常用新型标准杆件设计方案比选研究

洪 立

(中铁大桥局集团有限公司，湖北 武汉 430050)

1 概述

随着交通建设事业的巨大发展，桥梁建造方式的变化，桥梁建设取得了巨大成就，桥梁的跨度、桥梁的规模越来越大。与此同时，桥梁建造客观环境的复杂性、施工的难度对桥梁施工的影响也日益突出。尤其对于跨越既有线路的桥梁和城市桥梁，桥梁施工与客观环境的相互干扰和安全影响非常显著。

为减少桥梁施工和客观环境的相互影响，除了严格做好施工过程中的安全防护措施外，桥梁施工的临时结构也应具有更大的跨越能力和更优的结构形式，管理设备化，以最大限度简化施工，并加快施工速度，提高经济效益，同时降低施工风险。

目前桥梁施工中现有的组合杆件主要有万能杆件、低合金拆装式桁梁、六四铁路军用梁、装配式公路钢桥四种。对已有组合杆件的特性及使用情况作充分调查研究，万能杆件、六四军用梁、贝雷梁在施工实际使用中的情况进行汇总，现有常用组合杆件特性对比见表1。

表1 现有常用组合杆件特性对比

万能杆件优点在于适用任意位置组拼，且易于掌握使用，但是承载力较低，变形较大，而且构件种类多且用螺栓连接，安装需要人工，费时且效率低。军用梁是一种全焊构架、销接组装、单层或双层的多片式、明桥面体系的拆装式上承钢桁梁，构件结构轻便，构造简单，可用人工或小型机具组拼，杆件种类较少，便于拆装互换，主要用于应急抢修也可用于工程辅助器材。贝雷梁结构简单，传力途径清晰，构件较小运输方便，架设速度快等特点，受地形影响较小，施工速度快，应用广泛的优点，但承载力较环境的发展，显得越来越不足。为适应更多施工环境，设计一种新型标准组合杆件很有必要。

标准杆件设计方案从杆件材料及结构形式、连接方式、构件承载能力等多方面进行优化，并从技术可行性、安全、操作、经济等多方面进行综合比较，以更好的满足在桥梁施工中对杆件承载力、拼装拆卸速度、通用性及方便保管运输等方面的要求。

2 设计方案

2.1 设计方案一

贝雷梁构件轻巧简单、组合灵活、拆装方便、适应性强、安全可靠等诸多优点，已经广泛应用于桥梁施工中的各种临时结构，如栈桥、挂篮、龙门吊、钻孔平台、现浇支架等。

然而，随着我国交通形势特别是铁路建设的快速发展，桥梁跨度和规模越来越大，以及重型机械设备的大量出现，贝雷梁自身存在的一些不足逐渐显露出来，具体体现在以下几个方面：1)承载能力不足，尤其是抗剪能力较差、刚度较小、变形大，且无法通过补强来增加贝雷架的抗剪能力，只能增加片数；2)双层架设时不方便，施工风险较大；3)腹杆型材8号工字钢为非标产品，组织生产有困难，且质量难以控制。

基于以上多种因素，设计方案一吸收贝雷梁的优点，着重从承载能力、构造连接等方面进行优化改善，设计一种结构简便、承载力大、拼装方便、适应性强的杆件。

设计方案一桁梁各构件材质为Q345。桁高2 m，标准节段长度4 m，为了适应于非标准跨度，可以在任何为4 m倍数的基本跨度上增加2 m及1 m。桁架结构采用箱型及型钢截面，构件间全焊接而成，上下弦杆的端部有阴阳接头，接头上有桁架连接销孔，每片桁架重640 kg。构件组成有标准节段、连接节段、支撑架等。桁梁结构图见图1。

桁架上下弦杆可安装加强弦杆以增强抗弯承载能力。桁梁间采用钢销连接，桁梁间横向通过支撑架连接，以保证结构整体稳定性。

2.2 设计方案二

设计方案二继承军用梁的优势，以三角形为主梁单元[3,4]，在两个或多个三角形主梁的顶点之间连以弦杆形成单层桁架，桁架高1.5 m，节间长度为3 m，并在两端设置端支承单元。主梁单元采用箱形断面，构件材质采用Q345B。主梁单元间采用阴阳头，钢销连接，销子材料为30CrMnSi。构件组成有标准节段、端构件、连接弦杆等。桁梁结构图见图2。

