鋼管柱-貝雷梁支架體系施工工藝及設計檢算

劉學明，劉世忠

（蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅蘭州730070）

鋼管柱-貝雷梁支架體系施工工藝及設計檢算

劉學明，劉世忠

（蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅蘭州730070）

隨著支架現(xiàn)澆技術的推廣，鋼管柱-貝雷梁支架得到普遍應用，而目前對于貝雷梁的合理運用和檢算方法卻缺少比較全面的理論研究。本文基于某城市互通立交橋工程實例，系統(tǒng)地提出了鋼管柱-貝雷梁支架體系的施工工藝和檢算方法，并總結出既經(jīng)濟又普遍適用的貝雷梁布置方案，以期為今后類似工程的設計及施工提供經(jīng)驗指導和理論依據(jù)，同時方便鋼管柱-貝雷梁支架法施工高效、有序進行。

貝雷梁；支架體系；檢算；施工工藝

某市互通立交橋位于城市公路交叉口，道口轉向由7個匝道橋構成。該工程整體采用支架現(xiàn)澆法施工，現(xiàn)澆箱梁為單箱三室等高度魚腹式連續(xù)梁，跨度35 m及以上的箱梁高2.0 m，跨度＜35 m箱梁高1.8 m，除第5匝道采用普通鋼筋混凝土結構外，其余匝道橋均采用預應力混凝土結構。

該立交橋工程地形復雜、工程量大、工期短，且樁基較多，用于打樁基的泥漿池極大地影響了地基承載，所以大部分匝道橋箱梁現(xiàn)澆選用了對地基影響小、經(jīng)濟性好、周轉周期短的鋼管柱-貝雷梁支架法施工。不僅避免了大面積的地基換填處理，節(jié)約了施工成本，而且在很大程度上縮短了工期。本文為了進一步規(guī)范貝雷支架的使用，提高其經(jīng)濟效益，在實際工程的基礎上，結合理論分析，對鋼管柱-貝雷梁支架體系設計檢算及施工工藝做了系統(tǒng)的介紹。

1　貝雷梁概述

貝雷梁由貝雷架組裝而成，是一種桁梁結構，為確保整體穩(wěn)定，以“花窗”作為連接構件，將貝雷架連接起來，并用螺栓固定。本工程使用標準國產貝雷架，尺寸為3 000 mm×1 500 mm，如圖1所示。

圖1　貝雷架節(jié)段及花窗示意（單位：cm）

由于貝雷梁靈活性好，安全可靠，成本低廉，且操作工藝成熟，被普遍用做跨公路或跨河道箱梁現(xiàn)澆的承重結構。經(jīng)方案比選，本立交橋現(xiàn)澆施工選用單排單層非加強型貝雷梁。

2　支架體系布置形式

本立交橋工程各匝道均為曲線橋，為控制曲線線形，同時也為了減小貝雷梁所受內力和撓度，在跨中增設2排鋼管立柱，形成了多跨梁柱式支架結構，中跨2個鋼管立柱上方穿插無“花窗”連接的單排貝雷架，2個邊跨布置整體組裝的貝雷梁，所以每跨都按簡支結構考慮。

支架體系自下而上依次為：基礎、裝有法蘭盤的鋼管立柱、沙箱、雙拼工字鋼橫梁、貝雷梁、工字鋼分配梁、方木、模板及其支架。橫截面布置如圖2所示，縱向布置情況如圖3所示。

圖2　梁柱式支架橫斷面

鋼管柱-貝雷梁支架體系的傳力途徑：

模板→方木→工字鋼分配梁→貝雷梁→砂箱→鋼管立柱→條形基礎→地基。

圖3　梁柱式支架縱向布置

3　施工工藝流程及操作過程

支架現(xiàn)澆法施工主要工藝流程見圖4。

圖4　施工工藝流程

1）地基處理

施工前，將需要布置條形基礎的地基進行換填處理，并逐層壓實，最后用機械將地基整平、碾壓。處理完畢后，做觸探試驗，要求條形基礎的地基承載力達到200 kPa以上，壓實度達到93%以上。地基處理達到標準后，澆筑鋼筋混凝土條形基礎，作為鋼管立柱與地基之間的傳力過渡結構。

