大跨度橋梁施工貝雷架支撐結(jié)構(gòu)體系計(jì)算與優(yōu)化

廖袖鋒，魏奇科，王維說(shuō)

（1重慶市合川區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶401520；2中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶400084）

大跨度橋梁施工貝雷架支撐結(jié)構(gòu)體系計(jì)算與優(yōu)化

廖袖鋒1，魏奇科2，王維說(shuō)2

（1重慶市合川區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶401520；2中冶建工集團(tuán)有限公司，重慶400084）

以銀川水洞溝大橋工程為例，利用3D3S有限元計(jì)算分析軟件，分析了大跨度橋梁施工貝雷架支撐結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)與優(yōu)化。計(jì)算分析了5種結(jié)構(gòu)體系下結(jié)構(gòu)受力及變形特征，包括：跨中1個(gè)支撐點(diǎn)單層貝雷架體系、跨中1個(gè)支撐點(diǎn)局部雙層貝雷架體系、跨中2個(gè)支撐點(diǎn)（間距6m）單層貝雷架體系、跨中2個(gè)支撐點(diǎn)（間距12m）單層貝雷架體系、跨中2個(gè)支撐點(diǎn)（間距18m）單層貝雷架體系。通過(guò)各結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算分析，得出跨中設(shè)置2個(gè)支撐點(diǎn)，且支撐點(diǎn)間距設(shè)置為12m時(shí)支撐結(jié)構(gòu)受力及變形最優(yōu)，且滿足規(guī)范要求。

貝雷架；公路鋼橋；支撐結(jié)構(gòu)；內(nèi)力

0　引言

貝雷架也稱為“裝配式公路鋼橋”，原名叫“321”公路鋼橋，是我國(guó)的戰(zhàn)備公路鋼橋。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，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便、架設(shè)快速、分解容易的特點(diǎn)。同時(shí)具備承載能力大、結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)、疲勞壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。它能根據(jù)實(shí)際需要的不同跨徑組成各種類型和各種用途的臨時(shí)橋、應(yīng)急橋和固定橋，具有構(gòu)件少、重量輕、成本低的特點(diǎn)。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)防戰(zhàn)備、救災(zāi)搶險(xiǎn)、鐵路橋梁施工、市政橋梁施工以及其他大跨度施工需求的機(jī)場(chǎng)及地鐵等的施工［1-8］，作為上部結(jié)構(gòu)施工的支撐結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)荷載和跨度情況，可拼裝成1層、2層或多層，如圖1所示。

圖1　貝雷架施工應(yīng)用圖片

圖2　橋梁橫斷面布置圖

桁架由上下弦桿、豎桿及斜桿焊接而成，上下弦桿的端部有陰陽(yáng)接頭，接頭上有桁架連接銷孔。貝雷架桁架的弦桿由兩根10號(hào)槽鋼（背靠背）組合而成，在下弦桿上，焊有多塊帶圓孔的鋼板，在上下弦桿內(nèi)有供與加強(qiáng)弦桿和雙層桁架連接的螺栓孔，在上弦桿內(nèi)還有供連接支撐架用的四個(gè)螺栓孔，其中間的兩個(gè)孔是供雙排或多排桁架同節(jié)間連接用的，靠?jī)啥说膬蓚€(gè)孔是跨節(jié)間連接用的。在下弦桿上，設(shè)有4塊橫梁墊板，其上方有凸榫，用以固定橫梁在平面上的位置；在下弦桿的端部槽鋼的腹板上還設(shè)有兩個(gè)橢圓孔，供連接抗風(fēng)拉桿使用。桁架豎桿均用8#工字鋼制成，在豎桿靠下弦桿一側(cè)開(kāi)有一個(gè)方孔，它是供橫梁夾具固定橫梁時(shí)使用的。貝雷架桁架單元尺寸及部件說(shuō)明如圖2所示。

