鋼管臨時(shí)支撐和貝雷架在施工實(shí)踐中的應(yīng)用

李云華

0 引言

貝雷架是形成一定單元的鋼架，可以用它拼接組裝成很多構(gòu)件、設(shè)備?！柏惱准堋庇址Q貝雷片，貝雷梁或桁架，于 1965年定型生產(chǎn)，在我國得到了很大發(fā)展，廣泛應(yīng)用于國防戰(zhàn)備、交通工程、市政水利工程，是我國應(yīng)用最為廣泛的組裝式承重構(gòu)件。貝雷架具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)輸方便、架設(shè)快捷、載重量大、互換性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)?！?21”鋼橋是在原英制貝雷桁架橋的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國國情和實(shí)際情況研制而成的快速組裝橋梁，于 1965年定型生產(chǎn)，在我國得到了很大發(fā)展，成為我國應(yīng)用最為廣泛的組裝式橋梁，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)輸方便、架設(shè)快捷、載重量大、互換性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)?！癏D 200”型裝配式公路鋼橋增加了桁架高度，提高了承載能力，增強(qiáng)了穩(wěn)定性能，增加了疲勞壽命，提高了可靠度。與 321型鋼橋比，在相同組合情況下，強(qiáng)度提高了 33%，剛度提高了 2.3倍。適用范圍:單車道橋面凈寬 4.2，組合跨徑 9.14 m～76.2m，雙車道橋面凈寬7.4m，組合跨徑9.14m～57.91m。

1 工程概況

環(huán)膠州灣高速(市區(qū)段)拓寬改造工程雙埠立交橋工程WE19～WE20號(hào)箱梁為鋼混疊合梁，位于既有舊橋的上方。舊橋?yàn)殡p向四車道，寬度為16m，其中WE20號(hào)墩柱為分離式雙墩，分別位于既有舊橋的兩側(cè)，兩墩間通過蓋梁連接，蓋梁橫跨既有舊橋，鋼混疊合梁直接架設(shè)到蓋梁上。

WE20墩柱尺寸1.6m×2m，北橋墩與舊橋最近距離為2.2m，南橋墩與舊橋最近距離為2.1 m。WE20蓋梁長26.6m，蓋梁底寬3.6m，南北橋墩間內(nèi)側(cè)最小距離為22.4m。蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土，其中C55混凝土207.9m3，鋼筋36.3 t，鋼絞線13 t，共計(jì)總重569.05 t，其中橫梁中部(1.6m寬范圍內(nèi))占據(jù)了66%重量，即為375.6 t，橫梁兩側(cè)各占據(jù)了17%重量，即為96.7 t。

2 貝雷片力學(xué)計(jì)算

貝雷架按12m+12m+9m為一聯(lián)計(jì)算，采用平面桿系結(jié)構(gòu)建模，上下弦桿及豎桿使用梁單元Beam3模擬，斜腹桿使用桿單元Link1模擬，兩片桁架片之間鉸接，貝雷架的荷載由分配橫梁傳遞，為模擬移動(dòng)荷載從而找出不利位置，建模時(shí)考慮與分配橫梁及縱向分布梁整體建立。WE20蓋梁臨時(shí)門架采用加強(qiáng)型上下兩層貝雷片，共計(jì)需用貝雷片156片，約43.68 t(貝雷片單片重270 kg，按照 280 kg計(jì)算)。臨時(shí)支墩施工完畢后貝雷片凈跨度為 21m，因此貝雷片跨度按照簡支梁21m計(jì)算。

2.1 荷載組合

1)鋼筋混凝土自重(按照全部重量計(jì)算):

569.05 t=569.05×1 000×9.8=5 576 690N=5 576.69 kN。

每米荷載:q1=5 576.69÷26.6=208.65 kN/m。

2)貝雷片自重:43.68×1 000×9.8=428 064 N=428.064 kN。

每米荷載:q2=428.064÷21=20.384 kN/m。

3)工字鋼荷載:q3=3.4×9.8÷21=1.6 kN/m。

4)其他荷載。傾倒混凝土產(chǎn)生沖擊荷載:2.0 kN/m2;振搗混凝土產(chǎn)生荷載:2.0 kN/m2(JTJ 041-2000橋規(guī));施工人員、搬運(yùn)工具材料等產(chǎn)生荷載:計(jì)算模板及小棱時(shí)為2.5 kN/m2，計(jì)算支架立柱時(shí)為1.0 kN/m2(JTJ 041-2000橋規(guī))。

