單跨雙層貝雷梁支架在高墩橋梁現澆施工中的應用

張 振 （合肥信睦工程建設有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

在橋梁建設過程中，支架現澆法是一種常用的施工方法，主要分為滿堂支架和貝雷梁鋼管柱梁式支架，后者常用于地基承載力較差、山區、高墩梁、上跨道路等施工條件復雜的工況下，甚至特殊情況下采用雙層貝雷梁作為橋梁現澆施工支架[1]。隨著有限元法的推廣和應用，利用計算機輔助計算進行復雜結構分析以及貝雷梁鋼管支架現澆施工技術得到了廣泛的應用和發展。

本文就是利用Midas Civil軟件對貝雷梁鋼管支架進行受力分析，從而確保雙層貝雷梁鋼管支架結構的可靠性[2]。

2 工程概況

新建銀西鐵路蒿店村大橋總長400.88m，采用（48+2×80+48）m 連續梁+4-32m 簡支梁。簡支梁截面類型為單箱單室等高度簡支箱梁，梁長32.6m，橋梁寬12.6m，采用現澆施工。

橋址位于西北黃土地區深谷之中，地形陡峭，橋址處地面高程在960～1020m，相對高差約為60m。若采用傳統單層貝雷梁+中支墩支架體系，大橋4#墩～5#墩之間現澆支架中支墩高達40m，施工費用高、安全風險大。通過技術方案創新及力學分析，研究采用一種單跨雙層加強型貝雷梁支撐體系。該支撐體系一孔跨越橋墩之間，避免了陡峭地形環境下中支墩施工的安全風險，確保大橋施工安全。

3 支架總體布置

蒿店村大橋主橋4#～7#墩之間簡支梁采用單跨雙層加強型貝雷梁支架現澆施工，鋼管立柱設置在橋墩承臺上，跨中不設中支墩，如圖1 所示。貝雷梁采用加強型弦桿，貝雷梁與鋼管立柱一起構成32m簡支梁施工的承重系統。

圖1 貝雷梁支架總體布置圖

圖2 剪刀撐立面布置圖（單位：cm）

圖3 剪刀撐平面布置圖（單位：cm）

4 支架設計及施工

貝雷梁鋼管支架立柱均采用φ600×8mm 螺旋鋼管，每排設置5 根，間距2.3m，立柱之間設置[20a 剪刀撐，剪刀撐豎向設置間距為3.0m，鋼管立柱與橋墩之間設置[20a 型鋼連墩件，豎向每隔5m設置一道。

立柱頂部設置50cm 高砂筒用來調整標高和落梁，砂筒上部為雙拼2I45b工字鋼橫向分配梁，分配梁上部設雙層加強型貝雷梁，貝雷片橫向布置為2×0.90m+6×0.45m+3×0.90m+6×0.45m+2×0.90m，共20 片。貝雷梁上部設置I16 工字鋼分配梁，如圖4 所示，箱梁底板及翼緣板下設置定型鋼模，本文不涉及定型鋼模的相關受力分析。

圖4 貝雷梁斷面布置圖（單位：cm）

圖5 貝雷梁強度驗算（單位：MPa）

圖6 剛度驗算（單位：mm）

圖7 柱頂橫梁組合應力計算結果（單位：MPa）

圖8 柱頂橫梁剪應力計算結果（單位：MPa）

充分利用承臺作為鋼管立柱基礎，承臺預埋20mm 厚鋼板及φ20mm 地腳螺栓，立柱與基礎采用法蘭連接。

5 有限元分析

5.1 荷載選取

貝雷梁最大計算跨徑為32m，貝雷梁橫橋向平均間距腹板下為45cm，底板和翼緣下為90cm，以此計算每片貝雷梁荷載。

根據相關規范，需要考慮的計算荷載包括如下。①混凝土自重：按26kN/m3計算。②模板及支架結構自重：支架結構自重軟件自動生成，箱梁定型鋼模自重3.0kN/m2。③施工機具及人行荷載：計算支撐模板的縱橫梁時，取1.5kN/m2；計算支架立柱及其他結構時取1.0kN/m2。④振搗荷載：豎向荷載2.0kN/m2。⑤澆筑沖擊荷載：2.0kPa。

采用承載能力極限狀態法計算，荷載組合系數的恒載取1.2、活載取1.4。

5.2 建立模型

根據支架設計方案、材料特性及荷載取值，利用Midas Civil 有限元分析軟件建立鋼管貝雷梁支架模型。各構件均采用梁單元，貝雷片材料選用16Mn，貝雷梁支撐架、鋼管立柱、柱頂橫梁材料選用Q235b。貝雷梁與柱頂橫梁支點采用彈性連接，柱頂橫梁與鋼管柱頂采用剛性連接。貝雷梁之間通過銷軸連接，因此，需要釋放梁端約束，選用鉸接。貝雷梁支座處增加設置2[10 雙拼槽鋼作為加強豎桿。荷載加載于I16 橫向分配梁上，采用單元荷載[3]。

