复杂钢管贝雷满堂支架设计与施工安全控制

杨乐绪

（中铁十五局集团第三工程有限公司，四川成都 610097）

复杂钢管贝雷满堂支架设计与施工安全控制

杨乐绪

（中铁十五局集团第三工程有限公司，四川成都 610097）

一座96 m尼尔森系杆钢管拱桥，其系梁砼浇筑采用钢管贝雷满堂支架施工方案，因现场限制条件苛刻，支架构造复杂。文中介绍了该钢管贝雷支架的基本特点，阐述了利用等荷载法实现贝雷梁横向优化布置的方法，说明了利用离散法建立支架各组成构件计算模型的方法及主要计算步骤，提出了施工安全控制措施。

桥梁；钢管拱桥；贝雷梁；碗扣满堂支架

1 钢管贝雷满堂支架设计方案

杭黄铁路上朗坑大桥跨越绩黄（绩溪—黄山）高速公路，与绩黄高速公路斜交41°。为96 m尼尔森系杆拱桥，系梁为预应力砼梁，截面为单箱三室箱形结构，桥宽17.1 m，梁高2.5 m，拱脚顺桥向8 m范围内设成实体段（见图1）。采用先梁后拱法施工，系梁采用支架整体现浇，一次浇筑C50砼量为2 040 m3。根据现场地质和施工技术条件，采用钢管贝雷满堂支架施工方案。支架设计见图2、图3。

图1　朗坑大桥示意图（单位：m）

图2　钢管贝雷满堂支架立面图（单位：m）

图3　钢管贝雷满堂支架横断面（单位：m）

（1）碗扣满堂支架布置。碗扣立杆纵向间距，碗扣支架布置加密区为0.3 m，非加密区为0.6 m。方木布置方式为先纵向方木后横向方木，即碗扣立杆顶托上布置横向方木，横向方木上布置纵向方木；纵向方木的横向间距为0.3 m；纵、横向方木尺寸为（10×10）cm。非横隔板的中央区域立杆横向间距为（0.9+0.3+9×0.6+0.3+8×0.6+0.3+9×0.6 +0.3+0.9）m。横杆步距，贝雷梁布置区域为0.6 m，其他区域为1.2 m。

（2）钢管+大横梁+贝雷梁+小横梁布置。共设34排单层普通型贝雷梁，贝雷梁上横向铺设间距为0.6 m的I20a工字钢小横梁。钢管立柱规格为φ630×10，共10排钢管，其中4排与高速公路平行，4排与钢管拱桥轴线正交，2排属于局部加塞型，主要用于降低贝雷梁的最大跨径长度。钢管立柱顶部设置双I45a工字钢大横梁作为横向分配梁，每排钢管立柱基础为宽1.5 m、高0.7～1.0 m，要求基底应力不小于250 k Pa。

2 贝雷梁横向布置方法

箱梁截面较宽、桥跨较长时，贝雷梁横向布置方案将对钢管贝雷满堂支架的工程量及安装、拆卸产生较大影响。贝雷梁通常按组布置，除特别定制的外，贝雷组的常用间距为0.45、0.90或1.35 m，相邻贝雷组之间通过型钢花格等横向约束加以限位，以增强贝雷梁的整体稳定性。贝雷梁横向布置可采用等荷载方法来优化，基本思路：对系梁截面进行区域分割，让各区域的每排贝雷梁尽可能承受相等的组合荷载、具有相等的承载能力或安全储备系数。

组合荷载G是指系梁砼自重荷载G0、模板荷载Gm、人群和机器荷载G1及砼振捣冲击荷载G2，按规范要求进行组合得到，计算公式如下：

将系梁截面分割为腹板区和箱室区等若干区域，计算各区域对贝雷梁产生的组合荷载，再根据各区域每排贝雷梁上所受组合荷载相等的原则布置各区域的贝雷梁排数。通常情况下，得到严格满足上述等荷载布置原则的贝雷梁横向布置方案是困难的，但通过试算可得到近似满足该原则的贝雷梁横向布置方案。图4为截面区域分割情况，系梁截面被分割成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类共7个区域，其中Ⅰ、Ⅲ区布置2排间距为0.45 m的贝雷组，Ⅱ区布置9排间距为0.45 m的贝雷组，Ⅳ区布置8排间距为0.45 m的贝雷组，全桥截面共布置34排贝雷梁。利用组合荷载计算方法可计算出各区域单位长的总组合荷载及各区域中每排贝雷梁所受的单位长度组合荷载值。区域Ⅱ中，组合荷载为148.9 k N，每排贝雷所受单位长组合荷载为148.9/9=16.5 k N；贝雷梁所受的最大及最小单位长组合荷载分别为17、16.5 k N，每排贝雷梁所受的组合荷载基本相等。