其他荷載組合:q4=(2+2+2.5)×3.6=23.4 kN/m(蓋梁底寬3.6m)。

5)荷載分項(xiàng)系數(shù):靜載系數(shù)為1.2，活載系數(shù)為1.4(《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》表 8-5)。

總荷載:q=(q1+q2+q3)×1.2+q4×1.4=(208.65+20.384+ 1.6)×1.2+23.4×1.4=309.52 kN/m。

2.2 貝雷片力學(xué)計(jì)算

1)雙排雙層加強(qiáng)貝雷片幾何特性。

截面抵抗矩:W=30 641.7 cm3。

截面慣性矩:I=4 596 255.2 cm4。

彈性模量:E=2.1×105MPa=2.1×108kPa。

容許應(yīng)力:[σ]=273MPa。

雙排雙層加強(qiáng)貝雷片容許彎矩:[M]=6 750 kN?m。

2)貝雷片彎矩計(jì)算，按照跨徑 21m考慮。

Mmax=qL2/8=309.52×21×21/8=17 062.29 kN?m。

單組雙排雙層貝雷片承受最大彎矩(按照荷載橫向均勻分布計(jì)算，不考慮不均勻分布系數(shù))M=Mmax/5=3 412.5 kN?m＜[6750]。

3)貝雷片強(qiáng)度計(jì)算(五組雙層雙排共計(jì) 20片貝雷片)。

σ=Mmax/W=17.062 29/(30 641.7×10-6×5)=111.35MPa＜[σ]=273MPa。

4)貝雷片撓度驗(yàn)算。

因每組貝雷片結(jié)構(gòu)相同，可看作勻質(zhì)梁，以簡支梁計(jì)算，最大撓度為(五組雙層雙排共計(jì) 20片貝雷片)(《土木工程手冊(cè) 3-18》):

f=5×qL4/(384EI)=5×309.52×214/(384×2.1×108× 4 596 255.2×10-8×5)=0.016m=1.6 cm＜L/400=2 100/400= 5.25 cm。

3 鋼管臨時(shí)支撐計(jì)算

鋼管采用外徑直徑530mm，壁厚8mm鋼管，每端11根，共計(jì) 22根，按簡支梁計(jì)算，一端承受總重的 1/2重量。貝雷片與臨時(shí)墩之間采用 16角鋼焊接成 U形卡子連接。

3.1 荷載組合

1)鋼筋混凝土自重(按照全部重量計(jì)算):569.05×9.8= 5 576.69 kN。

2)貝雷片自重43.68×9.8=428.064 kN。

3)Ⅰ10a工字鋼荷載q3=3.4×9.8=33.32 kN。

4)Ⅰ32a工字鋼荷載q4=2.7×9.8=26.46 kN。

5)其他荷載。傾倒混凝土產(chǎn)生沖擊荷載:2.0 kN/m2;振搗混凝土產(chǎn)生荷載:2.0 kN/m2(JTJ 041-2000橋規(guī));施工人員、搬運(yùn)工具材料等產(chǎn)生荷載:計(jì)算模板及小棱時(shí)為2.5 kN/m2，計(jì)算支架立柱時(shí)為1.0 kN/m2(JTJ 041-2000橋規(guī));其他荷載組合q4=(2+ 2+2.5)×3.6×26.6=622.44 kN(蓋梁底寬3.6m，長26.6m)。

6)荷載分項(xiàng)系數(shù):靜載系數(shù)為1.2，活載系數(shù)為1.4(《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》表 8-5)。

總荷載:q=(q1+q2+q3)×1.2+q4×1.4=(5 576.69+ 428.064+33.32+26.46)×1.2+622.44×1.4=8 148.86 kN。

3.2 鋼管力學(xué)計(jì)算

鋼管的自由長度按照 6m計(jì)算，鋼管材料相同為A 3鋼，查《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》附錄三附表 3-20得:[σ]=140MPa。

鋼管的慣性矩:I=(π/64)(D4-d4)=(π/64)(534-51.44)= 44 695.46 cm4。

鋼管的截面積:A=(π/4)(D2-d2)=(π/4)(532-51.42)= 131.2 cm2。

截面抵抗彎矩:W=(π/32)[(D4-d4)/D]=0.098 2×[(534-51.44)/53]=1 687.05 cm3。

以上參照《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》附錄二附表 2-2或《土木工程手冊(cè)》表 3-4。

