钢管贝雷梁支架施工设计模块化探讨

陈云辉，蒙立和

(广西路桥工程集团有限公司路面分公司，广西　南宁　530011)



钢管贝雷梁支架施工设计模块化探讨

陈云辉，蒙立和

(广西路桥工程集团有限公司路面分公司，广西南宁530011)

文章从桥梁临时结构设计的角度，基于桥梁上部结构现浇施工常用的钢管贝雷梁组合支架设计，结合手算和电算的计算方法，提出更加合理、便捷的结构设计思路和方法，对类似桥梁施工临时结构标准化、模块化的应用有一定的指导借鉴意义。

桥梁施工；组合支架设计；计算方法；模块化

0　引言

随着科学技术水平的不断进步，交通建设猛速发展，其对在施工过程中如何确保施工安全和质量，提出了更高的要求。施工临时结构作为施工过程中的重要辅助设施，大部分情况下由施工企业自行设计。由于临时结构的倒塌、倾覆酿成的安全事故时有发生，对于设计者，如何针对临时结构的使用功能和使用特点的特殊性，提出更加合理的设计，应引起高度重视。

桥梁施工承重支撑架主要包括钢管满堂支架和钢管贝雷梁支架。与钢管满堂支架相比较，钢管贝雷梁支架具有承载能力较高、跨越能力较大等显著优势，特别适用于不良地质地段、施工高度>18 m的现浇桥梁施工。支架的优化设计对项目的施工成本至关重要，自上而下设计，采用标准化的工艺、材料、可周转使用是确保经济性的重要手段。本文主要从桥梁临时结构设计的角度，从快速的计算方法、标准化、模块化等方面对钢管桩贝雷梁组合支架设计进行论述。

1　常见的现浇桥梁概况

在桥梁上部结构施工中，如高架桥、立交桥、匝道桥、斜拉桥等大桥边跨现浇及主塔现浇等，常常会采用现浇施工工法。

通过调研分析，桥梁上部结构设计一般为箱型截面，按照梁高分为等高的箱梁和不等高箱梁；不同的设计单位针对城市桥梁、铁路桥梁、公路桥梁的结构设计不尽一致，采取的桥梁经济指标也会有区别。对于公路高架桥、立交桥、匝道桥等一般设计为25～60 m跨径的现浇箱型截面，混凝土经济指标在0.57～0.65 m3/m2之间，公路桥配筋率为150～220 kg/m3，箱梁梁高一般≤3 m；纵向荷载一般≤50 t/m，如表1所示。

表1　公路桥梁设计主要经济指标表

2　钢管桩贝雷梁组合支架设计

2.1钢管桩贝雷梁组合支架的构成

从下到上主要包括基础、钢管系统、贝雷梁系统。

(1)基础设计

常采用条形基础，不良地质地段则采用直接插打钢管桩或其他桩基础形式。

(2)钢管系统

选用直径(529×10)mm以上的钢管，能适应较多形式的承载能力要求，通用性较强，钢管桩之间通过型钢或者钢管连接组合成稳定结构，桩顶布置型钢横梁。

(3)贝雷梁系统

321贝雷梁作为上部主要承载结构，可以根据受力情况顺桥向或者横桥向布置，贝雷梁上方布置分配梁或者钢管满堂支架，从而满足桥梁线形调节的需要。

某桥布置为(30+50+30)m，单幅箱梁为2.8 m高单箱双室截面，箱梁顶板宽度为19 m，底板宽度为14 m，两侧翼板悬臂长2.5 m。需要跨越省道和拦河坝，采用钢管贝雷梁组合支架对上部结构进行现浇施工，布置情况如图1～2所示。

