豐臺站鋼管支柱與貝雷梁組合支架分析研究

祁鵬宇

(中鐵六局集團天津鐵路建設有限公司，天津 河北區 300143)

0 引 言

貝雷梁以其架設輕便迅速、機動性強、施工方便同時又可以用于復雜地形條件下的特點被廣泛應用于橋梁、高架等工程項目中[1]。鋼管支柱與貝雷梁結合的支架體系具有強度高、受力傳遞途徑清晰、穩定性好、經濟效益高等優點[2]。

貝雷梁雖然是臨時結構，但在支架體系中承受了大部分的力，其力學性能直接關系到整個工程的質量和安全。因此在設計施工方案時要著重考慮貝雷梁的強度、剛度和穩定性。本文主要針對豐臺站鋼管支柱與貝雷梁組合支架的設計施工進行分析，以保證施工過程安全。

1 工程概況

豐臺特大橋框架柱梁板結構共計20個結構單元，長度1 507 m，施工里程為J2K8+603至J3K10+110。框架柱梁板結構分為2個區段，一區段為J2K8+603-J3K9+869，1單元至18單元，長度1266 m，位于北京市豐臺區西四環與新建豐臺站房之間；二區段為J3K9+989至J3K10+110，W1、W2單元，長度121 m，位于北京市豐臺區西四環外側。

豐臺特大橋高架平臺采用框架柱網結構，基礎為鉆孔灌注樁，直徑1.0 m、長度20～25 m；擴大承臺基礎，承臺尺寸為6.0 m×6.0 m×2.0 m和4.5 m×8 m×2.7 m；墩柱為矩形框架柱網結構，柱截面尺寸為2.0 m×1.7 m和1.5 m×1.7 m，中間設置夾層系梁，系梁截面尺寸為1.0 m×1.4 m和1.0 m×0.9 m，墩柱受下層普速車場影響，框架結構柱軸距縱向規則，橫向不規則，縱向柱距為20 m，橫向柱距根據普速車場線路情況，柱距最大為15 m；梁體為縱橫梁板結構，主梁截面為1.5 m×3.0 m，次梁截面為0.8 m×2.2 m，板厚墩分別為0.35 m和0.45 m。高層框架結構板的縱向單元長度為30～110 m，橫向向站內分為京廣場及京石場為兩部分，寬度30～90 m。 箱梁現澆支架如圖1所示。

圖1 現澆支架布置圖

鋼管柱采用直徑φ800 mm、壁厚20 mm自帶法蘭端口封閉的定尺構件，大部分設置在承臺上，懸挑部分設置在內配置鋼筋的獨立基礎上(C20,2.5 m×2.5 m×1 m)，支撐體系鋼管柱橫向間距3～10 m不等，縱向最大間距15 m，鋼管柱間采用16#槽鋼做為剪刀撐，上下間距4 m。柱頂設置雙拼900×300H型鋼橫梁(Q345材質)，H型鋼進行加強處理，H型鋼腹板外側貼(600×10) mm通長鋼板，間隔1.0 m增設豎向肋板，增加H型鋼整體剛度及穩定性。橫梁上布置321/HD200標準貝雷梁縱梁，5片貝雷梁為一組，縱梁下貝雷梁間距為0.45 m，板下貝雷梁間距為0.9 m。貝雷梁上搭設盤扣支架，盤扣支架搭設高度橫梁區域為2.0 m，縱梁區域為2.8 m，板區域為4.65 m。

2 模型建立

2.1 計算模型及參數

鋼管柱、縱梁、橫梁均采用梁單元模擬。鋼管柱底端采用固定約束，縱梁與橫梁接觸處采用只受壓彈性連接。現澆支架的整體計算模型如圖2所示。

圖2 現澆支架模型圖

計算參數見表1和表2。

表1 材料許用應力表(單位：MPa)

表2 貝雷片理論容許內力表

2.2 荷載確定

2.2.1 縱梁及板荷載

根據梁的截面面積計算，混凝土比重取26 kN/m3，荷載直接施加在小橫梁上，小橫梁間距0.9 m。荷載布置如圖3所示。

圖3 荷載布置示意圖

2.2.2 橫梁荷載

橫梁高度3.0 m，寬度1.5 m；橫梁處貝雷梁上小橫梁間距為0.6 m,橫梁線荷載：q=3×1.5×26/4=29.25 kN/m；施工荷載：2.5 kPa；模板荷載：2.0 kPa；盤扣支架荷載：4.0 kPa；結構自重荷載：采用MIDAS/Civil軟件建立整體計算模型，結構自重按實際構件重量取值，并考慮連接板及焊接件重量，取1.1倍自重。