2）鋼管柱安裝

鋼管立柱采用φ429×8 mm的Q235直焊鋼管作為主支撐體系，鋼管柱端部焊接法蘭盤（為方便連接，所有法蘭盤制作時應該使用統(tǒng)一的胎具）。鋼管柱與混凝土條形基礎同樣采用法蘭連接，澆筑條形基礎時應注意預埋件的焊接和預埋質量。鋼管立柱之間設置［18型鋼作為橫聯(lián)，以增加整體穩(wěn)定性；橫聯(lián)間設置剪刀撐（槽鋼）連接，剪刀撐按45°角設置，槽鋼與鋼管柱之間進行焊接，焊縫須飽滿。

3）橫梁、貝雷梁等結構安裝

每根鋼管立柱上方安裝用于微調標高和拆卸支架的沙箱，然后沿鋼管柱頂面橫向通長布置2×I36型鋼作為柱頂主梁，兩根工字鋼沿拼接縫焊接，為方便拆除宜采用間接焊，端頭部位可用外加連接鋼板焊接。焊接完成后，采用兩點起吊法將工字鋼橫梁吊放在鋼管柱頂部，安放時要確保工字鋼中心與鋼管柱縱橫向中心對應。另外，為了防止工字鋼滑移，放置到位后，在工字鋼橫梁兩側焊接φ25 mm短鋼筋將其卡緊。

貝雷梁作為縱向承重梁置于雙拼工字鋼橫梁上方；貝雷梁上方的分配梁用I14型鋼，沿箱梁中心線對稱分布，兩邊各伸出50 cm作為搭設支架的工作平臺，縱向間距根據(jù)箱梁整體重量確定。

4）支架預壓

底模鋪設完畢后要進行超載預壓，其目的是消除支架的非彈性變形，同時也為了得到支架的彈性變形值，將總變形值作為計算施工預拱度的依據(jù)。預壓材料選用預制混凝土塊，將其堆碼在底模上。加載方式為分級加載，分別取箱梁總重的40%，80%，120%，要求前兩級加載持荷3 h；當加載120%時，持荷48 h，此過程中應嚴格監(jiān)控地基沉降和支架變形，并實時觀測、記錄底模標高變化。卸載后再次測量底模標高，根據(jù)預壓前后同一點標高差值及支架的彈性變形量、梁的撓度等算出底模的預拱度之和，調節(jié)支架預拱度。

5）支架拆除

當封錨混凝土達到設計強度以后，進行落架和模板拆除。支架體系的拆除按照“整體自上而下，從跨中向梁端”的順序進行?；驹瓌t是縱橋向對稱均衡，橫橋向基本同步。具體步驟為：①沙箱放沙，使貝雷梁下落；②拆除方木和模板；③吊卸貝雷梁上方工字鋼分配梁；④拆除貝雷梁橫向連接；⑤用吊車吊卸貝雷梁，即底板處貝雷梁要用倒鏈緩慢移到翼緣板下，再用吊車吊卸，吊卸時保持兩端均衡、勻速降落；⑥拆除主橫梁雙拼工字鋼；⑦卸落沙箱；⑧拆除剪刀撐；⑨拆除鋼管立柱。

4　支架體系設計及檢算

4.1貝雷梁

按照正常使用極限狀態(tài)考慮貝雷梁的受力。梁體鋼筋混凝土和模板等結構自重、混凝土傾倒沖擊荷載和振搗荷載、以及其他施工荷載采用荷載設計值（標準值與分項系數(shù)的乘積）進行組合，確定貝雷梁所受均布荷載q。

貝雷梁內力按簡支結構計算，假定l為貝雷梁布置的最大跨距，則可以計算貝雷梁最大彎矩Mmax、最大剪力Qmax及最大撓度vmax。計算式分別為

單排單層貝雷梁力學性能參數(shù)按照《裝配式鋼橋多用途使用手冊》取值。

［Q］=245.2 kN；［M］=788.2 kN·m；［v］=l/400

則貝雷梁所受內力應該符合如下公式

式中n為貝雷梁排數(shù)。

由此可以得到計算貝雷梁數(shù)的不等式

解得

由不等式（4）確定箱梁現(xiàn)澆時所需貝雷梁的數(shù)量。為使貝雷梁受力更加均勻、合理，應該按照混凝土箱梁截面重量分布規(guī)律確定其具體布置情況，則箱梁相應部位貝雷梁數(shù)量按下式計算。

例如：如圖5所示，腹板所占面積比例為A1/A，A為箱梁截面總面積，則腹板下貝雷梁數(shù)為nA1/A。需要注意的是：實際施工中無法完全按照理論計算值布置，因此式（5）計算結果可作為近似參考值。在一般情況下，貝雷梁的布置在箱梁腹板下密集，底板下次之，翼緣板下相對較少。