圖3　整橋立面布置圖

圖4　橋梁橫斷面布置圖

圖5　模板支撐結(jié)構(gòu)體系縱向布置圖

1　工程概況

銀川水洞溝大橋工程位于銀川濱河新區(qū)，橋面寬度38m，全橋9孔一聯(lián)布置，跨徑組成為（35+7×40+35），橋長(zhǎng)350m。4#、5#橋墩固結(jié)，其余橋墩及橋臺(tái)設(shè)支座，如圖3所示。主梁采用箱形截面，變高度連續(xù)梁，支點(diǎn)梁高530cm，跨中梁高200cm，梁底曲線按橢圓曲線變化。

主梁橋面寬38m，雙向六車道以及非機(jī)動(dòng)車道，主梁橫向分為四片單箱單室，采用橫梁、橫隔板及頂板連接，如圖4所示。

該橋位于水庫(kù)內(nèi)，無(wú)通航要求，采用回填筑島法施工，筑島后豎向高度受限，擬采用貝雷片加鋼管組合支撐體系施工。模板支撐結(jié)構(gòu)體系主要由鋼管柱、下橫梁、貝雷架、上橫梁、碗扣式腳手架、主次梁方木、模板構(gòu)成，如圖5所示。

鋼管柱暫定630×10鋼管，貝雷架下橫梁采用雙拼工字鋼，暫定I63c，貝雷架根據(jù)當(dāng)?shù)刈赓U市場(chǎng)情況采用國(guó)產(chǎn)321型貝雷架，單節(jié)貝雷片長(zhǎng)度為3000mm，高度為1500mm，貝雷架的間距一般為450mm、900mm兩種，貝雷架在箱梁腹板范圍內(nèi)加密。貝雷架上支撐腳手架立桿的橫梁采用18號(hào)工字鋼，間距暫定600mm，可根據(jù)需要加密。碗扣式鋼管支架，鋼管步距1.2m，鋼管順橋方向立桿間距600mm，橫橋方向根據(jù)荷載情況計(jì)算確定。鋼管上部沿橫橋方向主梁采用方木或鋼管，次梁采用方木，其上再鋪設(shè)竹膠板，主次梁方木和竹膠板厚度根據(jù)荷載情況計(jì)算確定。

圖6　三維計(jì)算模型

2　計(jì)算概況

2.1設(shè)計(jì)荷載

根據(jù)公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范主要由以下荷載組成。

（1）混凝土自重。箱梁范圍內(nèi)，縱橋向離橋墩凈距1m范圍內(nèi)，腹板高度平均5200mm，厚度900mm，底板厚2400mm，頂板厚400mm，考慮到腹板和頂板混凝土基本在底板混凝土初凝后澆筑，荷載通過(guò)底板45O線傳遞到模板上，由于底板較厚，因此腹板、頂板和底板混凝土荷載在箱梁范圍內(nèi)折算成平均荷載為：［900×5200×2+（5600-900×2）×2800］×25/5600/1000=89kN/ m2。

同理，箱梁范圍內(nèi)，距橋墩第一段3000mm范圍，平均荷載為：［700×4000+650×950］×25/1350/1000=64kN/m2；箱梁其余范圍平均荷載為：［700+250］×25/1000=24kN/m2；箱梁范圍內(nèi)，均橋墩第二段3000mm范圍，平均荷載為：［500×3200+400×690］×25/ 900/1000=20kN/m2；箱梁其余范圍平均荷載為：［440+250］×25/ 1000=17kN/m2；箱梁范圍內(nèi)，跨中段24000mm內(nèi)，平均荷載為：［500×2600+400×620］×25/900/1000=17kN/m2；箱梁其余范圍平均荷載為：［370+250］×25/1000=15.5kN/m2；箱梁范圍外，橋面板厚400mm，平均荷載為：400×25/1000=10kN/m2。

（2）方料、模板自重1.0kN/m2。

（3）施工人員和施工機(jī)具荷載2.0kN/m2。

（4）振搗混凝土產(chǎn)生的荷載2kN/m2。

（5）鋼管架體（包括橫桿、立桿、扣件、頂托）荷載3kN/m2。

（1）、（2）、（5）為恒荷載，（3）、（4）為活荷載。

整個(gè)支撐系統(tǒng)的恒荷載分布根據(jù)分包位置以及大小適當(dāng)歸并，可分為五個(gè)區(qū)域：一區(qū)，箱梁范圍內(nèi)，縱橋向離橋墩凈距0～1m范圍，荷載93kN/m2；二區(qū)，箱梁范圍內(nèi)，縱橋向離橋墩凈距1～4m范圍，箱梁腹板下450×3=1350范圍內(nèi)，荷載68kN/m2；三區(qū)，箱梁范圍內(nèi)，縱橋向離橋墩凈距1～4m范圍，箱梁非腹板下范圍內(nèi)，荷載28kN/m2；四區(qū)，箱梁范圍內(nèi)，縱橋向跨中24m范圍，荷載24kN/m2；五區(qū)，箱梁范圍外，荷載14kN/m2。