1)立桿長細(xì)比:λ=L/i=600/18.46=32.5＜[λ]=100(《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》附錄三附表 3-25)。

2)查《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》附錄三附表 3-26得:立桿軸心受壓構(gòu)件縱向彎曲系數(shù):φ=0.9。

因所有荷載均由 22根鋼管承受，因此每根鋼管承受的荷載為:

查《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》表 13-3得鋼管的穩(wěn)定強(qiáng)度:σ= N/(φA)=370.4×10-3/(0.9×131.2×10-4)=31.3 MPa＜φ× [σ]=0.9×140=126MPa。

4 鋼管臨時(shí)支撐與貝雷架在施工中的實(shí)踐

因 WE 20蓋梁跨度大、自重大，且橫跨既有舊橋，為確保舊橋安全，施工中不允許在舊橋上搭設(shè)滿堂支架，因此采用鋼管支架與貝雷片相結(jié)合的施工方案。

4.1 支架搭設(shè)

根據(jù)實(shí)際地形，在橋墩與既有舊橋間搭設(shè)φ530mm，壁厚8mm鋼管，每端各11根，共計(jì) 22根。WE20蓋梁臨時(shí)支架平面示意圖如圖 1所示。

鋼管頂部采用1 cm厚80 cm×80 cm鋼板進(jìn)行封頂，封頂鋼板與鋼管間焊接并加設(shè)4道加勁肋板，加勁肋板壁厚 2 cm，鋼管支架頂部構(gòu)造圖如圖 2所示。

為確保排架受力的整體性，頂部不采用砂箱，在鋼板上順橫梁方向每兩根鋼管采用兩根焊接成一體Ⅰ32a工字鋼連接，橫向同樣安放兩根焊接成一體的Ⅰ32a工字鋼，貝雷片安放到橫向兩根Ⅰ32a工字鋼上。支架基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土，基礎(chǔ)厚度為 0.5m，尺寸大于鋼管最外緣0.5m(墩柱四周各出1.5m)，基礎(chǔ)底層及頂層配φ16間距20 cm鋼筋網(wǎng)片?；A(chǔ)施工時(shí)預(yù)埋1.5 cm厚鋼板，鋼板底部焊接U形φ20mm圓鋼與混凝土錨固成一體，鋼板與鋼管連接方式同頂部。

為確保排架整體性，在鋼管底部0.5m與頂部0.5m處各采用[10槽鋼縱橫向連接，沿鋼管高度方向上 6m設(shè)置一道[10槽鋼橫向連接，每道橫向連接間設(shè)[10槽鋼人字支撐。

4.2 貝雷片安裝

因WE20墩柱間最小距離為22.4m，蓋梁長度26.6m，單片貝雷片標(biāo)準(zhǔn)長度為3m，因此根據(jù)貝雷片模數(shù)計(jì)算，兩橋墩 1.6m寬度內(nèi)貝雷片組合長度為 21m，1.6m范圍外組合長度為 27m。橋墩寬度 1.6m內(nèi)因貝雷片組合完成后與墩柱間距離相差 0.7m，此范圍內(nèi)采用鋼管單獨(dú)進(jìn)行支撐(見圖 3)。

因蓋梁重量過大，因此貝雷片使用中采用雙排雙層加強(qiáng)(采用加強(qiáng)弦桿)安裝的施工方案。共計(jì)使用 5組，每組單排間距0.45m，使用支撐架進(jìn)行連接。

為確保貝雷片的穩(wěn)定性，每組底部同樣采用 0.45 m支撐架進(jìn)行連接。同時(shí)縱向每隔 3m、豎向 3排采用[16槽鋼將貝雷片連接成一體，槽鋼與貝雷片間連接方式為 16角鋼焊接成 U形卡子連接。

貝雷片上橫向擺放長4.5mⅠ10工字鋼，間距0.3m，縱向擺放10×10方木，間距0.2m。工字鋼總重為3.4 t，方木忽略不計(jì)。

4.3 貝雷片的拆除

采用 4個(gè) 20 t手拉葫蘆將貝雷片吊在蓋梁底，落架時(shí)先割除頂部20 cm長度鋼管，將貝雷片落到割除后的鋼管上，采用卷揚(yáng)機(jī)或吊車將貝雷片拖出，然后拆除鋼管支墩。

[1] 李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1996.

[2] GBJ 17-88，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 劉山林，閆淑娟，鐘本蜂.鋼管樁和貝雷片支架在現(xiàn)澆箱梁施工中的應(yīng)用[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(7):37-38.