貝雷梁支架與普通型鋼支架在現(xiàn)澆箱梁施工中的應用對比分析

摘 要：在快速路工程中，為車輛和行人通行設置的門洞設計至關重要，支架系統(tǒng)的選擇和設計直接影響工程的安全性和穩(wěn)定性。該文以沈陽市某快速路工程為背景，分析和比較“貝雷梁+盤扣支架”與“型鋼+盤扣支架”2種支架形式。通過使用Midas Gen建立有限元模型，對2種支架形式進行模擬和分析。計算得出貝雷梁+盤扣支架最大組合應力為190 MPa，型鋼+盤扣支架最大組合應力為203 MPa，且貝雷梁+盤扣支架在關鍵受力部位的應力分布較為均勻。綜合評價2種施工方案的適用性，為類似工程提供參考。

關鍵詞：貝雷梁支架;快速路工程;門洞;支架系統(tǒng);有限元分析

中圖分類號：U445 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0089-04

Abstract： In expressway projects， the design of door openings for vehicles and pedestrians is crucial. The selection and design of support systems directly affect the safety and stability of the project. Based on a expressway project in Shenyang City， this paper analyzes and compares two support forms： Bailey beam + coil buckle support and section steel + coil buckle support. Two stent forms were simulated and analyzed by establishing a finite element model using Midas Gen. The calculation shows that the maximum combined stress of Bailey beam + disc buckle bracket is 190 MPa， and the maximum combined stress of section steel + disc buckle bracket is 203 MPa， and the stress distribution of Bailey beam + disc buckle bracket is relatively uniform at key stress positions. Comprehensively evaluating the applicability of the two construction plans can provide reference for similar projects.

Keywords： Bailey beam support; expressway project; door opening; support system; finite element analysis

在現(xiàn)代城市基礎設施建設中，快速路工程因其高效的交通疏導功能，成為城市交通系統(tǒng)中的重要組成部分。在快速路工程中，為確保車輛和行人的順暢通行，門洞的設計和施工尤為關鍵。門洞不僅要滿足通行凈空高度和寬度的要求，還要保證其結構穩(wěn)定性和安全性[1-2]。因此，門洞上方支架系統(tǒng)的選擇和設計直接影響工程的質(zhì)量和安全。在門洞上方支架的設計中，常見的支架形式有“貝雷梁+盤扣支架”和“型鋼+盤扣支架”2種。這兩種支架形式各有特點和優(yōu)缺點，如何選擇合適的支架形式成為施工設計中的一個重要問題。貝雷梁是一種廣泛應用于橋梁施工中的標準化鋼結構，具有高強度和良好的穩(wěn)定性。盤扣支架則是一種多功能的模板支架系統(tǒng)，具有裝拆方便、承載力強、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。型鋼則是建筑工程中常見的鋼材，具有高強度、易加工等特點，與盤扣支架結合使用也能夠提供可靠的支撐[3-5]。

為了科學地評價貝雷梁+盤扣支架和型鋼+盤扣支架2種形式的優(yōu)劣，以沈陽市某快速路工程為背景，著重分析門洞上方支架系統(tǒng)的設計和應用。利用Midas Gen軟件建立有限元模型，對2種支架形式在門洞上的應用進行模擬和分析。具體而言，通過有限元分析，我們可以得到2種支架形式在最大組合應力、最大剪應力和最大變形等方面的詳細數(shù)據(jù)，進而對比其在實際應用中的性能。

1 工程概況

采用鋼管樁支架，鋼管柱采用?609 mm×12 mm規(guī)格，柱頂設置砂筒調(diào)整標高，砂筒上橫橋向方向放置3排3拼40b工字鋼?？v向放置I70工字鋼，腹板下方間距40 cm，底板下方間距50 cm，翼板下方間距60 cm，門洞設置凈空為5 m，采用雙向3+2車道，門洞計算跨度為6.2 m。在縱梁上橫向鋪設10 cm×12 cm木方，間距0.2 m，在10 cm×12 cm木方上鋪設底模支架。鋼管橫橋向布置間距為3～3.5 m;鋼管立柱高度為3.5 m;鋼管樁基礎為混凝土條形基礎，寬1.2 m，高0.8 m，長度為21 m，門洞布置形式如圖1所示。

2 支架形式分析

2.1 2種支架研究現(xiàn)狀

支架系統(tǒng)作為支撐和保護結構的重要組成部分，其穩(wěn)定性和可靠性直接關系到整個工程的安全與效率。貝雷梁支架和型鋼支架作為2種常見的支架形式，各自具有獨特的技術特點和應用優(yōu)勢，其研究現(xiàn)狀也呈現(xiàn)出多元化和深入化的趨勢。

