貝雷桁架與鋼立柱在橋梁施工中的組合應用

張曉振

(中交一公局集團海外分公司，北京 100024)

近幾年，隨著國內鐵路、公路交通基礎設施建設的高速發展，采用滿堂支架施工設計的橋梁也越來越多，但滿堂支架占地空間大，材料用量多，不適用于高墩橋梁施工[1-4]。本文結合亞環三期大橋工程實例，采用貝雷桁架和鋼立柱組合的支架形式，施工簡便、安全可靠[5-6]，有效克服通行空間和雨季行洪的問題[7-8]。

1 工程概況

亞環三期大橋上部結構為預應力混凝土現澆箱梁，跨徑組合為(35+6×40+35) m，箱梁為分離式單箱結構，左右幅橋面寬度均為10.27 m，箱梁為等高度2.25 m。箱梁底寬為4.4 m，翼板寬度為2.20～2.27 m，底板厚度24～50 cm，頂板厚度24 cm。在墩頂設置橫隔梁，且距墩頂7.25 m處設置施接縫橫梁。箱梁采取搭設落地支架逐跨推進施工方式，各跨箱梁施工縫在距墩中軸線7.25 m處設置，各跨采取預應力連接器形成整體。

2 支架方案

該橋P2、P3、P4、P5四根墩柱高度均超過12 m，考慮到經濟、安全、拆除等方面，在這三跨采用碗口支架與貝雷桁架相結合的支架形式，具體方式為采用鋼管貝雷支架，貝雷桁架支架與箱梁底部預留2.5～3.5 m空間用以搭設碗扣支架；其余部分采用滿堂碗口支架。

貝雷桁架支架采取鋼管樁立柱與貝雷桁架縱梁作為承擔箱梁荷載主要構件，一孔箱梁支架按兩跨連續梁體系設計，支架跨度為17.5 m；箱梁豎向荷載由三排鋼管樁(規格為φ=100cm、δ=8mm)立柱承擔，墩邊的鋼管樁立柱直接依托承臺面，在每一孔箱梁中間設置一個臨時中支墩(中支墩基礎采用鋼筋混凝土擴大基礎，尺寸為9.6 m(長)×3 m(寬)×0.5 m(高)，在擴大基礎底層鋪設二層縱橫均為φ12@20 cm的鋼筋網片，間距為20 cm)；鋼管樁橫橋向布置3根/排，鋼立柱底與承臺預埋的鋼筋固結；貝雷桁架采用中國標準321軍用桁架梁搭設，箱梁橫斷面鋪設14排桁架縱梁；鋼管樁頂部橫梁采用I36～56工字鋼拼接而成。貝雷桁架支架搭設先架立鋼管樁立柱，鋼管樁立柱自由長度≤15 m；靠墩柱鋼管樁每隔6 m與墩柱連接一道[10聯系桿；中支墩為單排鋼管樁立柱，同樣采取隔6 m將三根立柱連接成整體，鋼管樁立柱頂、底部均需要澆筑60 cm高度鋼筋混凝土；鋼管樁橫梁采用邊墩3I36a、中支墩為4 I56a，橫梁長度為12 m，橫梁頂部墊塊16×1 cm鋼板；貝雷縱梁整體長度為36 m，采取兩排為一組，中間每隔3 m用支撐架連接一道，平面布置好后沿橫橋向斷面采用[10槽鋼將14排桁架再度連接成整體。圖1為第4跨箱梁支架立面圖。

圖1 箱梁支架立面(單位:m)

3 支架計算

本文主要分析貝雷桁架和鋼管樁立柱的力學性能，碗口滿堂支架部分比較簡單，在此不做闡述。

3.1 貝雷桁架縱梁

321標準軍用貝雷桁架自重G=270kg/片，沿箱梁橫橋向總共分布14排桁架。箱梁模板系統重量g1=19.28kN/m。施工荷載g2=2kN/m2，振搗混凝土產生的荷載荷載g3=2kN/m2，對荷載g2、g3橫橋向按1 m考慮。碗扣支架立桿平均按3 m長度計算自身重量，則g4=1.29kN/m。貝雷桁架自重g5=12.6kN/m，箱梁混凝土荷載g6=167.71kN/m(圖2)?？偤奢dq總=g1+(g2+g3)×1+g4+g5+g6=204.88kN/m。

圖2 貝雷桁架混凝土荷載計算簡圖(單位:mm)

根據箱梁支架整體立面布置情況，貝雷桁架縱梁為17.5 m×2兩跨連續梁驗算承載力。由于箱梁橫橋向荷載分布不均，計算桁架受力時予以分段驗算，取荷載最大部位作為控制依據，由圖3可知③～⑥號貝雷桁架受力最大，4排合計分擔荷載所占箱梁整體荷載比例為：β=2.03÷5.76=0.352。

圖3 箱梁橫斷面荷載拆分計算簡圖

由于ABC跨屬于超靜定結構，根據變形量互等原理可得5qL4/384EI=PbL3/48EI，解出Pb=0.625qL。由q=β×q總=72.12kN/m和L=35m得出各支點反力：Fb=Pb=1577.63kN，Fa=Fc=473.29kN?？缰凶畲髲澗豈1=1546.07kN·m；支點最大負彎矩Mmax=2760.84kN·m；容許彎矩[M]=3152kN·m≥Mmax，彎矩富余系數μ=[M]/Mmax=1.14。最大剪力Qmax=Pb/2=788.82kN，容許剪力[Q]=980.8kN≥Qmax。

根據兩跨均布荷載連續梁跨中最大撓度計算公式：fmax=0.521qL4/100EI=16.7mm；而允許撓度[σ]=L/400=44.7mm。貝雷桁架縱梁強度、剛度滿足要求。

