贝雷桁架与钢立柱在桥梁施工中的组合应用

张晓振

(中交一公局集团海外分公司，北京 100024)

近几年，随着国内铁路、公路交通基础设施建设的高速发展，采用满堂支架施工设计的桥梁也越来越多，但满堂支架占地空间大，材料用量多，不适用于高墩桥梁施工[1-4]。本文结合亚环三期大桥工程实例，采用贝雷桁架和钢立柱组合的支架形式，施工简便、安全可靠[5-6]，有效克服通行空间和雨季行洪的问题[7-8]。

1 工程概况

亚环三期大桥上部结构为预应力混凝土现浇箱梁，跨径组合为(35+6×40+35) m，箱梁为分离式单箱结构，左右幅桥面宽度均为10.27 m，箱梁为等高度2.25 m。箱梁底宽为4.4 m，翼板宽度为2.20～2.27 m，底板厚度24～50 cm，顶板厚度24 cm。在墩顶设置横隔梁，且距墩顶7.25 m处设置施接缝横梁。箱梁采取搭设落地支架逐跨推进施工方式，各跨箱梁施工缝在距墩中轴线7.25 m处设置，各跨采取预应力连接器形成整体。

2 支架方案

该桥P2、P3、P4、P5四根墩柱高度均超过12 m，考虑到经济、安全、拆除等方面，在这三跨采用碗口支架与贝雷桁架相结合的支架形式，具体方式为采用钢管贝雷支架，贝雷桁架支架与箱梁底部预留2.5～3.5 m空间用以搭设碗扣支架；其余部分采用满堂碗口支架。

贝雷桁架支架采取钢管桩立柱与贝雷桁架纵梁作为承担箱梁荷载主要构件，一孔箱梁支架按两跨连续梁体系设计，支架跨度为17.5 m；箱梁竖向荷载由三排钢管桩(规格为φ=100cm、δ=8mm)立柱承担，墩边的钢管桩立柱直接依托承台面，在每一孔箱梁中间设置一个临时中支墩(中支墩基础采用钢筋混凝土扩大基础，尺寸为9.6 m(长)×3 m(宽)×0.5 m(高)，在扩大基础底层铺设二层纵横均为φ12@20 cm的钢筋网片，间距为20 cm)；钢管桩横桥向布置3根/排，钢立柱底与承台预埋的钢筋固结；贝雷桁架采用中国标准321军用桁架梁搭设，箱梁横断面铺设14排桁架纵梁；钢管桩顶部横梁采用I36～56工字钢拼接而成。贝雷桁架支架搭设先架立钢管桩立柱，钢管桩立柱自由长度≤15 m；靠墩柱钢管桩每隔6 m与墩柱连接一道[10联系杆；中支墩为单排钢管桩立柱，同样采取隔6 m将三根立柱连接成整体，钢管桩立柱顶、底部均需要浇筑60 cm高度钢筋混凝土；钢管桩横梁采用边墩3I36a、中支墩为4 I56a，横梁长度为12 m，横梁顶部垫块16×1 cm钢板；贝雷纵梁整体长度为36 m，采取两排为一组，中间每隔3 m用支撑架连接一道，平面布置好后沿横桥向断面采用[10槽钢将14排桁架再度连接成整体。图1为第4跨箱梁支架立面图。

图1 箱梁支架立面(单位:m)

3 支架计算

本文主要分析贝雷桁架和钢管桩立柱的力学性能，碗口满堂支架部分比较简单，在此不做阐述。

3.1 贝雷桁架纵梁

321标准军用贝雷桁架自重G=270kg/片，沿箱梁横桥向总共分布14排桁架。箱梁模板系统重量g1=19.28kN/m。施工荷载g2=2kN/m2，振捣混凝土产生的荷载荷载g3=2kN/m2，对荷载g2、g3横桥向按1 m考虑。碗扣支架立杆平均按3 m长度计算自身重量，则g4=1.29kN/m。贝雷桁架自重g5=12.6kN/m，箱梁混凝土荷载g6=167.71kN/m(图2)。总荷载q总=g1+(g2+g3)×1+g4+g5+g6=204.88kN/m。

图2 贝雷桁架混凝土荷载计算简图(单位:mm)

根据箱梁支架整体立面布置情况，贝雷桁架纵梁为17.5 m×2两跨连续梁验算承载力。由于箱梁横桥向荷载分布不均，计算桁架受力时予以分段验算，取荷载最大部位作为控制依据，由图3可知③～⑥号贝雷桁架受力最大，4排合计分担荷载所占箱梁整体荷载比例为：β=2.03÷5.76=0.352。

图3 箱梁横断面荷载拆分计算简图

由于ABC跨属于超静定结构，根据变形量互等原理可得5qL4/384EI=PbL3/48EI，解出Pb=0.625qL。由q=β×q总=72.12kN/m和L=35m得出各支点反力：Fb=Pb=1577.63kN，Fa=Fc=473.29kN。跨中最大弯矩M1=1546.07kN·m；支点最大负弯矩Mmax=2760.84kN·m；容许弯矩[M]=3152kN·m≥Mmax，弯矩富余系数μ=[M]/Mmax=1.14。最大剪力Qmax=Pb/2=788.82kN，容许剪力[Q]=980.8kN≥Qmax。

根据两跨均布荷载连续梁跨中最大挠度计算公式：fmax=0.521qL4/100EI=16.7mm；而允许挠度[σ]=L/400=44.7mm。贝雷桁架纵梁强度、刚度满足要求。