貝雷梁支架起源于1938年第二次世界大戰(zhàn)期間，由英國工程師唐納德·貝雷設計，以其架設迅速、機動性能強而著稱。貝雷梁主要由桁架、上下弦桿、豎桿及斜桿等部件組成，通過焊接方式連接，具有結構簡單、組裝靈活的特點，如圖2所示。近年來，貝雷梁支架在橋梁建設、礦山開采、隧道施工等多個領域得到了廣泛應用[6-7]。在理論研究方面，國內(nèi)外學者對貝雷梁支架的力學性能、動力響應及穩(wěn)定性進行了深入探索。通過數(shù)值模擬和實驗驗證，研究人員發(fā)現(xiàn)貝雷梁支架在承受復雜荷載時表現(xiàn)出良好的承載能力和穩(wěn)定性。特別是在爆破作業(yè)等高風險施工環(huán)境中，貝雷梁支架能夠有效保護周邊管線和其他設備免受飛石等沖擊物的破壞。此外，貝雷梁支架的拆裝便捷性也使其在臨時性工程中具有顯著優(yōu)勢。在工程應用方面，貝雷梁支架的應用范圍不斷拓寬。例如，在橋梁施工中，貝雷梁支架常作為滿堂支架的替代品，用于支撐橋梁上部結構;在礦山開采中，貝雷梁支架則用于巷道支護，有效防止圍巖變形和坍塌。隨著施工技術的進步和工程需求的多樣化，貝雷梁支架的設計和施工技術也在不斷創(chuàng)新和完善[8-10]。

型鋼支架，作為另一種常見的支架形式，以其強度高、剛度大、耐腐蝕等特點在土木工程領域得到了廣泛應用。型鋼支架主要由各種規(guī)格的型鋼（如工字鋼、U型鋼等）通過焊接或螺栓連接而成，具有結構穩(wěn)定、承載能力強等優(yōu)點。在理論研究方面，型鋼支架的研究主要集中在結構優(yōu)化設計、承載力分析及穩(wěn)定性評估等方面。研究人員通過理論分析和數(shù)值模擬手段，對型鋼支架在不同工況下的受力性能和穩(wěn)定性進行了深入研究。同時，針對特定工程需求，如煤礦井巷支護、高層建筑模板支撐等，研究人員還開發(fā)了多種專用型鋼支架系統(tǒng)，以滿足不同工程環(huán)境的特殊要求。在工程應用方面，型鋼支架的應用范圍也十分廣泛。在煤礦開采中，U型鋼支架因其良好的支護性能和適應性而被廣泛采用，用于巷道支護和頂板管理;在高層建筑和大型公共設施建設中，型鋼支架則作為模板支撐系統(tǒng)的重要組成部分，確保了施工過程中的結構穩(wěn)定性和安全性。

貝雷梁支架和型鋼支架各有千秋，在不同工程領域發(fā)揮著重要作用。貝雷梁支架以其架設迅速、拆裝便捷的特點在臨時性工程和高風險施工環(huán)境中具有顯著優(yōu)勢;而型鋼支架則以其高強度、高剛度的特點在需要長期承載和穩(wěn)定支護的工程中占據(jù)主導地位。

門洞上方支架施工重點主要在于確保支架系統(tǒng)承受并均勻分配施工荷載，控制支架在施工荷載下的變形。支架系統(tǒng)的安裝和拆卸效率，以及對于現(xiàn)場條件復雜，地形不平、空間受限等情況，結合項目需求，合理選擇支架形式，確保工程順利進行，基于原有普通型鋼支架布置形式，將橫向分配梁替換成貝雷梁，2種布置方式分別采用有限元軟件建模計算，依據(jù)計算結果與施工方式綜合評判2種支架布置方式的適用性。

2.2 貝雷梁+盤扣支架

貝雷梁是一種通用性強的橋梁鋼結構，常用于臨時橋梁和支架系統(tǒng)，以其卓越的通用性和強大的承載能力，在臨時橋梁構建及復雜支架系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色。其設計精妙，能有效承載并分散重壓，確保結構穩(wěn)固。與此同時，盤扣支架作為現(xiàn)代模板支撐技術的典范，憑借裝拆便捷、承載高效、穩(wěn)定性卓越等特性，極大地提升了施工效率與安全性。兩者均采用標準化組件設計，不僅便于現(xiàn)場快速組裝與拆卸，還能靈活調(diào)整長度，滿足不同施工場景的需求，展現(xiàn)了高度的適應性與靈活性。然而，值得注意的是，貝雷梁雖性能卓越，但其制造與運輸成本相對較高，且需定期進行專業(yè)維護，以保障其在長期服役過程中的安全與效能，這對成本控制與后續(xù)管理提出了更高要求。

2.3 型鋼+盤扣支架

型鋼相對于貝雷梁而言，成本較低，經(jīng)濟性較好。型鋼在市場上較為常見，采購方便。型鋼具有較高的強度和剛度，能夠提供可靠的支撐。同樣受益于盤扣支架系統(tǒng)的標準化組件，安裝和拆卸方便。但其長度和尺寸固定，靈活性較差，無法根據(jù)實際需要進行調(diào)整，且因其重量較大，運輸和搬運不便。

