钢管柱-贝雷梁支架体系施工工艺及设计检算

刘学明，刘世忠

（兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州730070）

钢管柱-贝雷梁支架体系施工工艺及设计检算

刘学明，刘世忠

（兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州730070）

随着支架现浇技术的推广，钢管柱-贝雷梁支架得到普遍应用，而目前对于贝雷梁的合理运用和检算方法却缺少比较全面的理论研究。本文基于某城市互通立交桥工程实例，系统地提出了钢管柱-贝雷梁支架体系的施工工艺和检算方法，并总结出既经济又普遍适用的贝雷梁布置方案，以期为今后类似工程的设计及施工提供经验指导和理论依据，同时方便钢管柱-贝雷梁支架法施工高效、有序进行。

贝雷梁；支架体系；检算；施工工艺

某市互通立交桥位于城市公路交叉口，道口转向由7个匝道桥构成。该工程整体采用支架现浇法施工，现浇箱梁为单箱三室等高度鱼腹式连续梁，跨度35 m及以上的箱梁高2.0 m，跨度＜35 m箱梁高1.8 m，除第5匝道采用普通钢筋混凝土结构外，其余匝道桥均采用预应力混凝土结构。

该立交桥工程地形复杂、工程量大、工期短，且桩基较多，用于打桩基的泥浆池极大地影响了地基承载，所以大部分匝道桥箱梁现浇选用了对地基影响小、经济性好、周转周期短的钢管柱-贝雷梁支架法施工。不仅避免了大面积的地基换填处理，节约了施工成本，而且在很大程度上缩短了工期。本文为了进一步规范贝雷支架的使用，提高其经济效益，在实际工程的基础上，结合理论分析，对钢管柱-贝雷梁支架体系设计检算及施工工艺做了系统的介绍。

1　贝雷梁概述

贝雷梁由贝雷架组装而成，是一种桁梁结构，为确保整体稳定，以“花窗”作为连接构件，将贝雷架连接起来，并用螺栓固定。本工程使用标准国产贝雷架，尺寸为3 000 mm×1 500 mm，如图1所示。

图1　贝雷架节段及花窗示意（单位：cm）

由于贝雷梁灵活性好，安全可靠，成本低廉，且操作工艺成熟，被普遍用做跨公路或跨河道箱梁现浇的承重结构。经方案比选，本立交桥现浇施工选用单排单层非加强型贝雷梁。

2　支架体系布置形式

本立交桥工程各匝道均为曲线桥，为控制曲线线形，同时也为了减小贝雷梁所受内力和挠度，在跨中增设2排钢管立柱，形成了多跨梁柱式支架结构，中跨2个钢管立柱上方穿插无“花窗”连接的单排贝雷架，2个边跨布置整体组装的贝雷梁，所以每跨都按简支结构考虑。

支架体系自下而上依次为：基础、装有法兰盘的钢管立柱、沙箱、双拼工字钢横梁、贝雷梁、工字钢分配梁、方木、模板及其支架。横截面布置如图2所示，纵向布置情况如图3所示。

图2　梁柱式支架横断面

钢管柱-贝雷梁支架体系的传力途径：

模板→方木→工字钢分配梁→贝雷梁→砂箱→钢管立柱→条形基础→地基。

图3　梁柱式支架纵向布置

3　施工工艺流程及操作过程

支架现浇法施工主要工艺流程见图4。

图4　施工工艺流程

1）地基处理

施工前，将需要布置条形基础的地基进行换填处理，并逐层压实，最后用机械将地基整平、碾压。处理完毕后，做触探试验，要求条形基础的地基承载力达到200 kPa以上，压实度达到93%以上。地基处理达到标准后，浇筑钢筋混凝土条形基础，作为钢管立柱与地基之间的传力过渡结构。

2）钢管柱安装

钢管立柱采用φ429×8 mm的Q235直焊钢管作为主支撑体系，钢管柱端部焊接法兰盘（为方便连接，所有法兰盘制作时应该使用统一的胎具）。钢管柱与混凝土条形基础同样采用法兰连接，浇筑条形基础时应注意预埋件的焊接和预埋质量。钢管立柱之间设置［18型钢作为横联，以增加整体稳定性；横联间设置剪刀撑（槽钢）连接，剪刀撑按45°角设置，槽钢与钢管柱之间进行焊接，焊缝须饱满。