2.2.3 風荷載

根據《建筑荷載設計規范》[4]，項目所在地位北京市豐臺區，其重現期為10年和100年的基本風壓分別為0.3 kPa和0.5 kPa，施工選用20年重現期的基本風壓,按下式計算：

x20=x10+(x100-x10)(lnR/ln10-1)=0.36kPa

(1)

得出對應的基本風速v0=1600x20=24m/s，根據《公路橋梁抗風設計規范》[5]，風荷載按下式計算：

FH=12ρV2gCHH

(2)

Vg=GvVd

(3)

Vd=K1V10

(4)

式中:FH為作用在主梁單位長度上的靜陣風荷載，N/m；ρ為空氣密度，kg/m3，取1.25；CH為主梁的阻力系數；H為主梁投影高度，m；V10為基本風速，V10=24m/s；Vd為高度Z處的設計基準風速，m/s；K1為風速高度變化修正系數，按20 m高、地面粗糙度類別C取值，K1=0.92；Vg為靜陣風風速，m/s；Gv為靜陣風系數，加載長度100 m，取Gv=1.41。則:

Vg=GvVd=1.41×22.08=31.1 m/s

(5)

Vd=K1V10=0.92×24m/s=22.08 m/s

(6)

貝雷梁實面積比=桁架凈面積桁架輪廓面積=1.2034.68≈0.3，則迎風桁架的風載阻力系數CH=1.7。由式(7)得到貝雷梁風壓。

FHH=12ρV2gCH=12×1.25×31.12×1.7=1028 kPa

(7)

對于n片型式相同且彼此等間距布置的等高結構，應考慮多片結構的重疊擋風折減作用，結構的總迎風面積按式(8)計算。

A=(1+η+η2+…+ηn-1φA0=1-ηn1-ηφA0

(8)

式中：η為擋風折減系數，η=0.4；φ為桁架迎風面充實率，φ=0.30。貝雷梁的總迎風面積和總風荷載見式(9)和(10)，盤扣支架的總迎風面積和總風荷載見式(11)和(12)。

A=1-ηn1-ηφA0=1-0.4751-0.4×0.3×20×1.5=15 m2

(9)

F=FHH×A=1.028×15kN=15.4kN

(10)

A=1-ηn1-ηφA0=1-0.4501-0.4×0.15×20×6.0=30 m2

(11)

F=FHH×A=1.028×30=30.8 kN

(12)

模板所承受的風荷載見式(13)，總計單跨立柱所受風荷載大小見式(14)。其中，貝雷片和盤扣支架的風荷載加載在樁頂大橫梁上。

F=FHH×A=1.028×2.2×20=45.2 kN

(13)

F=15.4+30.8+45.2=91.4 kN

(14)

3 支架受力分析

3.1 鋼管支架及分配梁計算

3.1.1 大橫梁計算結果

分配梁采用2HN900×300，Q345B材質，為了增加在截面的抗剪承載力,在H形鋼的腹板上貼焊600 mm×10 mm鋼板。樁頂大橫梁內力如圖4所示。

圖4 大橫梁內力圖

從圖4(a)可知，橫梁最大彎矩為：Mmax=3 144 kN·m。最大彎曲應力σmax=MW=3 144×10618 777 418=167 MPa<[σ]=210 MPa，從圖4(b)可知橫梁最大剪力Qmax=2 363.9 kN，最大剪應力τmax=QSIb=2 363.9×103×11 190 3942×(16+10)×8 449 838 305=60 MPa<100 MPa，滿足要求。

3.1.2 小橫梁計算結果

小橫梁采用140×80×3，小橫梁內力圖如圖5所示。

圖5 小橫梁內力圖

由圖5可知，最大彎曲應力106.4 MPa，小于允許應力145 MPa，最大剪應力27.1 MPa，小于允許剪應力80 MPa，受力均滿足要求。

3.1.3 鋼管柱計算結果

如圖6所示。

圖6 鋼管柱內力圖

由圖6可知，鋼管柱最大應力為129.9 MPa<140 MPa，滿足要求。鋼管最大軸力：N=3 686 kN，鋼管最大彎矩M=M2y+M2z=147.6 kN·m。

3.2 支架基礎驗算

根據4.1的計算，現澆支架臨時墩基礎的反力如圖7所示。

圖7 鋼管柱支點反力(單位：t)

由圖7可以看出,擴大基礎臨時墩鋼管立柱最大反力為173 t。根據地質資料相關參數，本工程地基底面位于粗圓礫土上，其地基基本承載力σ0=250 kPa，由于其頂面為3.0 m左右素填土，計算時考慮埋深2.0 m，因此計算時只考慮地基的深度修正，不考慮寬度修正，修正后的地基承載力見式(15)。

fa=fpk+ηdγ(d-0.5)=250+3.0×17×(2-0.5)

