橋梁施工中盤扣-貝雷梁組合結構的設計與應用

王博文

（誠合瑞正風險管理咨詢有限公司 北京市 100855）

橋梁和隧道施工過程中，臨時結構設計是施工設計的重要組成部分，其安全可靠、經濟合理史影響橋隧工程施工的重要因素之一。郝晉新[1]以淮南孔李淮河大橋頂推施工為工程背景，對步履式頂推施工中的臨時結構設計進行研究，設計驗算了臨時墩及鋼箱梁的受力和變形問題；徐建強[2]重點研究了受現場場地制約和湍急河流條件的貝雷梁的索吊架設施工技術。薛芳[3]以武咸公路高架橋鋼箱梁胎架工程實例，討論了型鋼胎架的有限元結構檢算、鋼架安裝等環節中較為可行的工程措施。武道凱[4]以梁式支架為例，首先介紹了現行臨時結構設計理論對于施工活荷載的取值方法，然后從理論及實際工程兩個層面上分析了這種取值方法的保守程度，最后提出了梁式支架施工活荷載的合理取值方法。王鵬[5]以跨京杭運河大橋為例，采用可靠度方法研究了采用支架法施工過程中橋梁暫態結構的安全性，完善了施工過程安全分析分析方法。劉明虎[6]以港珠澳大橋青州航道橋為例，在抖拉橋上部結構雙懸臂施工時，采用臨時拉索平衡結構體系代替傳統的臨時墩來抵抗不平衡荷載作用，結果表明該方法可以以增大懸臂抵抗不平衡載荷作用、提高橋梁抵抗動風荷載作用的能力，降低施工期的抖振響應。針對不同橋隧和不同的施工環境，需要有不同的臨時結構，本文以貴州安順某橋梁為例，研究該橋梁臨時結構的設計。

1 工程概況

四川省成都市某大橋0號墩~2號墩為一28.36 m+28.36 m預應力混凝土連續梁，梁寬為12.3 m，該橋梁體高為1.8 m，所需支架最大高度為22 m，由于該橋梁底高度整體不大，采用支架現澆法施工，擬采用盤扣+貝雷梁+鋼管柱組合結構支架，鋼管立柱下為鋼筋混凝土條形基礎，該臨時結構一排立柱位于以土質邊坡上，土質為紅粘土，該臨時結構的設計關鍵是在于準確確定各個鋼管柱的軸力，并設計時要注意邊坡的安全性。

2 臨時結構設計參數

底模采用15 mm厚竹膠板，腹板及底板倒角下方木（10 cm×10 cm）縱橋向布置，間距為10cm，底板下間距為20 cm；單I10工字鋼均橫橋向布置，縱向間距為1.2m。盤扣在橫向設13根，自梁斷面中心對稱分布，自左向右間距為：1.5 m+0.6 m+0.6 m+1.2 m+1.2 m+0.6 m+0.6 m+1.2 m+1.2 m+0.6 m+0.6 m+1.5 m，縱向間距為1.2 m。盤扣架下為雙拼I10工字鋼做分配梁，縱向間距為1.2 m；下設貝雷梁17榀沿縱向布置，貝雷梁坐落在雙拼40 A的工字鋼上，工字鋼下設直徑為630 mm、壁厚為10 mm的鋼管柱，鋼管柱下設鋼筋混凝土條形基礎，在梁的小里程位置有一個邊坡，由于地形限制，臨時結構的柱支架放置在邊坡上，設置詳見設計圖1。