3）横梁、贝雷梁等结构安装

每根钢管立柱上方安装用于微调标高和拆卸支架的沙箱，然后沿钢管柱顶面横向通长布置2×I36型钢作为柱顶主梁，两根工字钢沿拼接缝焊接，为方便拆除宜采用间接焊，端头部位可用外加连接钢板焊接。焊接完成后，采用两点起吊法将工字钢横梁吊放在钢管柱顶部，安放时要确保工字钢中心与钢管柱纵横向中心对应。另外，为了防止工字钢滑移，放置到位后，在工字钢横梁两侧焊接φ25 mm短钢筋将其卡紧。

贝雷梁作为纵向承重梁置于双拼工字钢横梁上方；贝雷梁上方的分配梁用I14型钢，沿箱梁中心线对称分布，两边各伸出50 cm作为搭设支架的工作平台，纵向间距根据箱梁整体重量确定。

4）支架预压

底模铺设完毕后要进行超载预压，其目的是消除支架的非弹性变形，同时也为了得到支架的弹性变形值，将总变形值作为计算施工预拱度的依据。预压材料选用预制混凝土块，将其堆码在底模上。加载方式为分级加载，分别取箱梁总重的40%，80%，120%，要求前两级加载持荷3 h；当加载120%时，持荷48 h，此过程中应严格监控地基沉降和支架变形，并实时观测、记录底模标高变化。卸载后再次测量底模标高，根据预压前后同一点标高差值及支架的弹性变形量、梁的挠度等算出底模的预拱度之和，调节支架预拱度。

5）支架拆除

当封锚混凝土达到设计强度以后，进行落架和模板拆除。支架体系的拆除按照“整体自上而下，从跨中向梁端”的顺序进行。基本原则是纵桥向对称均衡，横桥向基本同步。具体步骤为：①沙箱放沙，使贝雷梁下落；②拆除方木和模板；③吊卸贝雷梁上方工字钢分配梁；④拆除贝雷梁横向连接；⑤用吊车吊卸贝雷梁，即底板处贝雷梁要用倒链缓慢移到翼缘板下，再用吊车吊卸，吊卸时保持两端均衡、匀速降落；⑥拆除主横梁双拼工字钢；⑦卸落沙箱；⑧拆除剪刀撑；⑨拆除钢管立柱。

4　支架体系设计及检算

4.1贝雷梁

按照正常使用极限状态考虑贝雷梁的受力。梁体钢筋混凝土和模板等结构自重、混凝土倾倒冲击荷载和振捣荷载、以及其他施工荷载采用荷载设计值（标准值与分项系数的乘积）进行组合，确定贝雷梁所受均布荷载q。

贝雷梁内力按简支结构计算，假定l为贝雷梁布置的最大跨距，则可以计算贝雷梁最大弯矩Mmax、最大剪力Qmax及最大挠度vmax。计算式分别为

单排单层贝雷梁力学性能参数按照《装配式钢桥多用途使用手册》取值。

［Q］=245.2 kN；［M］=788.2 kN·m；［v］=l/400

则贝雷梁所受内力应该符合如下公式

式中n为贝雷梁排数。

由此可以得到计算贝雷梁数的不等式

解得

由不等式（4）确定箱梁现浇时所需贝雷梁的数量。为使贝雷梁受力更加均匀、合理，应该按照混凝土箱梁截面重量分布规律确定其具体布置情况，则箱梁相应部位贝雷梁数量按下式计算。

例如：如图5所示，腹板所占面积比例为A1/A，A为箱梁截面总面积，则腹板下贝雷梁数为nA1/A。需要注意的是：实际施工中无法完全按照理论计算值布置，因此式（5）计算结果可作为近似参考值。在一般情况下，贝雷梁的布置在箱梁腹板下密集，底板下次之，翼缘板下相对较少。