4.2分配梁

根據(jù)箱梁各部位重量比例確定貝雷梁的布置形式和工字鋼分配梁受力，可以得到計算簡圖（圖6）。

圖5　箱梁截面示意

圖6　工字鋼受力分布

鑒于計算較為復雜，宜采用有限元軟件MIDAS計算工字鋼應力。

按照《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017—2003）取Q235抗彎強度設計值［σ］=215 MPa；抗剪強度設計值為125 MPa；容許撓度取l/400。由于本工程為城市立交橋，對施工過程和成橋后的外觀要求高，支架剛度要求大，因此選用I14型鋼作為分配梁，間距取70 cm。4.3鋼管立柱

鋼管立柱的檢算分為強度檢算和穩(wěn)定性檢算。

1）強度檢算

2）穩(wěn)定性檢算

單根長度l按最長墩處計算；立柱兩端按鉸接處理，μ取1.0。

單根立柱容許承載力計算公式

式中：φ為軸心受壓構件的截面穩(wěn)定系數(shù)，通過式（7）計算出長細比，查《鋼結構設計規(guī)范》取得；σ0為抗壓強度設計值。

要使穩(wěn)定性滿足要求，須使σ＜［σ］成立。至此，鋼管柱-貝雷梁支架布置形式基本確定。

5　貝雷梁分析

為方便貝雷梁設計和施工參考，本文針對不同梁體重量和貝雷梁跨距下，支架布置所對應的貝雷梁數(shù)量做了進一步分析。

首先，計算箱梁不同高度和寬度下梁體的重量。箱梁鋼筋混凝土重度取26 kN/m3，截面面積分別取6，8，10，12，14，16 m2。然后，通過荷載組合計算貝雷梁受力；經(jīng)計算，不同箱梁截面面積所對應的均布荷載分別為307.2，369.6，432.0，494.4，556.8，619.2 kN/m。

通過式（4）的計算可得到如圖7所示的關系曲線。

圖7　跨距與貝雷梁數(shù)關系曲線

圖7直觀地反映了在相應均布荷載作用下不同跨距所對應的貝雷梁數(shù)。需要注意的是對于貝雷梁數(shù)n應該按照“進一法”近似取值，且考慮到貝雷梁的穩(wěn)定性，n一般取偶數(shù)。

觀察圖7各條曲線的變化規(guī)律，可以看出各曲線斜率逐漸變大，即曲線走勢由平緩逐漸變陡峭，說明隨著跨距的增大，所需貝雷梁的數(shù)量急劇增多。分析曲線的具體特征不難看出，跨距在13 m以內線型最為緩和，13～16 m范圍內較平緩，16 m以上時曲線變急促，特別當梁體重量越大時，這種變化也越明顯。因此，為達到良好的經(jīng)濟效益，貝雷梁單跨跨距最宜布置在13 m范圍內，最大不宜超過16 m。

6　結論

1）本文在合理運用規(guī)范的基礎上，結合理論分析，系統(tǒng)地介紹了鋼管柱-貝雷梁支架各關鍵部位的檢算方法，還提出了比較全面的鋼管柱-貝雷梁支架法的施工工藝。

2）總結出了計算貝雷梁數(shù)量n的通用公式，同時為更好地使貝雷梁受力，提出了按照截面重量分布規(guī)律布置貝雷梁的方案及其具體計算過程。

3）通過分析貝雷梁布置數(shù)量與跨距之間的關系，得到貝雷梁布置的最適宜單跨跨距。

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Construction Technology and Design Calculation of Steel Tube Column-bailey Beam Supporting System

LIU Xueming，LIU Shizhong
（Key Laboratory of Road Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China）

W ith the promotion of cast-in-situ concrete technology using support system，the steel tube column-Bailey beam supporting system is applied widely.But there is a lack of theoretical study systematically on reasonable application and calculation of Bailey beam.In this paper，an overpass project using steel tube column-Bailey beam support system was case-studied.T he construction technology and calculation were proposed systematically.An universal and economic layout program was presented and it may be widely used for other projects as guideline to promote construction efficiency.

Bailey beam；Supporting system；Calculation；Construction technology

U445.35

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.11

1003-1995（2016）09-0043-04

（責任審編孟慶伶）

2016-04-21；

2016-06-30

國家自然科學基金（51368032）

劉學明（1989—），男，碩士研究生。