支架支撐體系中貝雷梁的研究進(jìn)展

魏永平，粟學(xué)平，丁振亞，胡械，伍豪

（1.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290；2.中交廣航局第五工程有限公司，重慶 401329）

隨著國(guó)家持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，許多基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到了井然有序的推進(jìn)。南水北調(diào)、西氣東輸、三峽工程、青藏鐵路等多個(gè)項(xiàng)目正在建設(shè)或已建成。在此過程中，橋梁工程項(xiàng)目也占了較大的比例。隨著中國(guó)道路橋梁建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，高墩、大跨度橋梁等結(jié)構(gòu)類型與各種復(fù)雜的地質(zhì)條件在實(shí)際工程中屢見不鮮，這對(duì)工程的設(shè)計(jì)與施工造成了嚴(yán)重的干擾。因此，根據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境與施工條件，使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、體系安全可靠、易于施工、經(jīng)濟(jì)合理的施工方法來(lái)解決此類問題是當(dāng)前橋梁建設(shè)方向的研究重點(diǎn)。

在實(shí)際橋梁施工中，常使用的方法一般是預(yù)制安裝法、懸臂澆筑法和支架現(xiàn)澆建筑法。使用預(yù)制安裝法時(shí)，會(huì)因構(gòu)件之間有大量拼接的縱縫而需要大型吊掛運(yùn)輸裝置，大大增加了施工費(fèi)用。在懸臂施工時(shí)使用的施工機(jī)械設(shè)備會(huì)浪費(fèi)部分空間，同時(shí)也會(huì)提高橋梁的高度，產(chǎn)生非必要的浪費(fèi)。目前支架澆筑施工技術(shù)已成為公路橋施工技術(shù)中最普遍的一項(xiàng)。在采用該方式建造的過程中，使用的支撐結(jié)構(gòu)仍以滿堂式支撐為主，但隨著國(guó)內(nèi)施工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，采用貝雷梁或貝雷梁和綜合滿堂式支撐的支撐結(jié)構(gòu)已形成一種趨勢(shì)。

貝雷梁最初由二戰(zhàn)期間的英軍建筑兵制作并應(yīng)用于軍隊(duì)。后于1965 年定型制造，并在全國(guó)得到大力發(fā)展，主要應(yīng)用于城市交通運(yùn)輸、建筑、水利等領(lǐng)域[1]。近年來(lái)，貝雷梁因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于橋梁建設(shè)。其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到實(shí)際工程中混凝土的澆筑及橋梁能否滿足設(shè)計(jì)要求，加之目前貝雷梁的實(shí)際應(yīng)用尚處于發(fā)展初期，還沒有施工的系統(tǒng)性理論指導(dǎo)。因此，對(duì)貝雷梁進(jìn)行力學(xué)特性、實(shí)際工程等方面的研究就顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)貝雷梁已經(jīng)做了大量的研究，也取得了豐厚的研究成果。本文主要從理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用2 個(gè)方面對(duì)貝雷梁的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。

1 理論研究

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)貝雷梁進(jìn)行了大量的研究，同時(shí)也取得了不少成果。在理論計(jì)算方面，張科輝[2]以森林山大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，詳細(xì)介紹了該工程采用的鋼管柱-貝雷梁組合支柱，并對(duì)其構(gòu)件及材料進(jìn)行了力學(xué)分析與計(jì)算，為相似工程的設(shè)計(jì)施工積累了經(jīng)驗(yàn)；在此之后，為研究組合支架在大型車站的適用性，祁鵬宇[3]對(duì)鋼管支柱-貝雷梁支架的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在豎向變形、地基承載力等方面均滿足施工要求，為類似的工程施工提供了指引。

