小曲線半徑箱梁現澆貝雷支架體系應用研究

孫春輝，楊開放，牟雨龍，盧國營，馬 勇

（中電建路橋集團有限公司，北京 100048）

引言

本研究以國道G240 線臺山大江至那金段改擴建工程項目中利用鋼管樁+貝雷梁支架體系現澆錦石大橋連續箱梁渡過大江河為例，通過分析研究小曲線半徑公路橋梁特性，對比曲線橋梁“曲梁化直”與“曲梁曲做”施工，得出貝雷梁支架體系施工現澆箱梁的優勢。并通過對貝雷梁支架體系主要結構構件的理論受力計算及支架位移變形監測的對比分析，佐證了支架體系的可行性及安全性。

1 小曲線半徑線路橋梁

1.1 小曲線半徑線路橋梁特征分析

1.1.1 曲梁布置及受力情況

橋梁均是以線路左線作為設計線進行設計施工，而由于線路曲線半徑的差異導致橋墩左線與線路左中心線切線之間存在的偏距E 與偏角α 也各異，曲線半徑越小其兩者之間的偏角α 越大，偏距E 值隨之增大，橋墩中心線與線路中心線的偏差也隨之發生變化。曲線橋梁布置如圖1 簡支梁+連續梁橋曲線布置所示。

圖1 簡支梁+連續梁橋曲線布置

受曲線線路上偏角α 與偏距E 值及梁體受力情況的影響，致使小曲線半徑線路難以通過“曲梁化直”來達到對橋梁線路平面線形的控制。而曲線橋梁相較于直線橋梁而言，橋梁結構受力更為復雜多變，受梁體彎扭耦合效應的影響，橋梁梁體在線路內外側會產生受力偏差：恒載作用下，線路內側梁體卸載線路外側梁體超載；活載作用下線路內外側支座反力也容易出現分布不均的問題[1]。

1.1.2 曲梁呈現形式變化

就橋型而言，曲線橋梁相較于直線橋梁最直觀的差異就在于線路內外側梁長的不同，如圖2 曲線梁長變化所示。

圖2 曲梁梁長變化

小曲線半徑橋梁因受曲線半徑R 及梁寬B 的影響，橋梁內外側梁長不等，梁體整體呈現出弧形構造，內外側梁長也隨梁寬B 及曲線半徑R 的變化而改變：

式中：lw為曲線橋梁外側梁長；ln為曲線橋梁內側梁長；lz為曲線橋梁中軸線長；R 為曲線半徑；B 為梁寬。通過表1 對常見曲線半徑下橋梁梁長差異的分析可得知，對于同一片箱梁，曲線半徑越小，其內外側梁長偏差越大，曲梁預制的難度也越大，后期架設精度控制的難度也越高。

表1 常見曲線半徑下橋梁梁長對比

1.2 小曲線半徑橋梁“曲梁曲做”

對于曲線橋梁而言，“曲梁化直”與“曲梁曲做”這兩種設計施工理念均是針對優化橋梁線性這一目的，但兩者卻對應著不同的線路類型及施工方法。“曲梁化直”即為將橋梁線路曲線看作由若干個直梁架設組成，而“曲梁曲做”則可視為是將橋梁按照設計曲線原位現澆成型。

“曲梁化直”這種理念主要應用于曲線半徑緩、線路里程長的橋梁當中，通過支座位置的偏移布置達到將直梁轉為曲線橋梁線路的目的；而“曲梁曲做”主要應用于曲線半徑急、線路里程短或曲線線路上某些特殊結構橋梁施作。

2 貝雷梁支架在“曲梁曲做”橋梁中的優勢

因受偏距及偏角的影響，在小曲線半徑線路上架設箱梁難以達到對線路線形的精確把控。而貝雷梁支架現澆連續梁因平面線形流暢、高程位置平穩過渡的優勢，在小曲線半徑現澆橋梁中得到廣泛應用。其解決了小曲線半徑現澆連續箱梁因橫坡較大、扭矩較大而難以完成施工的問題[2]，達到了曲線線路橋梁平順渡河的目的。另外，鋼管樁貝雷梁支架為整體結構，不需要進行基礎處理，支架整體安全可靠[3]。

3 工程應用實例

國道G240 線臺山大江至那金段改擴建工程中錦石大橋跨越大江河，預制小箱梁軸線與橋梁線路中心線之間偏角過大，通過箱梁架設渡河難度大、架設精度控制難度較大，因此采用貝雷梁支架現澆連續梁渡河。本研究依托錦石大橋貝雷梁支架現澆連續梁施工進行貝雷梁支架體系的設計、分析、實際運用研究。