图4　钢管满堂支架按等荷载布置贝雷梁（单位：m）

3 钢管贝雷满堂支架的验算

建立计算模型评估所设计钢管贝雷满堂支架的承载能力和刚度。钢管贝雷满堂支架为一复杂的空间结构体系，其力学计算模型的建立具有很强的灵活性，同一支架方案可能构造出多样化的计算模型。通常有以下两种建模策略：1）建立钢管贝雷满堂支架三维综合杆件有限元模型，通过三维有限元模型的综合计算评估支架的承载能力和刚度；2）根据钢管贝雷满堂支架的传力和约束特点，将整个空间支架体系离散成一系列碗扣满堂支架的大小楞、碗扣支架立杆、贝雷梁上的小横梁、贝雷梁、贝雷梁下的大横梁及钢管立柱等独立构件，并建立各自独立的计算模型单独计算。理论上，三维模型方法能真实反映支架各构件的实际受力情况，但建模过程费时费力，且计算结果的正确性有时难以把控。采用离散方法计算时，当各构件所受荷载和约束与原结构吻合时，能得到与三维模型相吻合的计算结果，且计算过程和结果容易检查和控制。故采用离散方法进行建模计算。主要计算步骤如下：

（1）对系梁截面进行区域分割，计算各区域纵向长度为0.6 m时的组合轴力［见图5（a）和（b）］。

（2）根据碗扣立杆的横向布置及立杆的纵向间距，计算各立杆的组合轴力［见图5（c）］。

（3）建立I20a工字钢小横梁计算模型，其外载为碗扣立杆组合轴力，支座为贝雷梁约束，可近似为竖向刚性约束［见图5（d）和（e）］。

图5　各构件的计算模型（单位：k N）

（4）建立最不利贝雷梁计算模型，位于边腹板位置，最不利支座反力为15.7 k N，因小横梁间距为0.6 m，则贝雷梁所受荷载为15.7/0.6=26.2 k N/m（见图6）。

（5）建立最不利双I45a工字钢大横梁计算模型，其所受荷载为贝雷梁支座反力，且在钢管立柱位置可按刚性约束考虑。由于大横梁所受荷载复杂，偏于安全考虑，认为大横梁所有支座反力数值均为贝雷梁的最大支座反力401.2 k N（见图7）。

（6）按压杆稳定性计算钢管立柱的承载能力，其所受压杆轴力为大横梁计算模型（见图8）。

图6　贝雷梁最不利计算模型（单位：m）

图7　贝雷梁支座反力（单位：k N）

图8　大横梁最不利计算模型（单位：力为k N，其他为m）

通过模型计算，贝雷梁位移满足刚度要求，所有水平杆、斜杆均满足承载能力要求；但在支座处竖杆轴力为246 k N，超过了贝雷梁竖杆的允许轴力212 k N，需采用［20a槽钢进行局部加强处理，提高贝雷梁竖杆的承载能力；碗扣支架、大横梁、小横梁及所有钢管立柱均满足强度、刚度或稳定性要求。图9为贝雷梁最不利轴力图，图10为大横梁所受最不利弯矩图。

图9　贝雷梁轴力图（单位：k N）

图10　大横梁最不利弯矩图（单位：k N·m）

4 钢管贝雷满堂支架施工安全控制

由于钢管贝雷满堂支架的理论计算结果与实际必然存在一定差异，还需从线形监控及局部构造措施上进行钢管贝雷满堂支架安全控制，确保施工安全。主要措施如下：

（1）对支架按规范进行荷载分级预压与卸载处理，检验支架的实际承载能力，并获得支架的弹性变形，消除支架的非弹性位移；在荷压、预卸载及砼浇筑过程中进行钢管贝雷支架线形监测，做好安全控制预案，发现异常及时处理。

（2）对于钢管顶部双I45a工字钢大横梁，在钢管立柱处设置两道1.0 cm厚、间距4 cm钢肋板，增加构件局部抗失稳能力；大横梁与贝雷梁采用U形卡锁定。

（3）相邻贝雷组之间用通长I28a工字钢锁定连成整体，增强贝雷梁之间的稳定性；贝雷梁两端与桥墩顶死，限制贝雷梁的纵向位移；在贝雷梁下弦杆直接支撑于大横梁的位置或竖向立杆轴力较大位置，用［20a槽钢进行局部加强处理。

（4）严格按照JGJ 130-2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》进行碗扣支架搭设，加强纵向、横向及水平向剪刀撑搭设，并根据搭设质量进行必要的局部剪刀撑和横撑加密处理。

5 结语

采用钢管贝雷满堂支架施工方案可很好地适应该桥现场苛刻条件的限制，采用等荷载法可使各贝雷梁承受近似相等的组合荷载，优化贝雷梁的横向布置。在准确分析各组成构件受力和约束条件的前提下，采用等效、离散的平面杆件有限元计算模型来评估钢管贝雷满堂支架的承载能力和刚度情况，并通过现场局部构造措施及线形监控，确保了钢管贝雷支架施工的安全。

［1］ 宋志宏.贝雷梁钢管柱支架在同安弯大桥中的应用［J］.铁道标准设计，2008（8）.

［2］ 杨文渊，徐稗.桥梁施工工程师手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

［3］ 董勤银.太中银铁路丁家沟无定河特大桥贝雷梁施工方案［J］.铁道标准设计，2009（11）.

U445.46

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2016-03-28