貝雷架在橋梁快速施工中的應(yīng)用

翟文靜,張茂華

(1.北京鑫實(shí)路橋建設(shè)有限公司,北京 102206;2.北京建筑工程學(xué)院土木與交通工程學(xué)院,北京 100044)

1 工程概況

某跨越四環(huán)路立交橋設(shè)計(jì)采用鋼-混凝土組合體系。為了減少鋼箱梁架設(shè)施工對四環(huán)主路的影響,需要在四環(huán)主路上搭設(shè)臨時(shí)支架進(jìn)行鋼箱梁的拼接及隨后的混凝土澆筑工作,支架平面布置如圖 1所示。為了減少施工對四環(huán)主路路面的破壞,擬采用貝雷架搭設(shè)施工平臺的技術(shù)方案。由于貝雷架具有抗彎能力較強(qiáng),抗剪能力弱的特點(diǎn),而鋼箱梁吊拼過程中采用砂箱作為臨時(shí)支座,在臨時(shí)支座處產(chǎn)生的較大集中力故要求貝雷架提供較大的抗剪能力。因此控制貝雷架的抗剪能力是否滿足要求是臨時(shí)支架設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。通常貝雷架的變形是控制設(shè)計(jì)的主要因素,為保證施工安全,采用現(xiàn)場試驗(yàn)測試貝雷架主梁的撓度,驗(yàn)證變形計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí),為滿足橋梁快速施工的要求,貝雷架設(shè)計(jì)需綜合考慮合理的架設(shè)和拆除問題。

2 貝雷架設(shè)計(jì)與安全性驗(yàn)算

2.1 貝雷架設(shè)計(jì)方案

貝雷架設(shè)計(jì)方案如圖 2所示。其中主梁由四榀貝雷架組成,長度為 12m,計(jì)算跨徑為 9m;支架單柱為 3榀貝雷架組成,高度為 9m。在柱腳設(shè)置專用礎(chǔ)板將貝雷架和基礎(chǔ)連接,柱頂放置下頂梁,在其上放置分配梁,主梁設(shè)置在分配梁上。

主梁桁架由上、下弦桿、豎桿及斜桿焊接而成,上下弦桿的端部采用陰陽結(jié)構(gòu),接頭上設(shè)有桁架連接銷孔。桁架構(gòu)件的材料為 16Mn鋼,每片桁架重270 kg。主梁桁架之間靠桁架連接銷傳遞剪力,桁架連接銷材料為 30CrMnSi鋼,直徑為49.5mm,材料屈服應(yīng)力為 1300MPa,桁架連接銷的容許拉應(yīng)力和容許彎曲應(yīng)力為 1105MPa,容許剪應(yīng)力 585MPa。

2.2 貝雷架的抗剪性能

2.2.1 桁架抗彎能力計(jì)算

式中:n為桁架排數(shù);ξ為桁架荷載分配折減系數(shù);

圖1 支架平面布置

單層雙排時(shí) ξ=1.0,三排時(shí) ξ=0.333/0.35=0.95;

[N]為弦桿容許承載力(kN);H為桁架計(jì)算高度。

2.2.2 桁架容許抗剪能力計(jì)算

式中:k為系數(shù),為 1.43;

ξ為分配折減系數(shù),三排桁架取 0.95,其余取 1.0;

n為桁架排數(shù);

[Nx]為斜桿容許承載力取 171.5 kN。

圖2 支架設(shè)計(jì)方案

在文獻(xiàn)[2]中,不加強(qiáng)單排單層橋梁容許內(nèi)力為彎矩788.2 kN·m,剪力為 245.2 kN。本橋鋼箱梁單個(gè)支點(diǎn)的設(shè)計(jì)荷載為 360 kN,最大的彎矩約為 1152 kN·m,最大的剪力為 624 kN?？紤]鋼箱梁施工荷載為集中力,而標(biāo)準(zhǔn)桁架設(shè)計(jì)荷載為均布力,故不能簡單地通過增加桁架片數(shù)提高承載能力。故選用 4片桁架,荷載分配折減系數(shù)取 0.85進(jìn)行驗(yàn)算。分別驗(yàn)算桁架的豎桿、斜桿和桁架連接銷的抗剪性能,驗(yàn)算結(jié)果見表1。

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通過比較豎桿、斜桿和桁架連接銷的驗(yàn)算結(jié)果可以看出,桁架以豎桿抗剪控制設(shè)計(jì)。主梁的兩端支點(diǎn)作用位置為斜桿和下弦桿件交匯處,具有較好的抗剪性能,可以按單跨貝雷架梁容許內(nèi)力值設(shè)計(jì)。集中荷載作用位置不是作用在斜桿和弦桿交匯處,由于考慮荷載橫向折減后,4片貝雷架的豎桿的容許承載力大于設(shè)計(jì)剪力,故集中荷載作用在豎桿處不需要其他加強(qiáng)措施。集中荷載作用在單個(gè)弦桿上時(shí),在4片貝雷架上采用對稱布置加強(qiáng)豎桿,加強(qiáng)的豎桿采用磨光頂緊的辦法與上下弦桿頂緊,不得采用焊接。同時(shí),為保證桁架的橫向穩(wěn)定,增加了橫向連接系構(gòu)件,采用螺栓和桁架連接。加強(qiáng)豎桿設(shè)置位置示意圖見圖 3所示,根據(jù)荷載作用的不同位置而設(shè)置。最左邊的圖中荷載作用在單弦桿上,故需要設(shè)置加強(qiáng)豎桿。

