貝雷梁拼裝完成后整體吊裝(四片)就位，按平分中矢法定位貝雷梁；吊裝完畢后，在雙拼I56a工字鋼上采用[20 槽鋼焊接限位器，防止貝雷梁橫向移動；全部吊裝就位后采用水平通長連接桿將貝雷梁連接成一整體。

3.3 碗口支架施工

貝雷梁吊裝完成后，在其上橫橋向鋪設(shè)15 cm×15 cm方木，順橋向間距90 cm，然后在方木上安裝底托搭設(shè)碗扣式支架。碗口式支架鋼管規(guī)格為φ48 mm×3.5 mm，順橋縱距為90 cm，橫距為60 cm，步距為120 cm；支架搭設(shè)完畢后在支架體外側(cè)及內(nèi)側(cè)設(shè)縱向、橫向及水平向剪刀撐，縱向剪刀撐每隔6根立桿布置一道，橫向橋向共設(shè)4道；橫向剪刀撐順橋向每隔6根立桿布置一道；在縱向剪刀撐頂部交點(diǎn)平面及底部平面設(shè)置水平剪刀撐，水平剪刀撐豎向間距不大于3 m；縱向及橫向剪刀撐與水平向夾角為45°～60°，剪刀撐底部抵靠在貝雷梁上。

碗口支架搭設(shè)完成以后，利用橋墩施工時對拉螺桿孔搭設(shè)環(huán)橋墩的鋼管箍與橋墩連接固定，以增加支架體系的整體穩(wěn)定性。

碗口支架施工完畢后即可進(jìn)行后續(xù)模板施工。

4 支架檢算

4.1 荷載取值

(1)混凝土荷載：26.5 kN/m3；

(2)模板系統(tǒng)自重荷載：2.5 kN/m2；

(3)施工荷載：2.5 kN/m2；

(4)混凝土振搗、傾倒產(chǎn)生沖擊荷載各區(qū)2 kN/m2，當(dāng)澆筑厚度大于1 m時，不考慮傾倒產(chǎn)生沖擊荷載;

(5)混凝土側(cè)壓力：按《建筑施工手冊》，當(dāng)混凝土澆筑速度在2 m/h以下時，作用于側(cè)面模板的最大壓力：

F1=0.22γct0β1β2V1/2

F2=Kγch

澆筑速度取1 m/h，混凝土入模板溫度T取20°，則t0=200/(T+15)=200/(20+15)=5.71。

F1=0.22γct0β1β2V1/2

=0.22×26.5×5.71×1.2×1.15×10.5=45.9 kN/ m2

因梁體高度為1.3 m，取F2=Kγch=1.3

×26.5=34.45 kN/m2。

F=min(F1，F(xiàn)2)=34.45 kN/m2

(6)風(fēng)荷載計(jì)算

根據(jù)《建筑施工碗口式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 166-2016)及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)，湖北武漢市海拔23.3 m，重現(xiàn)期取R=10，查表得ω0=0.25 kN/m2；風(fēng)荷載體型系數(shù)μs取最大值1.0，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz取1.57。

碗口支架計(jì)算中考慮風(fēng)荷載：Wk=μsμzω0

=1.0×1.57×0.25=0.393 kN/m2

4.2 碗口式鋼管支架檢算

搭設(shè)高度取上限值5.9 m計(jì)算，則層數(shù)為6層，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.0，計(jì)算時取梁體底板60 cm×90 cm單元進(jìn)行分析。由于翼緣板范圍混凝土荷載較小且搭設(shè)形式與底板處相同，可不計(jì)算。立桿所受荷載統(tǒng)計(jì)及組合見下表2。

表2 立桿所受荷載統(tǒng)計(jì)

那么，單根立桿最大承受軸力為N=28.738 kN，按此計(jì)算。

(1)不考慮風(fēng)荷載

σ=N/(φA)<[f]