=326kPa

(15)

地質情況見表3。

表3 地質層參數

地基承載力計算如式(16)所示，滿足要求。

pk=F+GA=1 730+6.25×1×256.25

=302 kPa

(16)

3.3 盤口支架驗算

由于貝雷梁頂面采用盤口支架，支架布置形式大部分與滿堂盤扣支架一致，只是面板處有所不一樣，因此只需要驗算面板的盤扣支架。

3.3.1 荷載計算

立桿縱向間距為1.5 m，橫向間距為1.2 m。梁體重量：0.35×1.5×1.2×26=14.5 kN；模板重量：3×1.5×1.2=5.4 kN；施工荷載：2×1.5×1.2=3.6 kN；混凝土振搗：2×1.5×1.2=3.6 kN；風荷載對立桿產生的彎矩：Mw=(0.9×1.4ωklah2)/10=(0.9×1.4×0.43×1.2×1.52)/10=0.15 kN·m；不組合風荷載：N=1.2×(14.5+5.4)+1.4×(3.6+3.6)=34 kN；組合風荷載：N=1.2×(14.5+5.4)+0.9×1.4×(3.6+3.6)=33 kN。

3.3.1 立桿穩定性檢算

根據《建筑施工承插型盤扣件鋼管支架安全技術規程》[6]的規定，模板立桿的計算長度取下面中的較大值；

l0=ηh

(17)

l0=h′+2ka

(18)

式中:l0為支架立桿計算長度，m；a為支架可調托座支撐點至頂層水平桿中心線的距離；h為支架立桿中間層水平桿最大豎向步距，m；h′為支架立桿頂層水平桿步距，宜比最大步距減少一個盤扣的距離；η為支架立桿計算長度修正系數，水平桿步距為0.5 m或1 m時，取值1.60，水平桿步距為1.5 m時，取值1.20；k為懸臂端計算長度折減系數取值0.7。

本次檢算中a取值0.3 m；h取值1.5 m；h′取值1.0 m；η取值1.20；k取值0.7。得到l0=ηh=1.2×1.5=1.8 m，l0=h′+2ka=1.0+2×0.7×0.3=1.4 m。綜上，本次檢算中取l0=1.8 m。檢算時，根據《建筑施工承插型盤扣式鋼管支架安全技術規程》[6]的規定，檢算分為:

不組合風荷載時：

NφA≤f

(19)

組合風荷載時：

NφA+MwW≤f

(20)

式中：Mw為立桿段由風荷載設計值產生的彎矩，按照式Mw=0.9×1.4Mwk=(0.9×1.4ωklah2)/10計算，其中la為立桿縱距；f為鋼材的抗拉，抗壓，抗彎強度設計值；l0軸心受壓構件的穩定系數；W立桿截面模量；A立桿的截面積。

本次檢算中，取Mw=0.9×1.4ωklah2)10=0.9×1.4×0.43×1.2×1.5210=0.15 kN·m；根據l0=1.8 m，i=2.01 cm,確定λ=180/2.01=90，查規范[6]附錄D，φ=0.550。

由式(19)(20)可得，不組合風荷載時的最大值N=34 kN；組合風荷載時的最大值為N=33 kN；不組合風荷載：NφA=34 0000.55×571=108 N/mm2

3.4 支架預拱度設置

現澆支架的預拱度設置包括兩部分，第一部分為支架的變形(有包括彈性變形和非彈性變形)，第二部分為現澆梁結構預拱度。此部分只計算第一部分。根據前面的計算可知，貝雷梁的跨中最大變形為51 mm。支架預拱度需在鋼管樁頂部設置3 mm，支架跨中設置51 mm，之間采用二次拋物線布置。

4 結語

本文采用MIDAS軟件建立了鋼管支柱與貝雷梁的組合支架模型，并將計算得到的設計荷載施加于組合支架模型中，詳細檢算了豐臺站鋼管支柱與貝雷梁的組合支架的強度與穩定性等。

(1)貝雷桁架梁的最大軸力為294 N，小于容許軸力560 N；總豎向變形為48 mm，支架預拱度需在鋼管樁頂部設置3 mm，支架跨中設置51 mm。各項指標均滿足施工要求。

(2)通過分析得到貝雷梁桁架梁、鋼管支架及分配梁、支架基礎、盤口支架的強度、剛度和穩定性均滿足施工要求，證明采用鋼管支柱與貝雷桁架的組合支架體系是可行的。