钢管临时支撑和贝雷架在施工实践中的应用

2011-04-13李云华

山西建筑 2011年2期

李云华

0 引言

贝雷架是形成一定单元的钢架，可以用它拼接组装成很多构件、设备。“贝雷架”又称贝雷片，贝雷梁或桁架，于 1965年定型生产，在我国得到了很大发展，广泛应用于国防战备、交通工程、市政水利工程，是我国应用最为广泛的组装式承重构件。贝雷架具有结构简单、运输方便、架设快捷、载重量大、互换性好、适应性强的特点。“321”钢桥是在原英制贝雷桁架桥的基础上，结合我国国情和实际情况研制而成的快速组装桥梁，于 1965年定型生产，在我国得到了很大发展，成为我国应用最为广泛的组装式桥梁，具有结构简单、运输方便、架设快捷、载重量大、互换性好、适应性强的特点。“HD 200”型装配式公路钢桥增加了桁架高度，提高了承载能力，增强了稳定性能，增加了疲劳寿命，提高了可靠度。与 321型钢桥比，在相同组合情况下，强度提高了 33%，刚度提高了 2.3倍。适用范围:单车道桥面净宽 4.2，组合跨径 9.14 m～76.2m，双车道桥面净宽7.4m，组合跨径9.14m～57.91m。

1 工程概况

环胶州湾高速(市区段)拓宽改造工程双埠立交桥工程WE19～WE20号箱梁为钢混叠合梁，位于既有旧桥的上方。旧桥为双向四车道，宽度为16m，其中WE20号墩柱为分离式双墩，分别位于既有旧桥的两侧，两墩间通过盖梁连接，盖梁横跨既有旧桥，钢混叠合梁直接架设到盖梁上。

WE20墩柱尺寸1.6m×2m，北桥墩与旧桥最近距离为2.2m，南桥墩与旧桥最近距离为2.1 m。WE20盖梁长26.6m，盖梁底宽3.6m，南北桥墩间内侧最小距离为22.4m。盖梁采用预应力混凝土，其中C55混凝土207.9m3，钢筋36.3 t，钢绞线13 t，共计总重569.05 t，其中横梁中部(1.6m宽范围内)占据了66%重量，即为375.6 t，横梁两侧各占据了17%重量，即为96.7 t。

2 贝雷片力学计算

贝雷架按12m+12m+9m为一联计算，采用平面杆系结构建模，上下弦杆及竖杆使用梁单元Beam3模拟，斜腹杆使用杆单元Link1模拟，两片桁架片之间铰接，贝雷架的荷载由分配横梁传递，为模拟移动荷载从而找出不利位置，建模时考虑与分配横梁及纵向分布梁整体建立。WE20盖梁临时门架采用加强型上下两层贝雷片，共计需用贝雷片156片，约43.68 t(贝雷片单片重270 kg，按照 280 kg计算)。临时支墩施工完毕后贝雷片净跨度为 21m，因此贝雷片跨度按照简支梁21m计算。

2.1 荷载组合

1)钢筋混凝土自重(按照全部重量计算):

569.05 t=569.05×1 000×9.8=5 576 690N=5 576.69 kN。

每米荷载:q1=5 576.69÷26.6=208.65 kN/m。

2)贝雷片自重:43.68×1 000×9.8=428 064 N=428.064 kN。

每米荷载:q2=428.064÷21=20.384 kN/m。

3)工字钢荷载:q3=3.4×9.8÷21=1.6 kN/m。

4)其他荷载。倾倒混凝土产生冲击荷载:2.0 kN/m2;振捣混凝土产生荷载:2.0 kN/m2(JTJ 041-2000桥规);施工人员、搬运工具材料等产生荷载:计算模板及小棱时为2.5 kN/m2，计算支架立柱时为1.0 kN/m2(JTJ 041-2000桥规)。

其他荷载组合:q4=(2+2+2.5)×3.6=23.4 kN/m(盖梁底宽3.6m)。

5)荷载分项系数:静载系数为1.2，活载系数为1.4(《路桥施工计算手册》表 8-5)。

总荷载:q=(q1+q2+q3)×1.2+q4×1.4=(208.65+20.384+ 1.6)×1.2+23.4×1.4=309.52 kN/m。

2.2 贝雷片力学计算

1)双排双层加强贝雷片几何特性。

截面抵抗矩:W=30 641.7 cm3。

截面惯性矩:I=4 596 255.2 cm4。

弹性模量:E=2.1×105MPa=2.1×108kPa。

容许应力:[σ]=273MPa。

双排双层加强贝雷片容许弯矩:[M]=6 750 kN◦m。

2)贝雷片弯矩计算，按照跨径 21m考虑。

Mmax=qL2/8=309.52×21×21/8=17 062.29 kN◦m。

单组双排双层贝雷片承受最大弯矩(按照荷载横向均匀分布计算，不考虑不均匀分布系数)M=Mmax/5=3 412.5 kN◦m＜[6750]。

3)贝雷片强度计算(五组双层双排共计 20片贝雷片)。

σ=Mmax/W=17.062 29/(30 641.7×10-6×5)=111.35MPa＜[σ]=273MPa。

4)贝雷片挠度验算。

因每组贝雷片结构相同，可看作匀质梁，以简支梁计算，最大挠度为(五组双层双排共计 20片贝雷片)(《土木工程手册 3-18》):

