单跨双层贝雷梁支架在高墩桥梁现浇施工中的应用

张 振 （合肥信睦工程建设有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

在桥梁建设过程中，支架现浇法是一种常用的施工方法，主要分为满堂支架和贝雷梁钢管柱梁式支架，后者常用于地基承载力较差、山区、高墩梁、上跨道路等施工条件复杂的工况下，甚至特殊情况下采用双层贝雷梁作为桥梁现浇施工支架[1]。随着有限元法的推广和应用，利用计算机辅助计算进行复杂结构分析以及贝雷梁钢管支架现浇施工技术得到了广泛的应用和发展。

本文就是利用Midas Civil软件对贝雷梁钢管支架进行受力分析，从而确保双层贝雷梁钢管支架结构的可靠性[2]。

2 工程概况

新建银西铁路蒿店村大桥总长400.88m，采用（48+2×80+48）m 连续梁+4-32m 简支梁。简支梁截面类型为单箱单室等高度简支箱梁，梁长32.6m，桥梁宽12.6m，采用现浇施工。

桥址位于西北黄土地区深谷之中，地形陡峭，桥址处地面高程在960～1020m，相对高差约为60m。若采用传统单层贝雷梁+中支墩支架体系，大桥4#墩～5#墩之间现浇支架中支墩高达40m，施工费用高、安全风险大。通过技术方案创新及力学分析，研究采用一种单跨双层加强型贝雷梁支撑体系。该支撑体系一孔跨越桥墩之间，避免了陡峭地形环境下中支墩施工的安全风险，确保大桥施工安全。

3 支架总体布置

蒿店村大桥主桥4#～7#墩之间简支梁采用单跨双层加强型贝雷梁支架现浇施工，钢管立柱设置在桥墩承台上，跨中不设中支墩，如图1 所示。贝雷梁采用加强型弦杆，贝雷梁与钢管立柱一起构成32m简支梁施工的承重系统。

图1 贝雷梁支架总体布置图

图2 剪刀撑立面布置图（单位：cm）

图3 剪刀撑平面布置图（单位：cm）

4 支架设计及施工

贝雷梁钢管支架立柱均采用φ600×8mm 螺旋钢管，每排设置5 根，间距2.3m，立柱之间设置[20a 剪刀撑，剪刀撑竖向设置间距为3.0m，钢管立柱与桥墩之间设置[20a 型钢连墩件，竖向每隔5m设置一道。

立柱顶部设置50cm 高砂筒用来调整标高和落梁，砂筒上部为双拼2I45b工字钢横向分配梁，分配梁上部设双层加强型贝雷梁，贝雷片横向布置为2×0.90m+6×0.45m+3×0.90m+6×0.45m+2×0.90m，共20 片。贝雷梁上部设置I16 工字钢分配梁，如图4 所示，箱梁底板及翼缘板下设置定型钢模，本文不涉及定型钢模的相关受力分析。

图4 贝雷梁断面布置图（单位：cm）

图5 贝雷梁强度验算（单位：MPa）

图6 刚度验算（单位：mm）

图7 柱顶横梁组合应力计算结果（单位：MPa）

图8 柱顶横梁剪应力计算结果（单位：MPa）

充分利用承台作为钢管立柱基础，承台预埋20mm 厚钢板及φ20mm 地脚螺栓，立柱与基础采用法兰连接。

5 有限元分析

5.1 荷载选取

贝雷梁最大计算跨径为32m，贝雷梁横桥向平均间距腹板下为45cm，底板和翼缘下为90cm，以此计算每片贝雷梁荷载。

根据相关规范，需要考虑的计算荷载包括如下。①混凝土自重：按26kN/m3计算。②模板及支架结构自重：支架结构自重软件自动生成，箱梁定型钢模自重3.0kN/m2。③施工机具及人行荷载：计算支撑模板的纵横梁时，取1.5kN/m2；计算支架立柱及其他结构时取1.0kN/m2。④振捣荷载：竖向荷载2.0kN/m2。⑤浇筑冲击荷载：2.0kPa。

采用承载能力极限状态法计算，荷载组合系数的恒载取1.2、活载取1.4。

5.2 建立模型

根据支架设计方案、材料特性及荷载取值，利用Midas Civil 有限元分析软件建立钢管贝雷梁支架模型。各构件均采用梁单元，贝雷片材料选用16Mn，贝雷梁支撑架、钢管立柱、柱顶横梁材料选用Q235b。贝雷梁与柱顶横梁支点采用弹性连接，柱顶横梁与钢管柱顶采用刚性连接。贝雷梁之间通过销轴连接，因此，需要释放梁端约束，选用铰接。贝雷梁支座处增加设置2[10 双拼槽钢作为加强竖杆。荷载加载于I16 横向分配梁上，采用单元荷载[3]。