3 有限元分析

3.1 荷載計算

鋼筋混凝土容重取26 kN/m3，中腹板區(qū)混凝土均布荷載=2.784×26/2.1=34.47 kN/m2;底板下混凝土均布荷載=0.515×26/1=15.13 kN/m2，邊腹板處混凝土均布荷載=3.07×26/2.5=31.928 kN/m2;翼緣板處混凝土均布荷載=2.29×26/4.43=13.44 kN/m2，模板自重取0.8 kN/m2，人行機具運輸、堆放荷載取1.0 kN/m2，澆筑混凝土時產(chǎn)生的荷載取1.0 kN/m2，振搗混凝土時產(chǎn)生的荷載取1.0 kN/m2。組合得到各區(qū)域荷載值，中邊腹板處q1=50.35 kN/m2，邊腹板處q2=47.05 kN/m2，底板處q3=25.21 kN/m2。

3.2 模型建立

利用Midas Gen軟件建立2種支架形式的有限元模型，貝雷梁、鋼管立柱、型鋼等構件均采用梁單元模擬，貝雷梁與橫梁之間采用彈性連接模擬，橫梁與鋼管立柱采用共節(jié)點連接，型鋼與橫梁采用彈性連接，鋼管立柱底部邊界條件采用約束Dx、Dy、Dz模擬。在貝雷梁、型鋼上側(cè)建立板單元并采用彈性連接與之相連，并依據(jù)不同位置處箱梁荷載大小不同劃分板單元，以便于施加箱梁荷載，建立有限元模型如圖3、圖4所示。

1）采用貝雷梁作為主要承重構件，結合盤扣支架系統(tǒng)。

2）采用型鋼作為主要承重構件，結合盤扣支架系統(tǒng)。

3.3 結果分析

利用Midas Gen對貝雷梁+盤扣支架與型鋼+盤扣支架2種方案進行了有限元計算分析，從最大組合應力、最大剪應力和最大變形等方面進行詳細對比，貝雷梁+盤扣支架的最大組合應力較低，表明其在承受相同荷載情況下應力分布更均勻，承載能力更強。貝雷梁+盤扣支架的最大剪應力較低，表明其在抵抗剪力方面表現(xiàn)更佳，能夠更好地分散剪力。貝雷梁+盤扣支架的最大變形較小，表明其整體剛度更高，在相同荷載下的變形控制更好。結果見表1。

通過對有限元計算結果的詳細對比分析，貝雷梁+盤扣支架在最大組合應力和最大剪應力方面表現(xiàn)優(yōu)于型鋼+盤扣支架，說明其承載能力更強，適合高荷載要求的工程。貝雷梁+盤扣支架的最大變形較小，表明其剛度較高，在實際工程中能更好地控制變形，確保結構的穩(wěn)定性和安全性。盡管型鋼+盤扣支架在經(jīng)濟性方面具有優(yōu)勢，但在高荷載和高穩(wěn)定性要求的工程中，貝雷梁+盤扣支架由于其更好的應力分布和變形控制性能，仍然是更為理想的選擇。

根據(jù)工程需求、成本預算和施工條件，在高荷載和高穩(wěn)定性要求的工程中，建議選擇貝雷梁+盤扣支架;在預算有限且對靈活性要求不高的工程中，型鋼+盤扣支架則是更為經(jīng)濟的選擇。

貝雷梁+盤扣支架在關鍵受力部位的應力分布較為均勻，而型鋼+盤扣支架在受力集中處的應力較大。貝雷梁+盤扣支架的整體變形量較小，型鋼+盤扣支架的變形量稍大，但均在安全范圍內(nèi)。2種支架形式均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，但貝雷梁+盤扣支架在側(cè)向穩(wěn)定性上略優(yōu)于型鋼+盤扣支架。

4 結論

通過對沈陽市某快速路工程支架布設方案進行分析比較，得出以下結論。

1）型鋼+盤扣支架在材料成本、運輸成本和維護成本上均具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢，適合預算較為緊張的項目。相對而言，貝雷梁+盤扣支架的材料和維護成本較高，不適合經(jīng)濟性要求嚴格的工程。

2）貝雷梁+盤扣支架在靈活性和適應性方面表現(xiàn)更為出色，適合需要頻繁調(diào)整和復雜施工環(huán)境的工程。而型鋼+盤扣支架則在標準化安裝和拆卸方面具有便捷性，但在靈活性上稍顯不足。

3）貝雷梁+盤扣支架在結構穩(wěn)定性和抗變形能力上優(yōu)于型鋼+盤扣支架，適合高荷載和需要高度穩(wěn)定性的施工項目。盡管型鋼+盤扣支架也能提供可靠的支撐，但在應力集中處的抗變形能力較差。

綜上所述，在實際工程應用中，應根據(jù)具體的工程需求、成本預算和施工條件綜合考慮支架形式的選擇，以確保工程的安全性、經(jīng)濟性和施工效率。貝雷梁+盤扣支架適用于高要求、高復雜度的工程，而型鋼+盤扣支架則適用于預算有限且對靈活性要求不高的項目。

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作者簡介：李士強（1983-），男，助理工程師。研究方向為市政道路橋梁建設。