水上現(xiàn)澆等截面箱梁單跨鋼管貝雷支架中貝雷選型與適應(yīng)性研究

彭云涌， 左雁， 羅英

(中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004)

1 引言

水上現(xiàn)澆鋼管立柱+加強型雙層貝雷(以下簡稱貝雷)支架采用單跨簡支結(jié)構(gòu)，其計算跨度較大，且與現(xiàn)澆箱梁凈跨徑相近。該支架體系利用承臺作支點，不僅省去了振樁錘費用，更避免了現(xiàn)澆完成后鋼管樁入土部分無法拔出回收的問題，可確保材料重復(fù)周轉(zhuǎn)、節(jié)省施工工期，在水上、軟土區(qū)現(xiàn)澆箱梁中應(yīng)用廣泛。

目前，此類支架設(shè)計依靠經(jīng)驗居多，特別是貝雷布置在初擬后可能還需要經(jīng)過多次試算，效率低。該文重點梳理常規(guī)跨徑水上現(xiàn)澆箱梁貝雷梁選型與布置，并運用Midas/Civil有限元計算分析，驗證該文思路的準確性，供同類支架設(shè)計標準化、選型快速化參考。

2 貝雷選型關(guān)系推導(dǎo)

由鋼管立柱+雙層加強型貝雷傳力途徑可知，貝雷橫向布置與箱梁橫斷面密切相關(guān)。為了減少試算，根據(jù)貝雷(0.45 m/0.9 m)橫距、容許承載力、截面特性，運用材料力學(xué)求得貝雷選型。

常規(guī)跨徑現(xiàn)澆箱梁支點腹板厚b0=0.6～0.9 m，而貝雷標準橫距為0.45 m，腹板下布置n=(0.6～0.9 m)/0.45 m+1=2～3排貝雷。根據(jù)《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》，貝雷支架幾何特性、容許承載力及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 貝雷幾何特性及容許承載力

設(shè)箱梁高為H，支點腹板寬度為b0，貝雷計算跨徑為L,貝雷自重為G0，并假定(現(xiàn)澆箱梁自重+箱梁模板自重)=(支點截面×混凝土濕重×箱梁跨徑)，取混凝土重度為26.5 kN/m3。

其余計算取值為：施工人員、機具荷載標準值：3.0 kPa；振搗混凝土荷載標準值：2.0 kPa。

強度驗算時，荷載集度：

qud1=1.2×26.5Hb0+1.2×G0+1.4×(3+2)×0.45=31.8Hb0+1.2G0+3.15

剛度驗算，支點腹板荷載集度：

qfd1=26.5Hb0+G0=26.5Hb0+G0

則由彎矩驗算條件：qud1≤8[M]/L2，得：

Hb0≤{8[M]/L2-(1.2G0+3.15)}/31.8

(1)

由剪力驗算條件：qud1≤2[Q]/L,得：

Hb0≤{2[Q]/L-(1.2G0+3.15)}/31.8

(2)

由剛度驗算條件：([L/400])，qfd1≤384EI·L/(400×5L4)=0.192λEI/L3，得：

Hb0≤(0.192EI/L3-G0)/26.5

(3)

貝雷應(yīng)同時滿足式(1)～(3)。常規(guī)跨徑現(xiàn)澆箱梁高H與跨徑L0：H/L0=1/12.5～1/19.5，令b0=0.6/0.65/…/0.90 m，式(1)～(3)可轉(zhuǎn)化為H與L0的函數(shù)關(guān)系。因篇幅限制僅示意支點腹板厚為0.9 m雙排雙層、支點腹板厚為0.6 m三排雙層H與L0的關(guān)系圖。如圖1所示。

圖1 貝雷適用跨徑與現(xiàn)澆箱梁高度示意

由圖1可知：貝雷適用跨徑的范圍可劃分為3個區(qū)間：

直接適用區(qū)間①：該區(qū)間最大適應(yīng)跨徑，由抗剪承載力控制，貝雷不需額外加強。

加強適用區(qū)間②；該區(qū)間必須加強支點貝雷腹桿；最大適應(yīng)跨徑則根據(jù)腹板支點厚度，由抗彎或由剛度控制。

不適用區(qū)間③：跨徑位于該區(qū)間，則貝雷梁因抗彎不足或者剛度不足，不能適應(yīng)。

以圖1(b)支點腹板厚0.6 m三排雙層貝雷為例，當(dāng)現(xiàn)澆箱梁跨徑L>25.4 m，須加強抗剪后采用；當(dāng)現(xiàn)澆箱梁跨徑L>35.7 m后，剛度條件無法滿足，則不適應(yīng)。