在理論研究方面，只有少數(shù)學(xué)者采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)與力學(xué)公式計(jì)算進(jìn)行研究，而大多數(shù)學(xué)者常利用MidasCivil、ANSYS 等有限元軟件對(duì)貝雷梁進(jìn)行分析。梁方[4]利用MidasCivil 有限元軟件對(duì)大跨度現(xiàn)澆梁的支架體系進(jìn)行分析，研究表明，使用該軟件分析既能精確計(jì)算貝雷片和鋼管樁的數(shù)量、間距，又能使施工設(shè)計(jì)更加合理，為今后相似工程的設(shè)計(jì)施工提供了參考。仇天天等[5]利用MidasCivil 有限元軟件，對(duì)上承式與下承式“321” 型貝雷梁進(jìn)行了靜力性能計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際工程數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：上承式與下承式貝雷梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)均為下旋桿受拉、上旋桿受拉，且跨中界面的位移和應(yīng)力最大；在產(chǎn)生的內(nèi)力、反作用力等結(jié)構(gòu)響應(yīng)中，上承式貝雷梁比下承式貝雷梁均勻。高忠虎等[6]根據(jù)某大橋門式墩的實(shí)際施工，利用MidasCivil 有限元軟件對(duì)鋼管支架、貝雷梁等展開了計(jì)算和分析，得出鋼管貝雷梁支架能夠滿足受力要求、加快施工進(jìn)度、保障安全和性能的結(jié)論，為類似工程施工積累了理論經(jīng)驗(yàn)。

相比于MidasCivil 有限元軟件，專家們更常使用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行研究。符強(qiáng)等[7]以實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)為背景，通過ANSYS 軟件構(gòu)建了貝雷梁支架的空間模型，對(duì)其剛性、抗拉強(qiáng)度做了測(cè)算，并對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的貝雷梁模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值誤差較小，且其結(jié)構(gòu)受力更加合理，有利于實(shí)際工程中降低工程造價(jià)，縮短工期。杜瑞[8]借助ANSYS 軟件，以某鐵路的施工方案為基礎(chǔ)，研究了貝雷梁支架的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，研究發(fā)現(xiàn)，即使在最不利工況條件下，該支架系統(tǒng)仍滿足總體強(qiáng)度要求，并且總結(jié)了影響該支架系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，為類似工程的施工提供了理論依據(jù)。為探究貝雷梁的強(qiáng)度與剛度受貝雷梁間節(jié)點(diǎn)剛度的影響規(guī)律，謝曉鵬等[9]使用ANSYS 軟件對(duì)結(jié)點(diǎn)實(shí)施了仿真，并對(duì)貝雷梁展開了有限元分析，結(jié)果顯示，在大跨度不變時(shí)，貝雷梁的最大位移和最大應(yīng)力都隨著節(jié)點(diǎn)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的增大而降低；而當(dāng)跨度加大時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度差異所形成的最大位置差也將增加。許貴滿等[10]利用ANSYS軟件，對(duì)貝雷梁鋼便橋的三維模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析，研究結(jié)果表明，貝雷梁的最大豎向偏移將隨著速度的加快而增大，貝雷梁內(nèi)外側(cè)的變形有微小差異且加強(qiáng)弦桿對(duì)此無(wú)明顯改善效果。為探究保定某大橋貝雷梁支架的失穩(wěn)原因，楊昌民等[11]借助ANSYS 有限元軟件，對(duì)該處貝雷梁支架進(jìn)行了模擬與失穩(wěn)計(jì)算，總結(jié)了導(dǎo)致此類工程發(fā)生失穩(wěn)的原因，并且提出了預(yù)防貝雷梁失穩(wěn)破壞的措施。

2 實(shí)際工程應(yīng)用

除了對(duì)貝雷梁的特性進(jìn)行理論研究外，還有諸多學(xué)者針對(duì)貝雷梁在實(shí)際工程中的應(yīng)用展開了大量研究。趙建民[12]詳細(xì)闡述了石家莊市某工程的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算過程，該工程充分利用鋼管柱貝雷梁架設(shè)快捷、適應(yīng)性強(qiáng)、承載力大等優(yōu)點(diǎn)，解決了大面積、大跨度現(xiàn)澆框架梁板的施工難題，為今后類似問題的處理積累了經(jīng)驗(yàn)；邱官發(fā)[13]根據(jù)某鐵路高架車站施工案例，詳細(xì)闡述了單跨雙層貝雷梁的應(yīng)用，這種措施具有改善施工效率、減少施工過程中腳手架不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，為類似工程的設(shè)計(jì)和施工積累了經(jīng)驗(yàn)；馬帥等[14]對(duì)支撐下降點(diǎn)進(jìn)行了跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)支撐非變形均低于6 mm，梁底板混凝土的外平整性均低于5 mm，而且其曲線流暢、輪廓清晰，未發(fā)現(xiàn)任何裂紋，從而證實(shí)了該方法在實(shí)際施工中是很有效的；張志華[15]以上海市某工程為背景，詳細(xì)闡述了該工程采用貝雷梁施工的原因，并對(duì)施工方案的內(nèi)力和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，介紹了施工過程的控制點(diǎn)和控制措施，為以后類似工程的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