多片桁梁间通过支撑架及连接槽钢连接，保证桁片整体稳定。桁片间连接槽钢通过U形螺栓与桁架腹杆及下弦杆连接。

2.3 设计方案三

设计方案三采用型钢为基本单元，型钢采用H型钢。构件材质采用Q345B。主梁单元间采用螺栓或螺杆连接，连接处节点按等强度设计。主梁标准节段长度为9 m,6 m,3 m。

螺栓连接桁梁桁梁结构图见图3。

主梁节段纵向间采用螺栓连接，节点连接按等强度设计。主梁标准节段分别在腹板和翼缘上钻孔，以方便主梁间横向连接及竖向多层叠置。型钢梁竖向连接采用螺栓连接，横向连接采用槽钢与型钢上焊接的加劲板用螺栓固定。

螺杆连接桁梁桁梁结构图见图4。

主梁单元间采用螺杆连接，螺杆材料为30CrMnSi。

2.4 方案选择

方案一结构与贝雷梁类似，弦杆采用槽钢，腹杆采用箱型截面。结构简单，拼装方便，组合灵活，使用范围广泛。承载力、稳定较贝雷梁有提高，并设有连接节段，可与贝雷梁同时使用。

方案二杆件单元为箱型截面，以三角形为主梁单元，顶点之间销接形成桁架。虽然承载能力得到了提高，但是桁片之间横向稳定较差，节点位置的面外稳定也成为桁片的控制点。杆件存放、运输过程容易造成损坏，增多修整费用。

方案三以H型钢为单元，单元间采取螺栓或者螺杆连接。承载能力提高较大，同时自重也增多较多，另外单元间连接较麻烦，带来梁面不平顺的问题，会影响结构的使用范围。结构组成中有较多细小构件，管理、存放中易于丢失。

对各设计方案进行对比统计详见表2[1,2]。

通过从安全、施工简便快速化、节省材料缩短施工时间、提高效率等方面进行综合考虑，设计方案一均占优势，选择设计方案一作为最终确定方案。

2.5 选择方案计算

对设计方案一进行细致的计算分析，包括构件组成的标准节段、端支承节段和连接节段、加强弦杆等部分。计算内容包括杆件的容许内力，稳定计算，各处焊缝应力，阴阳头和连接销计算。并对结构受力复杂的节点进行细部有限元分析，根据应力结果，见图5。节点应力均满足要求。

表2 设计方案参数统计

设计方案一自重也有增大，如图6所示，相对于贝雷梁提高了77%，但是在机械设备高度发展的条件下，对其应用并不造成影响。重要的是在拥有以上优点时，其承载能力抗弯提高了86%，抗剪提高了104%。

3 方案应用

利用标准杆件构筑桥梁施工结构，可以满足更高的通航要求，跨越既有线，更复杂的地质等条件。利用标准杆件建栈桥，跨度可达到28 m～36 m，减少临时墩用量，施工快，经济性较好。

标准杆件作为主梁建造现浇支架，同样32 m跨度，贝雷梁需要双层架设。同样的跨度和荷载情况下，标准杆件的材料用量可降低21%，并且更安全。

标准杆件实际应用公司平潭桥栈桥施工，发挥了跨度大、承载能力强、安全系数高和便于拼装的优势，满足了现场快速施工的需要，且具备良好的经济性，得到使用单位的一致认可。标准杆件在“深水、大跨、重载”栈桥施工中具有明显的综合成本优势，能节省大量钢结构投入和施工机具费用，施工进度也明显快于贝雷梁，见图7。

鉴于标准杆件较高的承载能力和抗变形能力，标准杆件可适应更广泛的用途，作为挂篮的主桁结构，甚至用于更大跨度更大吊重的架桥机主梁(见图8)。

4 结语

通过对标准杆件从结构构造、使用范围、承载能力等多方面进行优化设计，适应更复杂的施工客观环境、施工难度，满足工期要求。通过实际应用也证实形式标准化、制造工厂化、安装装配化、重复使用管理设备化的标准杆件，有助于提高快速化施工水平，增强企业盈利、管理水平，提升形象和市场竞争力，有助于桥梁施工行业的节能减排。