為保證安全，將立桿φ48 mm×3.5 mm按φ48 mm×3 mm規(guī)格計(jì)算，其幾何特性為：

截面積A=424.1 mm2

軸慣性矩：Ix=107 830 mm4

抗彎慣性矩：W=8 985 mm3

回轉(zhuǎn)半徑：ix=(I/A)1/2=15.94 mm

計(jì)算長度附加系數(shù)：k=1.155；

計(jì)算長度系數(shù)：μ=1.55；

計(jì)算長度，由公式l0=kμh=1.155×1.55

×1.2=2.148 3 m

長細(xì)比：l0/i=2148.3/15.94=134.77

軸心受壓立桿的穩(wěn)定系數(shù)φ，由長細(xì)比l0/i的計(jì)算結(jié)果查表得到φ=0.376；

則σ=N/(φA)=28.738×103/(424.1

×0.376)=180.22 MPa≤[f]=215 MPa，滿足要求。

(2)考慮風(fēng)荷載

σ=N/(φA)+Mw/W

風(fēng)壓產(chǎn)生彎矩計(jì)算：Mwk=0.05ξWklaHc2

=0.05×0.6×0.393×0.9×2.42=0.061 kN.m

Mw=1.4×0.6Mwk=1.4×0.6×0.061

=0.052 kN.m

σ=N/(φa)+Mw/W

=28.738×103/(424.1×0.376)+

0.052×106/898 5=180.01 MPa≤[f]=215 MPa，滿足要求。

4.3 貝雷梁及鋼管立柱檢算

4.3.1 荷載分析

貝雷梁主要承受梁體混凝土、模板系統(tǒng)、碗口式支架自重荷載及施工荷載、混凝土振搗荷載，此處不計(jì)風(fēng)荷載；自重荷載組合系數(shù)取1.2，可變荷載組合系數(shù)取1.4。此處荷載組合值分分別為梁體底板范圍、翼緣板范圍。

經(jīng)計(jì)算，梁體底板范圍貝雷梁承受的線荷載為18.076 kN/m；梁體翼緣板范圍內(nèi)貝雷梁承受的線荷載為12.686 kN/m。

4.3.2 貝雷梁及鋼管立柱受力分析

該剛構(gòu)連續(xù)梁雙層貝雷梁及鋼管立柱采用Midas civil建模，進(jìn)行整體受力分析，檢算時取中跨支架雙層貝雷梁及鋼管立柱體系進(jìn)行建模分析，模型見下圖3。

圖3 剛構(gòu)連續(xù)梁雙層貝雷梁及鋼管立柱支架模型

4.3.3 計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算分析結(jié)果可知，貝雷梁最大組合應(yīng)力σmax=292.2 MPa<[σ]=310 MPa，最大剪應(yīng)力τmax=61.9 MPa<[τ]=180 MPa，最大位移fmax=1.42 cm<18 000/600=3 cm，貝雷梁的強(qiáng)度及剛度均滿足要求。

由計(jì)算分析結(jié)果可知，鋼管立柱最大支點(diǎn)反力為N=1125.4 kN。取最大搭設(shè)高度l=6 m為計(jì)算長度，φ609 mm×10 mm鋼管截面積A=18 818.1 mm2，回轉(zhuǎn)半徑為i=211.8 mm；長細(xì)比：l/i=6 000/211.8=28.33，查表得，軸心受壓穩(wěn)定性系數(shù)得φ=0.924；σ=N/(φA)=1 125.4×1 000/(0.924×18 818.1)=64.72 MPa<[σ]=215 MPa，鋼管立柱穩(wěn)定性滿足要求。

5 結(jié) 論

運(yùn)用鋼管立柱架設(shè)雙層貝雷梁與碗口式支架相結(jié)合的支架現(xiàn)澆梁施工工藝，既解決了一次大跨度支架的強(qiáng)度及變形問題，同時減少了地基處理工作，節(jié)約了工期，降低了成本。經(jīng)過實(shí)踐證明，該方案運(yùn)用在一次大跨度現(xiàn)澆連續(xù)梁施工中安全可靠、質(zhì)量可控，為后續(xù)大跨度現(xiàn)澆梁支架法施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。