3.2 工字鋼橫梁

箱梁貝雷桁架邊支墩采用3I36a工字鋼橫梁；中支墩采用4I56a工字鋼橫梁。根據荷載承受最大部位，驗算中支墩貝雷桁架橫梁構件。為使得計算過程簡化，用P1替代p1+p2、P2替代p3+p4、P3替代p5+p6、P4替代2p7，如圖4所示，由于2P1+2P2+2P3+P4=0.625q總L=4481.75kN，計算由貝雷縱梁傳遞的荷載得：P1=326.79kN、P2=P3=789.75kN、P4=669.15kN。

圖4 工字鋼橫梁受力計算簡圖

工字鋼橫梁屬于超靜定結構，根據變形量互等原理可得：∑P×a(3L2-4a2)÷24EI-P1×a1L2÷8EI=(Fb-P4)L3/48EI。解得鋼管樁中間支點反力Fb=1208.07kN，邊支點反力Fa=Fc=1636.84kN。支點最大負彎矩Mmax=P1×a1=588.22kN·m；彎曲應力σ=M/4W=62.8N/mm2≤[σ]=145MPa；最大剪力Qmax=Fa-P1-P2/2=915.18kN；剪應力τ=QS/4Itw=38.37N/mm2≤〔τ〕=85MPa。工字鋼橫梁強度滿足要求。為預防工字鋼橫梁局部壓應力導致失穩，需要在相應的貝雷縱梁與鋼管樁支點處加設加勁鋼板。

3.3 鋼管樁立柱

鋼管樁立柱承擔自工字鋼橫梁傳遞荷載，由工字鋼橫梁計算結果可知，在貝雷桁架17.5 m×2連續梁中支墩部位荷載最大，則直接取該處鋼管樁進行驗算承載力。

鋼管樁外直徑φ=100cm，管壁厚度δ=8mm，鋼管樁自重按20 m長度取值，則g1=20×195.7/100=39.2kN；加上橫梁傳下來的力，鋼管樁承擔最大豎向荷載Nmax=1636.84+39.2=1676.04kN。長細比λ=L/r=1500÷35.1=42.7，查出彎曲系數ψ=0.935，軸向容許壓應力[σ]=140MPa，得出[N]=ψ×[σ]×A=3263.6kN>N=1676.04kN，強度滿足要求。

為確保鋼管樁上下支點受力均勻，在頂底部分別澆筑60 cm高度處C20鋼筋混凝土協助局部荷載均勻擴散，同時基礎底部需要與臨時基礎或承臺面進行有效固結以限制活動。

3.4 臨時中支墩基礎

連續梁中支墩基礎尺寸為9 m×2.8 m×0.5 m，中支墩基礎采用C20鋼筋混凝土澆筑，頂、底板分別分布一層φ12@200 cm鋼筋網片。臨時中支墩基礎承擔自鋼管樁立柱傳遞荷載，貝雷桁架17.5 m×2 m連續梁中支墩部位豎向荷載F1=N=1636.84×2+1208.07+39.2×3=4699.35kN

4 支架施工監測

在澆筑箱梁混凝土的過程中，箱梁支架進行全程監控，主要觀測貝雷桁架縱梁繞度變化及中支墩地基沉降情況。一跨支架設置5個觀測面，每個觀測面設置7個觀測點，前后觀測面14片縱梁隔片錯開設置，縱橋向觀測面布設如圖5所示。觀測方法是從混凝土開始澆筑起每隔2 h觀測一次，直至混凝土澆筑結束。箱梁混凝土澆筑前先在桁架縱梁標記出觀測點位置，并用7#鐵絲懸掛好吊筋，鋼筋底部距離地面約20 cm；觀測鐵絲保持豎向垂線狀態，并且不得卷曲或打結；在線垂相應地面預埋好鋼筋頭，與觀測吊筋底部錯開20 cm，做好地面鋼筋頭防碰措施；預先用水平儀觀測好地面的鋼筋頭標高，標出吊筋與地面預埋鋼筋相對位置記號；箱梁混凝土澆筑過程直接觀測吊筋與地面預埋鋼筋記號相對錯開尺寸即為支架下沉數據。在整個施工過程中，支架下沉最大為10.3 cm，小于理論計算值，表明支架體系安全性滿足要求。

圖5 貝雷桁架支架沉降觀測示意(單位：m)

5 施工注意事項

貝雷桁架支撐架螺栓連接牢固，每組貝雷桁架均要用槽鋼縱橋向每道間隔3 m上、下各連接一道，假如采用與支撐架焊接方式則每個接觸點焊接長度不小于2 cm，貝雷桁架上方每個臺階橫橋向分配方鋼與貝雷桁架最少連接一道，其中方鋼與貝雷桁架連接鐵絲采用8字形綁扎不少于7處，同時桁架上的碗扣支架每個臺階同樣需要采用桿件連接成整體。鋼管樁立柱與工字鋼橫梁接觸面注意保持充分，架設工字鋼時采用鋼管樁頂部座漿方式。工字鋼橫梁與貝雷桁架縱梁接觸面不能懸空，否則需要采用相應厚度的鐵板填充。貝雷連續梁支架按0.5～2 cm設置預拱，混凝土澆筑前夕，須在支架上設置沉降觀測點。

6 結束語

(1)本文結合亞環三期大橋工程實例，采用貝雷桁架和鋼立柱組合的支架形式，施工簡便、安全可靠，有效節省了施工時間和成本。

(2)對貝雷桁架縱梁、橫梁、鋼管樁立柱和基礎進行了詳細的力學分析，各部分強度和剛度均滿足要求；對支架進行施工監控，貝雷桁架撓度實測值小于理論值。

(3)貝雷桁架和鋼立柱組合形式的支架在安裝中應保證各部分連接牢固可靠。