f=5×qL4/(384EI)=5×309.52×214/(384×2.1×108× 4 596 255.2×10-8×5)=0.016m=1.6 cm＜L/400=2 100/400= 5.25 cm。

3 钢管临时支撑计算

钢管采用外径直径530mm，壁厚8mm钢管，每端11根，共计 22根，按简支梁计算，一端承受总重的 1/2重量。贝雷片与临时墩之间采用 16角钢焊接成 U形卡子连接。

3.1 荷载组合

1)钢筋混凝土自重(按照全部重量计算):569.05×9.8= 5 576.69 kN。

2)贝雷片自重43.68×9.8=428.064 kN。

3)Ⅰ10a工字钢荷载q3=3.4×9.8=33.32 kN。

4)Ⅰ32a工字钢荷载q4=2.7×9.8=26.46 kN。

5)其他荷载。倾倒混凝土产生冲击荷载:2.0 kN/m2;振捣混凝土产生荷载:2.0 kN/m2(JTJ 041-2000桥规);施工人员、搬运工具材料等产生荷载:计算模板及小棱时为2.5 kN/m2，计算支架立柱时为1.0 kN/m2(JTJ 041-2000桥规);其他荷载组合q4=(2+ 2+2.5)×3.6×26.6=622.44 kN(盖梁底宽3.6m，长26.6m)。

6)荷载分项系数:静载系数为1.2，活载系数为1.4(《路桥施工计算手册》表 8-5)。

总荷载:q=(q1+q2+q3)×1.2+q4×1.4=(5 576.69+ 428.064+33.32+26.46)×1.2+622.44×1.4=8 148.86 kN。

3.2 钢管力学计算

钢管的自由长度按照 6m计算，钢管材料相同为A 3钢，查《路桥施工计算手册》附录三附表 3-20得:[σ]=140MPa。

钢管的惯性矩:I=(π/64)(D4-d4)=(π/64)(534-51.44)= 44 695.46 cm4。

钢管的截面积:A=(π/4)(D2-d2)=(π/4)(532-51.42)= 131.2 cm2。

截面抵抗弯矩:W=(π/32)[(D4-d4)/D]=0.098 2×[(534-51.44)/53]=1 687.05 cm3。

以上参照《路桥施工计算手册》附录二附表 2-2或《土木工程手册》表 3-4。

1)立杆长细比:λ=L/i=600/18.46=32.5＜[λ]=100(《路桥施工计算手册》附录三附表 3-25)。

2)查《路桥施工计算手册》附录三附表 3-26得:立杆轴心受压构件纵向弯曲系数:φ=0.9。

因所有荷载均由 22根钢管承受，因此每根钢管承受的荷载为:

查《路桥施工计算手册》表 13-3得钢管的稳定强度:σ= N/(φA)=370.4×10-3/(0.9×131.2×10-4)=31.3 MPa＜φ× [σ]=0.9×140=126MPa。

4 钢管临时支撑与贝雷架在施工中的实践

因 WE 20盖梁跨度大、自重大，且横跨既有旧桥，为确保旧桥安全，施工中不允许在旧桥上搭设满堂支架，因此采用钢管支架与贝雷片相结合的施工方案。

4.1 支架搭设

根据实际地形，在桥墩与既有旧桥间搭设φ530mm，壁厚8mm钢管，每端各11根，共计 22根。WE20盖梁临时支架平面示意图如图 1所示。

钢管顶部采用1 cm厚80 cm×80 cm钢板进行封顶，封顶钢板与钢管间焊接并加设4道加劲肋板，加劲肋板壁厚 2 cm，钢管支架顶部构造图如图 2所示。

为确保排架受力的整体性，顶部不采用砂箱，在钢板上顺横梁方向每两根钢管采用两根焊接成一体Ⅰ32a工字钢连接，横向同样安放两根焊接成一体的Ⅰ32a工字钢，贝雷片安放到横向两根Ⅰ32a工字钢上。支架基础采用钢筋混凝土，基础厚度为 0.5m，尺寸大于钢管最外缘0.5m(墩柱四周各出1.5m)，基础底层及顶层配φ16间距20 cm钢筋网片。基础施工时预埋1.5 cm厚钢板，钢板底部焊接U形φ20mm圆钢与混凝土锚固成一体，钢板与钢管连接方式同顶部。