3.2 工字钢横梁

箱梁贝雷桁架边支墩采用3I36a工字钢横梁；中支墩采用4I56a工字钢横梁。根据荷载承受最大部位，验算中支墩贝雷桁架横梁构件。为使得计算过程简化，用P1替代p1+p2、P2替代p3+p4、P3替代p5+p6、P4替代2p7，如图4所示，由于2P1+2P2+2P3+P4=0.625q总L=4481.75kN，计算由贝雷纵梁传递的荷载得：P1=326.79kN、P2=P3=789.75kN、P4=669.15kN。

图4 工字钢横梁受力计算简图

工字钢横梁属于超静定结构，根据变形量互等原理可得：∑P×a(3L2-4a2)÷24EI-P1×a1L2÷8EI=(Fb-P4)L3/48EI。解得钢管桩中间支点反力Fb=1208.07kN，边支点反力Fa=Fc=1636.84kN。支点最大负弯矩Mmax=P1×a1=588.22kN·m；弯曲应力σ=M/4W=62.8N/mm2≤[σ]=145MPa；最大剪力Qmax=Fa-P1-P2/2=915.18kN；剪应力τ=QS/4Itw=38.37N/mm2≤〔τ〕=85MPa。工字钢横梁强度满足要求。为预防工字钢横梁局部压应力导致失稳，需要在相应的贝雷纵梁与钢管桩支点处加设加劲钢板。

3.3 钢管桩立柱

钢管桩立柱承担自工字钢横梁传递荷载，由工字钢横梁计算结果可知，在贝雷桁架17.5 m×2连续梁中支墩部位荷载最大，则直接取该处钢管桩进行验算承载力。

钢管桩外直径φ=100cm，管壁厚度δ=8mm，钢管桩自重按20 m长度取值，则g1=20×195.7/100=39.2kN；加上横梁传下来的力，钢管桩承担最大竖向荷载Nmax=1636.84+39.2=1676.04kN。长细比λ=L/r=1500÷35.1=42.7，查出弯曲系数ψ=0.935，轴向容许压应力[σ]=140MPa，得出[N]=ψ×[σ]×A=3263.6kN>N=1676.04kN，强度满足要求。

为确保钢管桩上下支点受力均匀，在顶底部分别浇筑60 cm高度处C20钢筋混凝土协助局部荷载均匀扩散，同时基础底部需要与临时基础或承台面进行有效固结以限制活动。

3.4 临时中支墩基础

连续梁中支墩基础尺寸为9 m×2.8 m×0.5 m，中支墩基础采用C20钢筋混凝土浇筑，顶、底板分别分布一层φ12@200 cm钢筋网片。临时中支墩基础承担自钢管桩立柱传递荷载，贝雷桁架17.5 m×2 m连续梁中支墩部位竖向荷载F1=N=1636.84×2+1208.07+39.2×3=4699.35kN

4 支架施工监测

在浇筑箱梁混凝土的过程中，箱梁支架进行全程监控，主要观测贝雷桁架纵梁绕度变化及中支墩地基沉降情况。一跨支架设置5个观测面，每个观测面设置7个观测点，前后观测面14片纵梁隔片错开设置，纵桥向观测面布设如图5所示。观测方法是从混凝土开始浇筑起每隔2 h观测一次，直至混凝土浇筑结束。箱梁混凝土浇筑前先在桁架纵梁标记出观测点位置，并用7#铁丝悬挂好吊筋，钢筋底部距离地面约20 cm；观测铁丝保持竖向垂线状态，并且不得卷曲或打结；在线垂相应地面预埋好钢筋头，与观测吊筋底部错开20 cm，做好地面钢筋头防碰措施；预先用水平仪观测好地面的钢筋头标高，标出吊筋与地面预埋钢筋相对位置记号；箱梁混凝土浇筑过程直接观测吊筋与地面预埋钢筋记号相对错开尺寸即为支架下沉数据。在整个施工过程中，支架下沉最大为10.3 cm，小于理论计算值，表明支架体系安全性满足要求。

图5 贝雷桁架支架沉降观测示意(单位：m)

5 施工注意事项

贝雷桁架支撑架螺栓连接牢固，每组贝雷桁架均要用槽钢纵桥向每道间隔3 m上、下各连接一道，假如采用与支撑架焊接方式则每个接触点焊接长度不小于2 cm，贝雷桁架上方每个台阶横桥向分配方钢与贝雷桁架最少连接一道，其中方钢与贝雷桁架连接铁丝采用8字形绑扎不少于7处，同时桁架上的碗扣支架每个台阶同样需要采用杆件连接成整体。钢管桩立柱与工字钢横梁接触面注意保持充分，架设工字钢时采用钢管桩顶部座浆方式。工字钢横梁与贝雷桁架纵梁接触面不能悬空，否则需要采用相应厚度的铁板填充。贝雷连续梁支架按0.5～2 cm设置预拱，混凝土浇筑前夕，须在支架上设置沉降观测点。

6 结束语

(1)本文结合亚环三期大桥工程实例，采用贝雷桁架和钢立柱组合的支架形式，施工简便、安全可靠，有效节省了施工时间和成本。

(2)对贝雷桁架纵梁、横梁、钢管桩立柱和基础进行了详细的力学分析，各部分强度和刚度均满足要求；对支架进行施工监控，贝雷桁架挠度实测值小于理论值。

(3)贝雷桁架和钢立柱组合形式的支架在安装中应保证各部分连接牢固可靠。