5.3 计算结果

5.3.1 贝雷梁受力分析

贝雷梁计算结果详见表1。计算结果表明，与设计值相比较，贝雷梁各构件最大弯曲应力、剪应力及刚度均满足规范要求。

表1 贝雷梁计算结果汇总表（单位：MPa）

双层贝雷梁最大组合应力位于腹板下跨中下弦杆，最大剪应力位于支座弦杆。考虑实际施工中可能存在材料、安装等因素，施工中应确保两层贝雷梁之间有效连接，保证整体稳定性；贝雷梁端部支座处设置2[10 双拼槽钢加强竖杆并确保与弦杆焊接牢固，提高抗剪能力；贝雷梁底用支撑架进行水平方向连接，增强贝雷梁整体稳定性。

5.3.2 柱顶横梁受力分析

最大组合应力153MPa＜[f]=215MPa，最大剪应力86MPa＜[fv]=125MPa，满足规范要求。柱顶横梁最大组合应力位于柱顶横梁悬挑段根部，最大剪应力位于柱顶横梁腹板作用位置。

实际施工过程中，应严格控制柱顶横梁悬挑段长度，如需增加挑段长度，应在钢管柱顶和横梁端部设置斜撑。

5.3.3 钢管立柱受力分析

钢管立柱最大组合应力125MPa，满足规范要求，最大组合应力位于腹板对应桩的顶端，如图9所示。

图9 钢管柱应力计算结果（单位：MPa）

5.3.4 支架立柱稳定性分析

钢管截面积A=14879mm2，惯性距I=6.512×108mm4，根据模型计算钢管最大轴力F=1756kN，最大弯矩Mx=57kN·m，如图10所示。

图10 钢管柱内力计算结果

图11 一阶屈曲模态

图12 剪刀撑大样图（单位：mm）

计算时钢管底部采用固定约束，施工最下层剪刀撑距离承台顶不大于5.0m，因此长细比计算长度取5.0m。钢管的回转半径i=209mm，则长细比λx=2L/i=2×5000/209=47.8，按b类截面查表得稳定性系数φx=0.866，βmx=1.0。

单肢立柱稳定性满足规范要求[4]。

5.3.5 整体稳定性分析

采用弹性屈曲分析方法验算钢管立柱整体稳定性。

计算荷载：支架自重+混凝土浇筑荷载+施工机具及人群荷载+混凝土浇筑振捣荷载+混凝土浇筑冲击荷载，设活载系数为k、程序计算整体屈曲系数为λ[5]。

则屈曲荷载=λ[支架自重+k×（混凝土浇筑荷载+施工机具及人群荷载+混凝土浇筑振捣荷载+混凝土浇筑冲击荷载）]。

钢管立柱整体稳定性验算，通过试算k，直到λ=1 时，k 值即为活载屈曲系数。

当k=9，计算得到λ=1。

根据有限元屈曲分析结果，当k=9＞2，钢管立柱整体稳定性满足要求。

5.3.6 剪刀撑节点验算

剪刀撑与钢管立柱连接可采用满焊连接或高强螺栓连接，若采用角焊缝满焊连接，则焊脚尺寸不小于6mm。

剪刀撑节点采用螺栓连接，选用M20 高强螺栓，节点板厚16mm，节点板与钢管焊接，焊高8mm。

根据20m 及40m 高度支架有限元模型剪刀撑计算结果，剪刀撑斜杆最大压力设计值为106kN，水平杆最大拉力设计值为57kN。

单个螺栓受剪承载力Nb v=0.9knfμP=0.9×1×1×0.3×125=33.75kN；

水平杆与斜杆均采用6 个螺栓与节点板连接，6 个螺栓受剪承载力N=6×33.75=202.5kN＞106kN；

螺栓承载力满足要求。

焊缝计算：

节点板N1 与钢管双面焊接，焊高8mm，节点板长620mm，宽340mm。

节点板N1 与钢管焊接承载力满足要求。

6 结语

通过对银西铁路蒿店村大桥现浇支架进行受力分析，单跨双层贝雷梁支架可以满足32m 简支梁现浇施工。尤其在地基承载力不高、山区或施工条件复杂的地区、高墩梁、大跨度梁等工况下，可优先选用贝雷梁钢管柱支架方法施工。

单跨双层贝雷梁钢管柱支架方法的优点为受地形地貌等影响较小，适用性广；充分利用既有桥墩承台作为两端钢管柱支承，基础牢固；跨中不设支承钢管柱，减少了钢管柱数量及地基处理费用，保证工期的同时经济效益明显。

采用有限元软件对蒿店村大桥现浇支架设计与分析。经理论计算和现场实施，如图13所示。

图13 现场实施照片

双层贝雷梁支架跨中理论计算最大竖向弹性变形为63mm，根据项目现场提供的预压实测数据，贝雷梁跨中最大竖向弹性变形为54mm（不含非弹性变形），跨中最小竖向弹性变形为43mm，结构弹性变形与理论计算符合。表明单跨双层贝雷梁支架体系应用在深谷沟壑地区高墩桥梁现浇施工中是可行的，特别是在地形起伏大、地基基础困难地区，具有良好的经济效益和可行性。