橋梁施工中盤扣-貝雷梁組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用

王博文

（誠合瑞正風險管理咨詢有限公司 北京市 100855）

橋梁和隧道施工過程中，臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計是施工設(shè)計的重要組成部分，其安全可靠、經(jīng)濟合理史影響橋隧工程施工的重要因素之一。郝晉新[1]以淮南孔李淮河大橋頂推施工為工程背景，對步履式頂推施工中的臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究，設(shè)計驗算了臨時墩及鋼箱梁的受力和變形問題；徐建強[2]重點研究了受現(xiàn)場場地制約和湍急河流條件的貝雷梁的索吊架設(shè)施工技術(shù)。薛芳[3]以武咸公路高架橋鋼箱梁胎架工程實例，討論了型鋼胎架的有限元結(jié)構(gòu)檢算、鋼架安裝等環(huán)節(jié)中較為可行的工程措施。武道凱[4]以梁式支架為例，首先介紹了現(xiàn)行臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計理論對于施工活荷載的取值方法，然后從理論及實際工程兩個層面上分析了這種取值方法的保守程度，最后提出了梁式支架施工活荷載的合理取值方法。王鵬[5]以跨京杭運河大橋為例，采用可靠度方法研究了采用支架法施工過程中橋梁暫態(tài)結(jié)構(gòu)的安全性，完善了施工過程安全分析分析方法。劉明虎[6]以港珠澳大橋青州航道橋為例，在抖拉橋上部結(jié)構(gòu)雙懸臂施工時，采用臨時拉索平衡結(jié)構(gòu)體系代替?zhèn)鹘y(tǒng)的臨時墩來抵抗不平衡荷載作用，結(jié)果表明該方法可以以增大懸臂抵抗不平衡載荷作用、提高橋梁抵抗動風荷載作用的能力，降低施工期的抖振響應(yīng)。針對不同橋隧和不同的施工環(huán)境，需要有不同的臨時結(jié)構(gòu)，本文以貴州安順某橋梁為例，研究該橋梁臨時結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

1 工程概況

四川省成都市某大橋0號墩~2號墩為一28.36 m+28.36 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁寬為12.3 m，該橋梁體高為1.8 m，所需支架最大高度為22 m，由于該橋梁底高度整體不大，采用支架現(xiàn)澆法施工，擬采用盤扣+貝雷梁+鋼管柱組合結(jié)構(gòu)支架，鋼管立柱下為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，該臨時結(jié)構(gòu)一排立柱位于以土質(zhì)邊坡上，土質(zhì)為紅粘土，該臨時結(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵是在于準確確定各個鋼管柱的軸力，并設(shè)計時要注意邊坡的安全性。

2 臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

底模采用15 mm厚竹膠板，腹板及底板倒角下方木（10 cm×10 cm）縱橋向布置，間距為10cm，底板下間距為20 cm；單I10工字鋼均橫橋向布置，縱向間距為1.2m。盤扣在橫向設(shè)13根，自梁斷面中心對稱分布，自左向右間距為：1.5 m+0.6 m+0.6 m+1.2 m+1.2 m+0.6 m+0.6 m+1.2 m+1.2 m+0.6 m+0.6 m+1.5 m，縱向間距為1.2 m。盤扣架下為雙拼I10工字鋼做分配梁，縱向間距為1.2 m；下設(shè)貝雷梁17榀沿縱向布置，貝雷梁坐落在雙拼40 A的工字鋼上，工字鋼下設(shè)直徑為630 mm、壁厚為10 mm的鋼管柱，鋼管柱下設(shè)鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，在梁的小里程位置有一個邊坡，由于地形限制，臨時結(jié)構(gòu)的柱支架放置在邊坡上，設(shè)置詳見設(shè)計圖1。

圖1 臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3 臨時結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算

3.1 計算模型

為了增加計算的準確性，結(jié)構(gòu)計算采用Midas計算軟件進行整體建模分析。計算模型如圖2所示。

圖2 整體計算模型

3.2 梁底盤扣系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)

3.2.1 竹膠板和方木計算結(jié)果

根據(jù)有限元計算結(jié)果，竹膠板最大彎曲應(yīng)力為1.75 MPa，小于設(shè)計強度24 MPa，滿足強度要求；竹膠板最大擾動為0.1 mm，小于容許撓度0.5 mm。