2.2計(jì)算模型

采用3D3S設(shè)計(jì)分析軟件進(jìn)行支架內(nèi)力、變形計(jì)算以及截面強(qiáng)度、穩(wěn)定校核。三維計(jì)算模型如圖6所示。

3　計(jì)算結(jié)果

3.1跨中1個(gè)支撐點(diǎn)單層貝雷架體系計(jì)算結(jié)果

圖7　體系1受力變形圖及內(nèi)力圖

計(jì)算結(jié)果如圖7所示，跨中最大位移23.2mm，弦桿最大拉力375kN，弦桿最大壓力417kN，強(qiáng)度驗(yàn)算不通過(guò)，最大應(yīng)力比達(dá)到了1.828，應(yīng)力比不滿足要求的部位主要集中在中間支撐點(diǎn)下部受壓的弦桿及豎腹桿。

圖8　體系2受力變形圖及內(nèi)力圖

3.2跨中1個(gè)支撐點(diǎn)局部雙層貝雷架體系計(jì)算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)體系1中受力不滿足規(guī)范要求的部位進(jìn)行局部“加腋”措施方案，采用局部雙層的方案。

計(jì)算結(jié)果如圖8所示，跨中最大位移19.4mm，弦桿最大拉力186kN，弦桿最大壓力298kN，弦桿內(nèi)力大大改善減小。但強(qiáng)度驗(yàn)算仍不通過(guò)，最大應(yīng)力比降低到1.175，應(yīng)力比不滿足要求的部位主要集中在中間支撐點(diǎn)下部受壓的腹桿。

可見(jiàn)，局部雙層的方案增加了桁架高度，大大減小了弦桿受力，但沒(méi)有增加腹桿截面，因此支座豎腹桿的受力沒(méi)有改善，應(yīng)力比仍然不滿足要求。由于貝雷架為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，不便于局部加粗截面，可在此方案基礎(chǔ)上，采取雙片貝雷架雙拼加強(qiáng)的方案，但由于貝雷架橫向連接也為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，橫向近距離雙拼由于不便施工而暫時(shí)放棄。

3.3跨中2個(gè)支撐點(diǎn)（間距6m）單層貝雷架體系計(jì)算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)體系2的受力分析，增加桁架高度及厚度的措施不能完全解決1個(gè)支撐點(diǎn)方案受力的問(wèn)題，因此只能增加支撐點(diǎn)，減小桁架跨度，從而減小桁架整體的彎矩和剪力。因此方案三采用跨中2個(gè)支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)間距為6m，貝雷架仍然為單層的方案。

計(jì)算結(jié)果如圖9所示，，跨中最大位移16.2mm，弦桿最大拉力159kN，弦桿最大壓力286kN，最大應(yīng)力比降低到1.049，應(yīng)力比不滿足要求的部位主要集中在中間支撐點(diǎn)下部受壓的弦桿。

可見(jiàn)，與方案1相比，中間增加支撐點(diǎn)的方案大大減小了弦桿和腹桿受力，最大應(yīng)力比雖仍然超限，但已經(jīng)降低到1.049，根據(jù)圖9結(jié)構(gòu)變形可見(jiàn)，中間兩個(gè)支撐點(diǎn)間距較小，且跨中荷載小，兩端荷載大，因此中間跨變形沒(méi)有出現(xiàn)向下的正向位移，桁架整體的受力和變形還不十分均衡。

圖9　體系3受力變形圖及內(nèi)力圖

3.4跨中2個(gè)支撐點(diǎn)（間距12m）單層貝雷架體系計(jì)算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)體系3的受力分析，增設(shè)跨中支撐點(diǎn)的方案效果明顯，只是支撐點(diǎn)間距較小，進(jìn)一步加大支撐點(diǎn)間距為12m。