3.1 支架體系受力分析

3.1.1 鋼管樁穩定性分析

鋼管樁貝雷梁支架結構各構件細長、柔薄、構件輪廓尺寸小。由于構件受彎、受剪、受壓的影響，若設計及施工技術不當，可能會造成結構的整體或者局部失穩破壞。支架發生失穩破壞前的變形量可能較小，無法及時觀察預警。但當荷載加載到某一特定值后，支架變形量突增發生突然失穩破壞，因而對于支架結構的穩定性分析要達到避免支架不穩定平衡狀態的發生，而并非單單保證其所受荷載在某一特定值之下。支架發生失穩破壞的機理特性從外部表現來看為：當結構所受荷載增加到某一特定值后，較小的荷載增量卻造成了變形量的顯著增長，而實則是支架所受隨荷載作用超過各構件屈服強度造成的支架穩定性失效[4]。如圖3 荷載-位移（P-V）曲線可知：鋼管樁貝雷梁支架在荷載作用下失穩，其平衡狀態是漸變的。隨著荷載的逐漸增加，柱樁的的撓度變形也相應增加。在失穩之前，構件都處于穩定的動態平衡狀態，但當其所受荷載達到極限荷載Pu之后，構件變形迅速增加，支架結構突然崩潰[5]，導致支架發生失穩破壞。

圖3 荷載-位移（P-V）曲線

鋼管柱樁在較小軸力N 作用下，若受到側向擾動，柱樁會產生微彎，但擾動除去之后，依舊能夠保持直線狀態。當軸力N 值增大到一定程度后，在施加側向擾動，柱樁則會保持微彎，并能達到微彎平衡狀態，這也是柱樁的趨于失穩的臨界狀態，如圖4 柱樁軸壓臨界所示。

圖4 柱樁軸壓臨界

為保證柱樁在軸向力作用下不至于因側向擾動而發生失穩，臨界狀態所受的軸向臨界壓力Ncr與柱樁相應截面的應力δcr應存在以下關系：

式中：δcr為柱樁截面應力；Ncr為柱樁所受軸力；A 為柱樁截面面積；φ 為折減系數；[δcr]為歐拉穩定應力。

結合錦石大橋鋼管樁貝雷梁支架設計參數，根據式（1）計算可得：δcr=59.5 MPa＜[δcr]=140 MPa，柱樁足以滿足穩定性要求。

3.1.2 貝雷梁體系受力分析

利用U 型螺栓將321 型貝雷梁片組合構成貝雷梁體系，相鄰兩組貝雷梁片之間通過支撐架連系為一個貝雷梁組，以提高貝雷梁體系的抗彎、抗傾覆及穩定性。箱梁現澆施工中貝雷梁支架所受荷載情況見圖5（a），看作桿件受均布荷載影響，在跨中處產生最大彎矩見圖5（b）。

圖5 貝雷梁受力模型

貝雷梁支架在施工過程中所受的工況荷載可看作是一個由箱梁自重G1、貝雷梁自重G2、模板及施工荷載G3組合而成的均布荷載作用，均布荷載G=G1+G1+G3。通過計算貝雷梁支架在組合均布荷載作用下產生的跨中彎矩值，對比分析321 型貝雷梁片所能承受的最大彎矩值，以驗證貝雷梁體系的抗彎穩定性：

3.2 支架預壓監測

通過對鋼管樁+貝雷梁支架體系中主要結構構件穩定性及受力的分析，從理論上驗證了支架體系設計的可行性，本節通過監測支架預壓中支架體系位移變形來佐證支架體系的理論分析，以論證支架體系的可行性及施工安全性。

3.2.1 預壓方式

為消除支架體系的非彈性變形及測算彈性變形，并通過預壓加載監測支架位移以佐證支架體系受力分析，采用水袋注水預壓法進行3 級支架預壓，預壓總荷載為箱梁自重的1.2 倍，分級荷載按照60%→80%→100%施加。

3.2.2 支架位移變形監測

通過對支架各加載階段最不利荷載處位移變形值的監測來佐證支架體系的受力驗算，以確保支架的穩定性，通過分析布置于支架跨中及鋼管樁樁頂的位移監測傳感器的監測數據得出如表2 的數據分析。

表2 支架位移變形監測數據分析

通過對支架體系中鋼管樁頂部及貝雷梁跨中處的位移量監測數據分析可知，支架跨中處位移量遠大于鋼管樁頂部，支架體系豎向位移遠大于順橋向位移，順橋向位移可忽略不計。對比受力分析中貝雷梁支架體系在跨中處為最不利荷載作用處，可佐證支架設計方案在實際應用中安全可行[6]。

4 結論

綜合本研究對小曲線半徑線路特性的分析研究，總結得出小曲線半徑線路上的橋梁，由于箱梁的架設精度要求及架設難度過大導致難以通過箱梁架設實現橋梁渡河的目的，因此結合工程實際選用了鋼管樁+貝雷梁支架體系現澆連續梁代替箱梁架設渡河。通過對支架體系當中鋼管立柱穩定性及貝雷梁支架體系受力的分析研究，論證了支架設計的可行性，同時也為類似工程中小曲線半徑橋梁的渡線渡河施工提供了有效的施工設計經驗思路。