5.3 計算結果

5.3.1 貝雷梁受力分析

貝雷梁計算結果詳見表1。計算結果表明，與設計值相比較，貝雷梁各構件最大彎曲應力、剪應力及剛度均滿足規范要求。

表1 貝雷梁計算結果匯總表（單位：MPa）

雙層貝雷梁最大組合應力位于腹板下跨中下弦桿，最大剪應力位于支座弦桿。考慮實際施工中可能存在材料、安裝等因素，施工中應確保兩層貝雷梁之間有效連接，保證整體穩定性；貝雷梁端部支座處設置2[10 雙拼槽鋼加強豎桿并確保與弦桿焊接牢固，提高抗剪能力；貝雷梁底用支撐架進行水平方向連接，增強貝雷梁整體穩定性。

5.3.2 柱頂橫梁受力分析

最大組合應力153MPa＜[f]=215MPa，最大剪應力86MPa＜[fv]=125MPa，滿足規范要求。柱頂橫梁最大組合應力位于柱頂橫梁懸挑段根部，最大剪應力位于柱頂橫梁腹板作用位置。

實際施工過程中，應嚴格控制柱頂橫梁懸挑段長度，如需增加挑段長度，應在鋼管柱頂和橫梁端部設置斜撐。

5.3.3 鋼管立柱受力分析

鋼管立柱最大組合應力125MPa，滿足規范要求，最大組合應力位于腹板對應樁的頂端，如圖9所示。

圖9 鋼管柱應力計算結果（單位：MPa）

5.3.4 支架立柱穩定性分析

鋼管截面積A=14879mm2，慣性距I=6.512×108mm4，根據模型計算鋼管最大軸力F=1756kN，最大彎矩Mx=57kN·m，如圖10所示。

圖10 鋼管柱內力計算結果

圖11 一階屈曲模態

圖12 剪刀撐大樣圖（單位：mm）

計算時鋼管底部采用固定約束，施工最下層剪刀撐距離承臺頂不大于5.0m，因此長細比計算長度取5.0m。鋼管的回轉半徑i=209mm，則長細比λx=2L/i=2×5000/209=47.8，按b類截面查表得穩定性系數φx=0.866，βmx=1.0。

單肢立柱穩定性滿足規范要求[4]。

5.3.5 整體穩定性分析

采用彈性屈曲分析方法驗算鋼管立柱整體穩定性。

計算荷載：支架自重+混凝土澆筑荷載+施工機具及人群荷載+混凝土澆筑振搗荷載+混凝土澆筑沖擊荷載，設活載系數為k、程序計算整體屈曲系數為λ[5]。

則屈曲荷載=λ[支架自重+k×（混凝土澆筑荷載+施工機具及人群荷載+混凝土澆筑振搗荷載+混凝土澆筑沖擊荷載）]。

鋼管立柱整體穩定性驗算，通過試算k，直到λ=1 時，k 值即為活載屈曲系數。

當k=9，計算得到λ=1。

根據有限元屈曲分析結果，當k=9＞2，鋼管立柱整體穩定性滿足要求。

5.3.6 剪刀撐節點驗算

剪刀撐與鋼管立柱連接可采用滿焊連接或高強螺栓連接，若采用角焊縫滿焊連接，則焊腳尺寸不小于6mm。

剪刀撐節點采用螺栓連接，選用M20 高強螺栓，節點板厚16mm，節點板與鋼管焊接，焊高8mm。

根據20m 及40m 高度支架有限元模型剪刀撐計算結果，剪刀撐斜桿最大壓力設計值為106kN，水平桿最大拉力設計值為57kN。

單個螺栓受剪承載力Nb v=0.9knfμP=0.9×1×1×0.3×125=33.75kN；

水平桿與斜桿均采用6 個螺栓與節點板連接，6 個螺栓受剪承載力N=6×33.75=202.5kN＞106kN；

螺栓承載力滿足要求。

焊縫計算：

節點板N1 與鋼管雙面焊接，焊高8mm，節點板長620mm，寬340mm。

節點板N1 與鋼管焊接承載力滿足要求。

6 結語

通過對銀西鐵路蒿店村大橋現澆支架進行受力分析，單跨雙層貝雷梁支架可以滿足32m 簡支梁現澆施工。尤其在地基承載力不高、山區或施工條件復雜的地區、高墩梁、大跨度梁等工況下，可優先選用貝雷梁鋼管柱支架方法施工。

單跨雙層貝雷梁鋼管柱支架方法的優點為受地形地貌等影響較小，適用性廣；充分利用既有橋墩承臺作為兩端鋼管柱支承，基礎牢固；跨中不設支承鋼管柱，減少了鋼管柱數量及地基處理費用，保證工期的同時經濟效益明顯。

采用有限元軟件對蒿店村大橋現澆支架設計與分析。經理論計算和現場實施，如圖13所示。

圖13 現場實施照片

雙層貝雷梁支架跨中理論計算最大豎向彈性變形為63mm，根據項目現場提供的預壓實測數據，貝雷梁跨中最大豎向彈性變形為54mm（不含非彈性變形），跨中最小豎向彈性變形為43mm，結構彈性變形與理論計算符合。表明單跨雙層貝雷梁支架體系應用在深谷溝壑地區高墩橋梁現澆施工中是可行的，特別是在地形起伏大、地基基礎困難地區，具有良好的經濟效益和可行性。