計(jì)算結(jié)果如圖10所示，跨中最大位移9.0mm，弦桿最大拉力116kN，弦桿最大壓力177kN，強(qiáng)度最大應(yīng)力比降低到0.8，穩(wěn)定應(yīng)力比接近0.9，應(yīng)力比都滿足要求。

圖10　體系4受力變形圖及內(nèi)力圖

可見(jiàn)，與方案3相比，增加中間支撐點(diǎn)間距進(jìn)一步改善了桁架受力，從變形圖也可以看出變形更加均衡協(xié)調(diào)，中間支撐點(diǎn)間距進(jìn)一步增加或許受力更加均衡。

3.5跨中2個(gè)支撐點(diǎn)（間距18m）單層貝雷架體系計(jì)算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)體系4的受力分析，由于貝雷架桁架單元模數(shù)為3m，進(jìn)一步加大支撐點(diǎn)間距為18m。

計(jì)算結(jié)果如圖11所示，跨中最大位移19.8mm，弦桿最大拉力192kN，弦桿最大壓力266kN，強(qiáng)度最大應(yīng)力比增大到1.147，應(yīng)力比不滿足要求。

圖11　體系5受力變形圖及內(nèi)力圖

可見(jiàn)，與方案4相比，中間支撐點(diǎn)間距進(jìn)一步增加到18m后，中跨跨度太大，位移增加，桁架受力也增大，應(yīng)力比不滿足要求了，因此中間支撐點(diǎn)間距12m是最優(yōu)方案。

4　結(jié)論

計(jì)算分析了5種結(jié)構(gòu)體系下結(jié)構(gòu)受力及變形特征，包括：跨中1個(gè)支撐點(diǎn)單層貝雷架體系、跨中1個(gè)支撐點(diǎn)局部雙層貝雷架體系、跨中2個(gè)支撐點(diǎn)（間距6m）單層貝雷架體系、跨中2個(gè)支撐點(diǎn)（間距12m）單層貝雷架體系、跨中2個(gè)支撐點(diǎn)（間距18m）單層貝雷架體系。

通過(guò)各結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算分析，得出銀川水洞溝大橋工程設(shè)置單層貝雷架，跨中2個(gè)支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)間距12m時(shí)支撐結(jié)構(gòu)受力及變形最優(yōu)，且滿足規(guī)范要求。

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［7］洪水良，羅國(guó)慶.塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)合貝雷架高空大跨度結(jié)構(gòu)支模施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2015（15）：82-84．

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

建材養(yǎng)護(hù)

建筑石材養(yǎng)護(hù)小常識(shí)

建筑石材一旦被污染后，清洗非常不易。一般來(lái)說(shuō)經(jīng)常碰到的問(wèn)題有：石材外墻滲水、白華、銹斑、污斑、水斑、油斑、施工材料的污染、風(fēng)化、老化，以及人員出入造成光澤磨損等等。針對(duì)上述問(wèn)題，可采用下列養(yǎng)護(hù)方法預(yù)防和治理石材病變。

由于大樓位居要樞，因此污染也特別嚴(yán)重。由于石材本身具有毛細(xì)孔及吸水性，空氣污染，灰塵加上空氣中的酸氣，汽機(jī)車的廢氣等，日積月累地附著于石材表面，當(dāng)下雨的時(shí)候，酸雨會(huì)加速這些污染對(duì)石材的侵蝕且吸附在石材的毛細(xì)孔內(nèi)，造成不易清洗的污斑，尤其對(duì)于火燒面的石材來(lái)說(shuō)，這些污染形成的速度更快，且不容易清洗，僅使用市售的清洗劑根本無(wú)法去除這些污染；若是光面的石材，這些光澤很快就被侵蝕掉。因此，要去除這些污染，可以使用石材專用清洗劑，一般常用的有強(qiáng)力清除劑或多功能清除劑等石材專用的清洗劑。這類石材專用的清洗劑可以將滲入毛細(xì)孔內(nèi)的污染完全去除，且不會(huì)傷害石材。如果要防止石材再一次被污染，可于石材清洗干凈后，在石材表面干燥的情形下，再作一道防護(hù)處理的工作，這種滲透性的防護(hù)劑常用一些多功能防護(hù)劑或石材專用防護(hù)劑，這幾類防護(hù)劑可以滲入石材內(nèi)部，形成一道防護(hù)層，具有防水、防污、防銹斑、防油污、防風(fēng)化、防老化、耐酸堿、防茶漬、可樂(lè)、醬油等造成的污斑的效果，并能有效控制白華的產(chǎn)生，且不損及石材原有的透氣性，平常清洗工作只需用水擦拭即可達(dá)到效果，無(wú)需使用其他的清洗劑。