图1　支架断面布置图

2.2主要的设计原则

梁柱式钢管贝雷桁架支架结构设计，主要考虑以下几个方面：

(1)施工设计荷载取值准确；

(2)充分考虑施工过程工况组合；

(3)工况分析计算准确。

3　支架体系计算方法模块化

通过调研得出，贝雷支架手算和电算结果存在一定的差异，主要原因是约束条件与实际不符造成的，且手算中的挠度计算是借用梁单元挠度计算公式进行的，未能充分考虑位移与弯矩、剪力、轴力的关系，所以电算计算出的挠度也会大于手算的挠度。以下主要从手算对贝雷支架进行初步设计，然后通过电算进行详细验算，最后得出常用贝雷梁布置跨径的荷载取值。主要采用的软件有Excel电子表格、Mathcad Prime 2.0、Midas/Civil结构计算有限元软件。

3.1贝雷梁承载能力快速分析计算

贝雷梁的受力主要由承受的弯矩和剪力组成，对于箱梁截面，主要关注底板范围内的贝雷梁布置，尤其是箱梁的最重区域，一般情况是腹板对应位置。

采用平面理论，假设计算纵向荷载按照50 t/m，分别选取跨径为6 m、9 m、12 m、15 m、18 m进行计算比较，采用Excel表格进行统计(如表2所示)。

表2　不同跨径贝雷梁承载能力分析表

注：(1)贝雷梁的容许弯矩、容许剪力采用文献[5]的推荐值，且贝雷架容许弯矩考虑折减系数；(2)贝雷片数量1为根据容许弯矩计算出的数量，贝雷片数量2为根据容许剪力计算出的数量；(3)选取贝雷片数量：在计算需要片数的基础上，再考虑一定施工操作宽度的需要

从表中可以看出以下几点：

(1)当贝雷梁跨径在12 m以下时，计算选取贝雷梁数量按照剪力进行控制，当>12 m布置时，受弯矩进行控制；

(2)此表格可以快速计算贝雷梁的所需数量；

(3)通过Excel表格，可以进一步详细计算分析得出腹板、底板与顶板、翼板对应区域所需要的贝雷片数量。一般情况下，腹板荷载与底板+顶板荷载之和相近，按照10 t/m进行计算，腹板作用位置下，一般取贝雷梁2～4片。

目前计算多采用手算和有限元软件电算的方式，而采用两种计算方式得出的结果有一定差异。其中有限元软件计算经常会出现剪应力偏大的现象，为了安全起见，需要增加贝雷片材料数量，造成一定的浪费。如何更好地将计算结果与现场实际情况结合，一直以来都是施工设计技术人员的一块心病。

由于贝雷梁上弦荷载通过竖杆传递到下弦杆，故在支撑处两竖杆之间的下弦杆处出现了较大剪应力。在此模型中此处弦杆为双10#槽钢截面，而实际中，贝雷梁此段下弦杆为实心矩形截面，故模型计算结果偏于不利。

按照常用的6 m、9 m、12 m等布置跨径进行分析，分别采用的计算荷载为50 kN/m、40 kN/m、30 kN/m，电算结果如图3～5所示。

图3　6 m跨径贝雷梁应力云图

图4　9 m跨径贝雷梁应力云图

图5　12 m跨径贝雷梁应力云图

在不考虑临时构件的材料强度有1.3的提高系数的情况下，通过Excel表格手算和Midas/Civil软件电算比较，得出单排321贝雷梁不加强型常用6 m、9 m、12 m跨径的推荐值如下：

(1)当计算荷载为50 kN/m，适合布置6 m跨径的贝雷梁；

(2)当计算荷载为40 kN/m，适合布置9 m跨径的贝雷梁；

(3)当计算荷载为30 kN/m，适合布置12 m跨径的贝雷梁。

通过以上结论，可以快速进行贝雷支架进行布置，包括跨径和数量的要求，然后通过Midas/Civil软件进行整体建模分析计算。

其他的计算内容与常规计算方法一致，在此不再论述。

3.2支架系统的稳定性计算

一般情况下贝雷支架<12 m的跨度，侧向整体失稳的安全系数是够的，这里主要介绍支架系统的稳定性计算。

支架系统的稳定性验算包括支架整体稳定性验算和钢管稳定性验算。其中整体稳定性验算利用Midas/civil软件进行屈曲分析，一阶屈曲分析的临界荷载系数为>4，即判断支架整体稳定性满足要求。