圖1 臨時結構設計圖

3 臨時結構設計驗算

3.1 計算模型

為了增加計算的準確性，結構計算采用Midas計算軟件進行整體建模分析。計算模型如圖2所示。

圖2 整體計算模型

3.2 梁底盤扣系統計算結構

3.2.1 竹膠板和方木計算結果

根據有限元計算結果，竹膠板最大彎曲應力為1.75 MPa，小于設計強度24 MPa，滿足強度要求；竹膠板最大擾動為0.1 mm，小于容許撓度0.5 mm。

方木最大彎曲應力為：5.66 MPa，小于設計強度13MPa，最大撓度為0.84 mm，小于容許撓度的設計值：3.0 mm。

3.2.2 盤扣架上方I10小工鋼計算結果

盤扣架上I10號工鋼最大彎曲應力為σ=184.5 MPa<215 MPa，滿足要求。

最大剪切應力為：τ=124.4 MPa<125 MPa，滿足要求。

10號I鋼的位移最大值為：δ=1.2 mm<1200 mm/400=3 mm，滿足要求。

3.2.3 盤扣支架強度計算

根據有限元計算結果，盤扣支架最大載荷為：N=73 kN；

立桿長細比：λ=l i=1800/20.1=89.6＜150，滿足要求。查表得，軸心受壓桿件穩定系數φ=0.554。立桿強度滿足式（1），穩定性滿足要求。

3.2.2 盤扣支架下方的分配梁（雙工10）計算結果

強度組合下的最大應力為98.6 MPa<215 MPa，滿足要求。最大剪應力為：τ=79.2 MPa<125 MPa，滿足要求。

3.3 梁底貝雷梁計算結構

3.3.1 弦桿和斜桿強度計算

貝雷梁的弦桿的最大軸力為256 kN<560 kN，滿足要求。斜桿的最大軸力為159 kN<171.5 kN，滿足要求。

3.3.2 豎桿強度計算

豎桿的最大軸力為211.8 kN>210 kN，但沒有超過5%，滿足要求，但要注意最大值分布的位置，必要時進行豎桿加強。

3.3.3 撓度計算

貝雷梁撓度最大為18.2 mm<12000/400=30 mm，滿足要求。

3.4 鋼管立柱計算結果

強度組合立柱反力（或強度組合的立柱軸力圖）如圖3所示。

圖3 鋼管立柱支反力（強度組合）

安裝支架立柱時，考慮安裝誤差及偏心，偏心距為5 cm。

3.4.1 考慮偏心的強度分析：

根據以上計算結果，考慮偏心狀態下立柱的強度計算，結果如式（2）

3.4.2 穩定計算的強度分析：

取μ=1，l=22 m，得：i=0.211 m，λ=61.6，查表得：φ=0.797；計算Ne如式（3）

根據以上計算結果，確定柱子的穩定應力如式（4）所示。

鋼管柱穩定性滿足要求。

4 邊坡穩定性驗算

該邊坡第一平臺處高為9.5 m，土質為紅黏土類，根據現場勘察，該土物理力學參數如表1所示。

表1 物理力學參數

根據以上計算結果，確定作用在邊坡上鋼管柱下基礎基地應力為115 kPa，當地紅黏土的地基承載力特征值為135 kPa，若邊坡不發生滑動破壞，該邊坡地基承載力應滿足要求。因此需要驗算邊坡的穩定性。

采用極限平衡法確定邊坡穩定性安全系數如圖4所示。計算所得最小安全系數為0.785，不滿足安全要求，需要加固邊坡。

圖4 加固前邊坡的穩定計算結果

為了增加邊坡的穩定性，同時加固鋼筋混凝土條形基礎下的地基承載力，在條形基礎下設置單排抗滑樁，樁體采用φ108 mm的鋼管樁，間距為1 m，布置在條基中心，加固后的邊坡的穩定性計算如圖5所示，計算所得最小安全系數為1.249，滿足《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）對臨時邊坡安全系數要求不小于1.20的要求。

圖5 加固后邊坡的穩定計算結果

5 結論

采用整體有限元模型對現澆支架體系進行了分析，結論如下：

（1）采用MIDAS建立整體模型分析，能準確地計算出臨時支架受力較大的部位，便于確定臨時結構施工風險較大和需要重點監控的位置，為臨時結構安全施工提供依據。

（2）盤扣支架體系滿足強度和變形要求；但盤扣架上方部分位置單I10抗剪偏弱，建議注意該位置的施工質量。

（3）貝雷梁斜桿、弦桿滿足強度和變形要求，但是豎桿部分位置較弱，建議該位置加強豎桿，避免貝雷梁剪壞；

（4）邊坡穩定不能滿足要求，采用鋼管樁進行加固，即可以提高地基承載力，同時起到抗滑樁的作用，經計算，加固后的邊坡穩定性滿足要求。