外墻污染的事前防護(hù)處理：一般來(lái)說(shuō)，石材的外墻均有相當(dāng)之高度，一旦造成污染后再來(lái)清洗，施工極為不便。如果事前能做好防護(hù)處理，完工后便沒(méi)有污染上的問(wèn)題，日常的清洗工作也只需用清水擦拭即可，而且施工前的防護(hù)處理成本較低、施工較容易、比較經(jīng)濟(jì)。

石材完工后，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間都不會(huì)干而始終留有濕濕的痕跡在表面上，這就是俗稱的水斑。要去除水斑，可以說(shuō)是非常困難的事，因?yàn)樗叩男纬煞浅?fù)雜，其中包括有水泥、酸雨、白華、砂質(zhì)不良以及石材吸自地下的污染。這些污染造成石材本身的變質(zhì)，這種變了質(zhì)的石材相當(dāng)不容易清理干凈，所以對(duì)水斑而言，唯一的方法就是預(yù)防。要預(yù)防水斑的形成可在施工前使用多功能防護(hù)劑或石材專用防護(hù)劑。施工前，對(duì)石材作防護(hù)處理，即可有效避免水斑的形成，同時(shí)可達(dá)到良好的防污效果。

我們常看到有一些白色的結(jié)晶物從石材的接縫里流出來(lái)，這就是俗稱的“白華”（泛堿）。白華分為兩種，一種是“一次白華”，一種是“二次白華”?！耙淮伟兹A”的成因是施工時(shí)，水泥砂漿產(chǎn)生化學(xué)變化形成氫氧化鈣，從石材的接縫里冒出來(lái)或是從石材本身的紋路、毛細(xì)孔處冒出來(lái)，與空氣中的二氧化碳結(jié)合形成白色的結(jié)晶物；“二次白華”主要是由于雨水滲入石材內(nèi)部與水泥砂漿接觸，產(chǎn)生化學(xué)變化而形成白華。這兩種白華現(xiàn)象，均要使用強(qiáng)力清除劑來(lái)去除。一般來(lái)說(shuō)，要事后補(bǔ)救并防止白華再生須從多方面著手。首先要防止外部的污染即雨水的滲入，這可以從石材表面作防護(hù)處理及加強(qiáng)填縫部分的防水功能來(lái)著手，只要外面的水分不再滲入石材，而石材內(nèi)也無(wú)水分，白華即無(wú)法再生。

Calculation and Optim ization of Bailey Support Structure System in Large-span BridgeConstruction

Based on Shuidonggou bridge in Yinchuan，with the calculation and analysis 3D3S finite elementsoftware，structure stress and deformation featuresof the structureunder five kindsof structuralsystemsare calculated and analyzed，including single-layered bailey system with one supportpoint，local double-layered bailey system w ith one supportpoint，single-layered bailey system with two supportpoints（distanceof6cm），single-layered bailey system w ith two supportpoints（distanceof 12cm），and single-layered bailey system w ith two supportpoints（distance of 18cm）.Through calculation and analysisof every structuralsystem，it is concluded that the support structure has the beststressand deformation andmeets the requirementsof the code when two supportpointswith distanceof 12cm are set.

bailey structure；roadsand steelbridges；supportstructure；internalstress

［TU 997］，U 445

A

1671-9107（2016）08-0046-05

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.08.046

2016-08-05

廖袖鋒（1983-），男，重慶人，研究生，高級(jí)工程師，主要從事建筑節(jié)能與建設(shè)工程管理相關(guān)工作。