本文主要介绍钢管支架稳定性验算，根据《建筑施工临时支撑结构技术规范》(JGJ300-2013)的相关要求，采用手算和电算相结合的方式进行，主要用到Midas/Civil与Mathcad Prime 2.0工程计算软件进行分析。

例如：对某支架最高为70 m的支架系统进行钢管稳定性分析。主要分以下两步进行。

(1)利用Midas/Civil进行屈曲分析，参与荷载为每根钢管承受的1 kN外荷载，如图6所示。

图6　支架系统在1 kN外荷载作用下的临界荷载图

(2)利用Mathcad Prime 2.0进行计算书的编写，如下：

通过屈曲分析得出临界荷载Pcr=5 065 kN；

得出计算长度为l0=μ·h+1=16.696 m。

计算轴向应力：

查轴心受压构件的稳定系数表得：φ=0.616；

故钢管墩柱满足稳定性要求。

3.3支架工程数量经济指标

支架工程数量的经济指标，一般为混凝土重量的15%可以控制，通过优化计算，可以控制在10%以内。

3.4贝雷梁布置要点

(1)贝雷梁布置跨径可设置为45、90、115，合理选用支撑架，可以达到受力均衡的目的；

(2)安装贝雷梁时，为避免下弦杆应力过大，贝雷梁和下横梁接触点应设置在贝雷梁腹杆节点处；

(3)支点一定要选在有竖杆的位置，如果没有竖杆，需加双竖杆，目的就是加强上下弦杆的联系，让支点部位相关节点位移尽可能小，这样不但桁架杆件应力会降下来，而且由于支点附近的节点位移传导至跨中的量会减少，会降低跨中挠度。

4　结语

随着我国建筑市场的不断规范，对建筑质量安全的不断重视，对于施工临时结构的设计，受建设项目工期、成本和设计时间等因素的制约，对其设计者提出了更高的要求。支架结构形式多样，每种结构形式需要考虑的计算细节不同，把握支架结构选型、强度刚度分析、稳定性分析、细节计算分析是保障支架设计安全的重要因素，缺一不可。本文通过分析钢管桩贝雷梁组合支架体系的受力特点，探讨一套简单快捷的设计方法，能保障结构设计的安全，且不会浪费大量成本，有一定的指导性。

[1]李军，蒋新民，余培玉，等.现浇预应力混凝土箱形连续梁桥通用设计图成套技术[J].公路，2009，11(11)：35-39，40.

[2]李艳哲，冯广胜.桥梁施工大型临时结构设备标准化设计研究[J].桥梁建设，2007(52)：18-21.

[3]韩东江.桥梁施工用临时结构设计问题探讨[J].现代商贸工业，2010(12)：340.

[4]廖书欣，张文学，谢全懿.桥梁临时结构典型施工事故分析[J].国防交通工程与技术，2015(6)：48-51，55.

[5]JTG/TF50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[6]孙九春，卢瑛.贝雷架作为桥梁承重支架应用时的理论分析与实践应用研究[J].上海公路，2010(1)：26-30.

Discussion on Modular Construction Design of Steel-tube Bailey Beam Brackets

CHEN Yun-hui，MENG Li-he

(Pavement Branch of Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

From the perspective of temporary bridge structure design，based on the steel-tube bailey beam combination-stent design commonly used in the in-situ construction of upper bridge structure，and combining the hand calculation and computerised calculation methods，this article proposed the more reasonable and convenient structure design ideas and methods，which has some guidance reference significance for the standardized and modular application of temporary construction structure in similar bridges.

Bridge construction；Combination stent design；Calculation method；Modular

U442.5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.006

1673-4874(2016)07-0023-04

2016-06-10

陈云辉(1984—)，工程师，主要从事公路桥梁隧道施工管理工作；

蒙立和(1974—)，主要从事路桥施工技术研究工作。