上述研究均針對(duì)貝雷梁的單獨(dú)應(yīng)用，而在實(shí)際工程中，常采用貝雷梁與其他支架組合支撐，因此也有很多研究圍繞著組合支撐展開。陳志勇[16]對(duì)鋼管樁與貝雷梁在實(shí)際施工中的組合使用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)組合支架具有施工便捷、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，有助于克服雨季洪水和風(fēng)阻的影響；在此基礎(chǔ)之上，劉學(xué)明等[17]基于某立交橋工程，結(jié)合相關(guān)規(guī)范和理論分析，系統(tǒng)地闡述了鋼管柱貝雷梁的驗(yàn)算方法和施工工藝，提出了經(jīng)濟(jì)適用的貝雷梁布置方案；蘇偉業(yè)[18]基于某實(shí)際工程，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下鋼管柱體-貝雷梁的使用展開研究，發(fā)現(xiàn)此類支架體系不易受地質(zhì)條件、空間高度等的限制，且具有簡(jiǎn)便易操作、搭建速度快、施工成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)；以某六連拱渡槽實(shí)際工程為研究背景，溫江凡等[19]基于應(yīng)力、形變等參數(shù)的控制，分析了貝雷梁組合拱架在幾種結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況，得出了最合理實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式，且其相較于其他結(jié)構(gòu)形式，更有利于減小最大豎向變形；魏勇剛[20]對(duì)某大跨度橋梁的設(shè)計(jì)施工過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并提出貝雷梁和平行弦桁架組合支架體系，該支架體系受項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)條件、地基承載力的影響較小，且具有經(jīng)濟(jì)適用、靈活的優(yōu)勢(shì)，有利于復(fù)雜軟土地基地區(qū)的施工；以某實(shí)際工程為例，史艷等[21]采用滿堂支柱、貝雷梁等按一定的方法構(gòu)成支柱系統(tǒng)，該支柱系統(tǒng)在施工中可節(jié)約大量材料，且在架設(shè)和拆除方面非常方便快捷，具有一定的推廣價(jià)值；楊泉勇[22]針對(duì)貴州某工程項(xiàng)目，開展了貝雷梁-鋼管柱設(shè)計(jì)與施工應(yīng)用的研究，利用有限元軟件進(jìn)行了穩(wěn)定性、地基承載力等參數(shù)的計(jì)算，并應(yīng)用于實(shí)際工程，結(jié)果表明，該貝雷梁支撐體系能很好地滿足要求，并且在施工過程中有很好的應(yīng)用。

3 結(jié)論

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)貝雷梁的特性及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用，采用理論公式計(jì)算、有限元軟件數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了大量研究，取得了豐碩的成果。這些成果對(duì)更好地了解貝雷梁特性、形成更加規(guī)范的貝雷梁施工工藝等具有重要的意義。

本文主要從理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用2 個(gè)方面對(duì)貝雷梁的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，得出以下結(jié)論：①貝雷梁支架具有施工方便、工期短、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地適用于地基承載力弱、山區(qū)及施工條件差的地區(qū)，對(duì)大跨度梁、高墩梁等工況條件下的施工有較好的應(yīng)用。②使用數(shù)值模擬軟件能夠較為精準(zhǔn)地計(jì)算貝雷梁的各項(xiàng)參數(shù)，使施工設(shè)計(jì)更加合理；且可以利用軟件對(duì)貝雷梁模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其模型計(jì)算值更貼近于實(shí)測(cè)數(shù)值、結(jié)構(gòu)受力更合理，有益于減少實(shí)際工程中的造價(jià)并縮短施工工期。③通過對(duì)貝雷梁在實(shí)際工程中應(yīng)用的研究，發(fā)現(xiàn)了組合支架在施工過程中可靈活調(diào)整、能滿足復(fù)雜地區(qū)的施工，并提出了相應(yīng)的檢驗(yàn)方法與施工工藝；特別是鋼管柱-貝雷梁組合設(shè)計(jì)具有承載力大、安全可靠、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服大跨度、大面積現(xiàn)澆梁的施工問題，且能夠有效減小風(fēng)阻力與雨季行洪等不利條件的影響。