4.2分配梁

根据箱梁各部位重量比例确定贝雷梁的布置形式和工字钢分配梁受力，可以得到计算简图（图6）。

图5　箱梁截面示意

图6　工字钢受力分布

鉴于计算较为复杂，宜采用有限元软件MIDAS计算工字钢应力。

按照《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）取Q235抗弯强度设计值［σ］=215 MPa；抗剪强度设计值为125 MPa；容许挠度取l/400。由于本工程为城市立交桥，对施工过程和成桥后的外观要求高，支架刚度要求大，因此选用I14型钢作为分配梁，间距取70 cm。4.3钢管立柱

钢管立柱的检算分为强度检算和稳定性检算。

1）强度检算

2）稳定性检算

单根长度l按最长墩处计算；立柱两端按铰接处理，μ取1.0。

单根立柱容许承载力计算公式

式中：φ为轴心受压构件的截面稳定系数，通过式（7）计算出长细比，查《钢结构设计规范》取得；σ0为抗压强度设计值。

要使稳定性满足要求，须使σ＜［σ］成立。至此，钢管柱-贝雷梁支架布置形式基本确定。

5　贝雷梁分析

为方便贝雷梁设计和施工参考，本文针对不同梁体重量和贝雷梁跨距下，支架布置所对应的贝雷梁数量做了进一步分析。

首先，计算箱梁不同高度和宽度下梁体的重量。箱梁钢筋混凝土重度取26 kN/m3，截面面积分别取6，8，10，12，14，16 m2。然后，通过荷载组合计算贝雷梁受力；经计算，不同箱梁截面面积所对应的均布荷载分别为307.2，369.6，432.0，494.4，556.8，619.2 kN/m。

通过式（4）的计算可得到如图7所示的关系曲线。

图7　跨距与贝雷梁数关系曲线

图7直观地反映了在相应均布荷载作用下不同跨距所对应的贝雷梁数。需要注意的是对于贝雷梁数n应该按照“进一法”近似取值，且考虑到贝雷梁的稳定性，n一般取偶数。

观察图7各条曲线的变化规律，可以看出各曲线斜率逐渐变大，即曲线走势由平缓逐渐变陡峭，说明随着跨距的增大，所需贝雷梁的数量急剧增多。分析曲线的具体特征不难看出，跨距在13 m以内线型最为缓和，13～16 m范围内较平缓，16 m以上时曲线变急促，特别当梁体重量越大时，这种变化也越明显。因此，为达到良好的经济效益，贝雷梁单跨跨距最宜布置在13 m范围内，最大不宜超过16 m。

6　结论

1）本文在合理运用规范的基础上，结合理论分析，系统地介绍了钢管柱-贝雷梁支架各关键部位的检算方法，还提出了比较全面的钢管柱-贝雷梁支架法的施工工艺。

2）总结出了计算贝雷梁数量n的通用公式，同时为更好地使贝雷梁受力，提出了按照截面重量分布规律布置贝雷梁的方案及其具体计算过程。

3）通过分析贝雷梁布置数量与跨距之间的关系，得到贝雷梁布置的最适宜单跨跨距。

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［3］李海东，陈舜东.桥梁现浇施工碗扣式满堂支架稳定性计算［J］.铁道建筑，2014（11）：14-15.

［4］俞笑蓉，刘扬松.压杆的稳定性可靠度计算［J］.石油机械，1989（10）：1-10.

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［7］中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB 50017—2003钢结构设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.

Construction Technology and Design Calculation of Steel Tube Column-bailey Beam Supporting System

LIU Xueming，LIU Shizhong
（Key Laboratory of Road Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China）

W ith the promotion of cast-in-situ concrete technology using support system，the steel tube column-Bailey beam supporting system is applied widely.But there is a lack of theoretical study systematically on reasonable application and calculation of Bailey beam.In this paper，an overpass project using steel tube column-Bailey beam support system was case-studied.T he construction technology and calculation were proposed systematically.An universal and economic layout program was presented and it may be widely used for other projects as guideline to promote construction efficiency.

Bailey beam；Supporting system；Calculation；Construction technology

U445.35

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.11

1003-1995（2016）09-0043-04

（责任审编孟庆伶）

2016-04-21；

2016-06-30

国家自然科学基金（51368032）

刘学明（1989—），男，硕士研究生。