贝雷架在桥梁快速施工中的应用

翟文静,张茂华

(1.北京鑫实路桥建设有限公司,北京 102206;2.北京建筑工程学院土木与交通工程学院,北京 100044)

1 工程概况

某跨越四环路立交桥设计采用钢-混凝土组合体系。为了减少钢箱梁架设施工对四环主路的影响,需要在四环主路上搭设临时支架进行钢箱梁的拼接及随后的混凝土浇筑工作,支架平面布置如图 1所示。为了减少施工对四环主路路面的破坏,拟采用贝雷架搭设施工平台的技术方案。由于贝雷架具有抗弯能力较强,抗剪能力弱的特点,而钢箱梁吊拼过程中采用砂箱作为临时支座,在临时支座处产生的较大集中力故要求贝雷架提供较大的抗剪能力。因此控制贝雷架的抗剪能力是否满足要求是临时支架设计中的关键问题。通常贝雷架的变形是控制设计的主要因素,为保证施工安全,采用现场试验测试贝雷架主梁的挠度,验证变形计算的准确性。同时,为满足桥梁快速施工的要求,贝雷架设计需综合考虑合理的架设和拆除问题。

2 贝雷架设计与安全性验算

2.1 贝雷架设计方案

贝雷架设计方案如图 2所示。其中主梁由四榀贝雷架组成,长度为 12m,计算跨径为 9m;支架单柱为 3榀贝雷架组成,高度为 9m。在柱脚设置专用础板将贝雷架和基础连接,柱顶放置下顶梁,在其上放置分配梁,主梁设置在分配梁上。

主梁桁架由上、下弦杆、竖杆及斜杆焊接而成,上下弦杆的端部采用阴阳结构,接头上设有桁架连接销孔。桁架构件的材料为 16Mn钢,每片桁架重270 kg。主梁桁架之间靠桁架连接销传递剪力,桁架连接销材料为 30CrMnSi钢,直径为49.5mm,材料屈服应力为 1300MPa,桁架连接销的容许拉应力和容许弯曲应力为 1105MPa,容许剪应力 585MPa。

2.2 贝雷架的抗剪性能

2.2.1 桁架抗弯能力计算

式中:n为桁架排数;ξ为桁架荷载分配折减系数;

图1 支架平面布置

单层双排时 ξ=1.0,三排时 ξ=0.333/0.35=0.95;

[N]为弦杆容许承载力(kN);H为桁架计算高度。

2.2.2 桁架容许抗剪能力计算

式中:k为系数,为 1.43;

ξ为分配折减系数,三排桁架取 0.95,其余取 1.0;

n为桁架排数;

[Nx]为斜杆容许承载力取 171.5 kN。

图2 支架设计方案

在文献[2]中,不加强单排单层桥梁容许内力为弯矩788.2 kN·m,剪力为 245.2 kN。本桥钢箱梁单个支点的设计荷载为 360 kN,最大的弯矩约为 1152 kN·m,最大的剪力为 624 kN。考虑钢箱梁施工荷载为集中力,而标准桁架设计荷载为均布力,故不能简单地通过增加桁架片数提高承载能力。故选用 4片桁架,荷载分配折减系数取 0.85进行验算。分别验算桁架的竖杆、斜杆和桁架连接销的抗剪性能,验算结果见表1。

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通过比较竖杆、斜杆和桁架连接销的验算结果可以看出,桁架以竖杆抗剪控制设计。主梁的两端支点作用位置为斜杆和下弦杆件交汇处,具有较好的抗剪性能,可以按单跨贝雷架梁容许内力值设计。集中荷载作用位置不是作用在斜杆和弦杆交汇处,由于考虑荷载横向折减后,4片贝雷架的竖杆的容许承载力大于设计剪力,故集中荷载作用在竖杆处不需要其他加强措施。集中荷载作用在单个弦杆上时,在4片贝雷架上采用对称布置加强竖杆,加强的竖杆采用磨光顶紧的办法与上下弦杆顶紧,不得采用焊接。同时,为保证桁架的横向稳定,增加了横向连接系构件,采用螺栓和桁架连接。加强竖杆设置位置示意图见图 3所示,根据荷载作用的不同位置而设置。最左边的图中荷载作用在单弦杆上,故需要设置加强竖杆。