根據(jù)上述思路，表1、2列出b0=0.6、0.65、…、0.90 m時，貝雷適應(yīng)現(xiàn)澆箱梁跨徑區(qū)間及控制條件。

表2 雙排雙層貝雷——現(xiàn)澆箱梁跨徑區(qū)間劃分

表3 三排雙層貝雷——現(xiàn)澆箱梁跨徑區(qū)間劃分

綜合表1、2可知：

(1) 支點腹板厚≤0.70 m時，貝雷最大適用跨徑受到剛度條件控制；當(dāng)支點厚度>0.70 m時，貝雷最大適用跨徑受彎矩容許值控制，由于最大適應(yīng)跨徑控制條件不同，導(dǎo)致貝雷支架適用性受限。

(2) 常規(guī)跨徑現(xiàn)澆箱梁跨徑超過35 m后，單跨鋼管立柱+雙層加強型貝雷不適應(yīng)。

3 案例驗證

3.1 依托工程及支架設(shè)計

福建泉州臺商投資區(qū)海灣大道二期工程上跨白奇湖采用3×30 m等截面現(xiàn)澆箱梁橋，橋位處水深約為5 m，淤泥深厚約為30 m，若在水中設(shè)置支架中墩，則無法回收，造成浪費。

為節(jié)省成本、縮短工期，擬采用雙層加強型單跨貝雷梁鋼管支架。項目箱梁高1.8 m，支點腹板厚為900 mm，無中橫隔板。依托工程箱梁高跨比：1.8/30=1/16.67∈(1/12.5～1/19.5)，根據(jù)表2可知，支點腹板厚為900 mm，現(xiàn)澆箱梁跨徑30 m屬于三排雙層加強型(21.0，35.7) m區(qū)間，即腹板底可采用三排雙層貝雷布置，具體布置可根據(jù)腹板位置適當(dāng)微調(diào)。如圖2所示。

圖2 海灣大道水上3×30 m現(xiàn)澆箱梁(墩頂)支架布置(單位：mm)

(1) 鋼管立柱采用φ630×10 mm(內(nèi))/φ800×12 mm(最外側(cè))，柱間系采用2[20a型鋼焊接，最外側(cè)鋼管與分配梁采用φ630×10 mm鋼管斜撐，水平傾斜角度為60°。

(2) 鋼管柱上部橫向分配梁采用3HN500×200型鋼。

(3) 底模分配梁采用[20型鋼，倒扣在貝雷梁頂部，間距≤400 mm。

3.2 有限元計算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計方案、材料特性及荷載取值(箱梁荷載據(jù)實取，模板取為3.5 kPa)，運用Midas/Civil建立支架有限元模型，貝雷支架計算跨徑為26 m。為驗證該文思路，建模時未考慮支點處豎向腹桿加強。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，擬定計算工況如下：

強度驗算：1.2×(混凝土自重+支架自重+模板自重)+1.4×(施工人員、機具荷載標準值+振搗混凝土荷載標準值)。

剛度驗算：1.0×(混凝土自重+支架自重+模板自重)。

計算結(jié)果如表4所示。

表4 貝雷梁計算結(jié)果(未考慮支點抗剪加強)

表4表明：貝雷梁彎曲組合應(yīng)力、變形值均滿足受力要求且僅需對支點腹桿加強，貝雷布置符合標準化、快速化要求，具有合理安全儲備。

4 結(jié)論

以常規(guī)跨徑水上現(xiàn)澆箱梁采用單跨鋼管立柱+加強型雙層貝雷支架為研究對象，研究加強型雙層貝雷選型與適應(yīng)性，得到結(jié)論如下：

(1) 以箱梁腹板底貝雷布置這個關(guān)鍵，通過力學(xué)推導(dǎo)，編制“單跨鋼管立柱+加強型雙層貝雷支架”選型表格，可用于該類支架快速設(shè)計。

(2) 常規(guī)跨徑現(xiàn)澆箱梁跨徑≥35 m，單跨鋼管立柱+雙層加強型貝雷不適應(yīng)。

(3) 通過貝雷梁容許值反算及Midas有限元計算結(jié)果對比，可知貝雷梁容許值計算結(jié)果偏于保守。