2.3 貝雷架的變形控制

鋼箱梁拼接過程中,高強(qiáng)螺栓的對接精度要求較高,支架的變形控制是保證拼接精度的關(guān)鍵。采用了理論計(jì)算和試驗(yàn)實(shí)測相結(jié)合的方法進(jìn)行支架變形控制。貝雷架的撓度由兩部分組成,一部分是單銷間隙產(chǎn)生的非彈性變形,另一部分為荷載引起的彈性變形。在彈性撓度中需要同時(shí)考慮恒載和活載作用,活載需要考慮一定的動力系數(shù);彈性撓度需要考慮腹桿的剪切變形對撓度計(jì)算的放大作用。

本貝雷架為偶數(shù)節(jié),偶數(shù)節(jié)簡支梁的非彈性撓度按荷載作用下的錯(cuò)孔撓度曲線推導(dǎo)出的跨中最大撓度公式計(jì)算:

式中取 n=4,貝雷架的非彈性撓度為 0.8cm;

荷載引起的彈性撓度采用B·C·卡秋林公式計(jì)算:

式中:f為桁架由荷載引起的彈性撓度(cm);

l為桁架的計(jì)算跨度(m),本例中 l=9m;

h0為桁架在支座處的計(jì)算高度(m),h0=1.5m;

h為桁架的計(jì)算高度(m),為 h=1.5m;

E為桁架所用材料的彈性模量(N/cm2),E=2.1×107N/cm2;

Kdf為活載的橫向分配系數(shù),等于 0.1767;

I為桁架的截面的慣性矩,I=1001988cm4;

Keq為荷載的等撓度等代荷載(N/cm),Keq=64.2 N/cm。

代入(4)式得:f0+f=0.8+0.45=1.25cm

故貝雷架主梁總撓度:f0+f=0.8+0.45=1.25cm

2.4 貝雷架測試

鑒于目前施工現(xiàn)場使用的桁架器材已經(jīng)重復(fù)使用多次,連接焊縫和桿件有銹蝕現(xiàn)象,而銷與孔的實(shí)際間隙與工廠加工精度有關(guān),對撓度的計(jì)算準(zhǔn)確性有較大的影響,故通過現(xiàn)場對主梁進(jìn)行測試來校對撓度計(jì)算的正確性以及驗(yàn)證橫向分配系數(shù)取值的合理性。

在平整的場地上用貝雷架拼接成跨度為 9m的簡支梁結(jié)構(gòu)體系。在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)下方沿各片貝雷架下設(shè)置撓度計(jì),同時(shí)在桁架的弦桿上下緣設(shè)置應(yīng)變片,控制弦桿的應(yīng)力。加載最大值為 6.4 t/m,共分 5級加載,第一級為 2.4 t/m,依次增加 1.0 t/m,分別測試各級荷載作用下的貝雷架主梁最大撓度(圖 4所示)。

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現(xiàn)場實(shí)測主梁的撓度為1.34cm,略微大于理論計(jì)算值,主要原因主要為貝雷架的多次使用磨損導(dǎo)致的銷孔間隙增大。最終采用實(shí)測變形值作為貝雷架的變形控制值,保證了鋼箱梁高強(qiáng)螺栓拼接的順利實(shí)施。

圖4 撓度測試點(diǎn)和應(yīng)變片布置

3 貝雷架的架設(shè)和拆卸

由于貝雷架的架設(shè)和拆卸受到現(xiàn)場工作空間和機(jī)械的限制,為了加快施工進(jìn)度,結(jié)合起重機(jī)工作空間的限制要求,提出了整體拼裝架設(shè)貝雷架和分片拆卸貝雷架的施工方案。

在地面將柱子和主梁分別拼裝完成,采用起重機(jī)直接吊裝,由于單榀主梁為 4320 kg,所以吊重不大,待主梁提升到位之后,再拼裝橫向連接系。

拆卸過程中,首先解除主梁之間的橫向連接,再將一榀貝雷架主梁和鋼箱梁固定到一起,采用鋼絲繩固定,拆除貝雷架主梁上的連接銷,形成單獨(dú)的貝雷片。再采用定滑輪將貝雷片從箱梁底板滑出,降到地面上。重復(fù)此工作,最終完成其他貝雷主梁的拆卸工作。而柱子的拆卸工作,可以將柱子放倒后再拆卸。支架拆卸過程示意見圖5。

圖5 分片拆卸主梁示意

拆除過程中,先將貝雷梁和鋼箱梁連接,再將其拆為單個(gè)貝雷片,采用定滑輪拉出。

4 結(jié)束語

貝雷架應(yīng)用于橋梁快速施工中可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、安全、快速的目的。但當(dāng)貝雷架承受集中荷載時(shí),抗剪性能差的問題往往妨礙了其在工程中的廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合實(shí)際工程,采用設(shè)置加強(qiáng)豎桿的設(shè)計(jì)方案,滿足了貝雷架承受集中荷載的抗剪要求。同時(shí),通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行了貝雷架變形控制研究,實(shí)現(xiàn)了鋼箱梁高強(qiáng)螺栓連接的精度控制。另外,為達(dá)到支架施工簡便快速安全的目的,提出了整體拼裝架設(shè)貝雷架和逐步拆卸貝雷架的施工工法。通過貝雷架在本工程中的實(shí)際應(yīng)用,證明此施工工法安全實(shí)用,可在類似工程中推廣應(yīng)用。

[1]GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2]黃紹金,劉陌生.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M].北京:人民交通出版社,2002

[3]顧安邦.橋梁工程(下)[M].北京:人民交通出版社,2001