2.3 贝雷架的变形控制

钢箱梁拼接过程中,高强螺栓的对接精度要求较高,支架的变形控制是保证拼接精度的关键。采用了理论计算和试验实测相结合的方法进行支架变形控制。贝雷架的挠度由两部分组成,一部分是单销间隙产生的非弹性变形,另一部分为荷载引起的弹性变形。在弹性挠度中需要同时考虑恒载和活载作用,活载需要考虑一定的动力系数;弹性挠度需要考虑腹杆的剪切变形对挠度计算的放大作用。

本贝雷架为偶数节,偶数节简支梁的非弹性挠度按荷载作用下的错孔挠度曲线推导出的跨中最大挠度公式计算:

式中取 n=4,贝雷架的非弹性挠度为 0.8cm;

荷载引起的弹性挠度采用B·C·卡秋林公式计算:

式中:f为桁架由荷载引起的弹性挠度(cm);

l为桁架的计算跨度(m),本例中 l=9m;

h0为桁架在支座处的计算高度(m),h0=1.5m;

h为桁架的计算高度(m),为 h=1.5m;

E为桁架所用材料的弹性模量(N/cm2),E=2.1×107N/cm2;

Kdf为活载的横向分配系数,等于 0.1767;

I为桁架的截面的惯性矩,I=1001988cm4;

Keq为荷载的等挠度等代荷载(N/cm),Keq=64.2 N/cm。

代入(4)式得:f0+f=0.8+0.45=1.25cm

故贝雷架主梁总挠度:f0+f=0.8+0.45=1.25cm

2.4 贝雷架测试

鉴于目前施工现场使用的桁架器材已经重复使用多次,连接焊缝和杆件有锈蚀现象,而销与孔的实际间隙与工厂加工精度有关,对挠度的计算准确性有较大的影响,故通过现场对主梁进行测试来校对挠度计算的正确性以及验证横向分配系数取值的合理性。

在平整的场地上用贝雷架拼接成跨度为 9m的简支梁结构体系。在每一个节点下方沿各片贝雷架下设置挠度计,同时在桁架的弦杆上下缘设置应变片,控制弦杆的应力。加载最大值为 6.4 t/m,共分 5级加载,第一级为 2.4 t/m,依次增加 1.0 t/m,分别测试各级荷载作用下的贝雷架主梁最大挠度(图 4所示)。

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现场实测主梁的挠度为1.34cm,略微大于理论计算值,主要原因主要为贝雷架的多次使用磨损导致的销孔间隙增大。最终采用实测变形值作为贝雷架的变形控制值,保证了钢箱梁高强螺栓拼接的顺利实施。

图4 挠度测试点和应变片布置

3 贝雷架的架设和拆卸

由于贝雷架的架设和拆卸受到现场工作空间和机械的限制,为了加快施工进度,结合起重机工作空间的限制要求,提出了整体拼装架设贝雷架和分片拆卸贝雷架的施工方案。

在地面将柱子和主梁分别拼装完成,采用起重机直接吊装,由于单榀主梁为 4320 kg,所以吊重不大,待主梁提升到位之后,再拼装横向连接系。

拆卸过程中,首先解除主梁之间的横向连接,再将一榀贝雷架主梁和钢箱梁固定到一起,采用钢丝绳固定,拆除贝雷架主梁上的连接销,形成单独的贝雷片。再采用定滑轮将贝雷片从箱梁底板滑出,降到地面上。重复此工作,最终完成其他贝雷主梁的拆卸工作。而柱子的拆卸工作,可以将柱子放倒后再拆卸。支架拆卸过程示意见图5。

图5 分片拆卸主梁示意

拆除过程中,先将贝雷梁和钢箱梁连接,再将其拆为单个贝雷片,采用定滑轮拉出。

4 结束语

贝雷架应用于桥梁快速施工中可实现经济、安全、快速的目的。但当贝雷架承受集中荷载时,抗剪性能差的问题往往妨碍了其在工程中的广泛应用。本文结合实际工程,采用设置加强竖杆的设计方案,满足了贝雷架承受集中荷载的抗剪要求。同时,通过理论分析和现场试验进行了贝雷架变形控制研究,实现了钢箱梁高强螺栓连接的精度控制。另外,为达到支架施工简便快速安全的目的,提出了整体拼装架设贝雷架和逐步拆卸贝雷架的施工工法。通过贝雷架在本工程中的实际应用,证明此施工工法安全实用,可在类似工程中推广应用。

[1]GB 50017-2003钢结构设计规范[S]

[2]黄绍金,刘陌生.装配式公路钢桥多用途使用手册[M].北京:人民交通出版社,2002

[3]顾安邦.桥梁工程(下)[M].北京:人民交通出版社,2001