方木最大彎曲應(yīng)力為：5.66 MPa，小于設(shè)計強度13MPa，最大撓度為0.84 mm，小于容許撓度的設(shè)計值：3.0 mm。

3.2.2 盤扣架上方I10小工鋼計算結(jié)果

盤扣架上I10號工鋼最大彎曲應(yīng)力為σ=184.5 MPa<215 MPa，滿足要求。

最大剪切應(yīng)力為：τ=124.4 MPa<125 MPa，滿足要求。

10號I鋼的位移最大值為：δ=1.2 mm<1200 mm/400=3 mm，滿足要求。

3.2.3 盤扣支架強度計算

根據(jù)有限元計算結(jié)果，盤扣支架最大載荷為：N=73 kN；

立桿長細比：λ=l i=1800/20.1=89.6＜150，滿足要求。查表得，軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù)φ=0.554。立桿強度滿足式（1），穩(wěn)定性滿足要求。

3.2.2 盤扣支架下方的分配梁（雙工10）計算結(jié)果

強度組合下的最大應(yīng)力為98.6 MPa<215 MPa，滿足要求。最大剪應(yīng)力為：τ=79.2 MPa<125 MPa，滿足要求。

3.3 梁底貝雷梁計算結(jié)構(gòu)

3.3.1 弦桿和斜桿強度計算

貝雷梁的弦桿的最大軸力為256 kN<560 kN，滿足要求。斜桿的最大軸力為159 kN<171.5 kN，滿足要求。

3.3.2 豎桿強度計算

豎桿的最大軸力為211.8 kN>210 kN，但沒有超過5%，滿足要求，但要注意最大值分布的位置，必要時進行豎桿加強。

3.3.3 撓度計算

貝雷梁撓度最大為18.2 mm<12000/400=30 mm，滿足要求。

3.4 鋼管立柱計算結(jié)果

強度組合立柱反力（或強度組合的立柱軸力圖）如圖3所示。

圖3 鋼管立柱支反力（強度組合）

安裝支架立柱時，考慮安裝誤差及偏心，偏心距為5 cm。

3.4.1 考慮偏心的強度分析：

根據(jù)以上計算結(jié)果，考慮偏心狀態(tài)下立柱的強度計算，結(jié)果如式（2）

3.4.2 穩(wěn)定計算的強度分析：

取μ=1，l=22 m，得：i=0.211 m，λ=61.6，查表得：φ=0.797；計算Ne如式（3）

根據(jù)以上計算結(jié)果，確定柱子的穩(wěn)定應(yīng)力如式（4）所示。

鋼管柱穩(wěn)定性滿足要求。

4 邊坡穩(wěn)定性驗算

該邊坡第一平臺處高為9.5 m，土質(zhì)為紅黏土類，根據(jù)現(xiàn)場勘察，該土物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學參數(shù)

根據(jù)以上計算結(jié)果，確定作用在邊坡上鋼管柱下基礎(chǔ)基地應(yīng)力為115 kPa，當?shù)丶t黏土的地基承載力特征值為135 kPa，若邊坡不發(fā)生滑動破壞，該邊坡地基承載力應(yīng)滿足要求。因此需要驗算邊坡的穩(wěn)定性。

采用極限平衡法確定邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)如圖4所示。計算所得最小安全系數(shù)為0.785，不滿足安全要求，需要加固邊坡。

圖4 加固前邊坡的穩(wěn)定計算結(jié)果

為了增加邊坡的穩(wěn)定性，同時加固鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)下的地基承載力，在條形基礎(chǔ)下設(shè)置單排抗滑樁，樁體采用φ108 mm的鋼管樁，間距為1 m，布置在條基中心，加固后的邊坡的穩(wěn)定性計算如圖5所示，計算所得最小安全系數(shù)為1.249，滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）對臨時邊坡安全系數(shù)要求不小于1.20的要求。

圖5 加固后邊坡的穩(wěn)定計算結(jié)果

5 結(jié)論

采用整體有限元模型對現(xiàn)澆支架體系進行了分析，結(jié)論如下：

（1）采用MIDAS建立整體模型分析，能準確地計算出臨時支架受力較大的部位，便于確定臨時結(jié)構(gòu)施工風險較大和需要重點監(jiān)控的位置，為臨時結(jié)構(gòu)安全施工提供依據(jù)。

（2）盤扣支架體系滿足強度和變形要求；但盤扣架上方部分位置單I10抗剪偏弱，建議注意該位置的施工質(zhì)量。

（3）貝雷梁斜桿、弦桿滿足強度和變形要求，但是豎桿部分位置較弱，建議該位置加強豎桿，避免貝雷梁剪壞；

（4）邊坡穩(wěn)定不能滿足要求，采用鋼管樁進行加固，即可以提高地基承載力，同時起到抗滑樁的作用，經(jīng)計算，加固后的邊坡穩(wěn)定性滿足要求。