大跨度桥梁施工贝雷架支撑结构体系计算与优化

廖袖锋，魏奇科，王维说

（1重庆市合川区建设工程质量监督站，重庆401520；2中冶建工集团有限公司，重庆400084）

大跨度桥梁施工贝雷架支撑结构体系计算与优化

廖袖锋1，魏奇科2，王维说2

（1重庆市合川区建设工程质量监督站，重庆401520；2中冶建工集团有限公司，重庆400084）

以银川水洞沟大桥工程为例，利用3D3S有限元计算分析软件，分析了大跨度桥梁施工贝雷架支撑结构体系设计与优化。计算分析了5种结构体系下结构受力及变形特征，包括：跨中1个支撑点单层贝雷架体系、跨中1个支撑点局部双层贝雷架体系、跨中2个支撑点（间距6m）单层贝雷架体系、跨中2个支撑点（间距12m）单层贝雷架体系、跨中2个支撑点（间距18m）单层贝雷架体系。通过各结构体系的计算分析，得出跨中设置2个支撑点，且支撑点间距设置为12m时支撑结构受力及变形最优，且满足规范要求。

贝雷架；公路钢桥；支撑结构；内力

0　引言

贝雷架也称为“装配式公路钢桥”，原名叫“321”公路钢桥，是我国的战备公路钢桥。贝雷架是形成一定单元的钢架，可以用它拼接组装成很多构件、设备，它具有结构简单、运输方便、架设快速、分解容易的特点。同时具备承载能力大、结构刚性强、疲劳寿命长等优点。它能根据实际需要的不同跨径组成各种类型和各种用途的临时桥、应急桥和固定桥，具有构件少、重量轻、成本低的特点。目前已经广泛应用于国防战备、救灾抢险、铁路桥梁施工、市政桥梁施工以及其他大跨度施工需求的机场及地铁等的施工［1-8］，作为上部结构施工的支撑结构体系，根据荷载和跨度情况，可拼装成1层、2层或多层，如图1所示。

图1　贝雷架施工应用图片

图2　桥梁横断面布置图

桁架由上下弦杆、竖杆及斜杆焊接而成，上下弦杆的端部有阴阳接头，接头上有桁架连接销孔。贝雷架桁架的弦杆由两根10号槽钢（背靠背）组合而成，在下弦杆上，焊有多块带圆孔的钢板，在上下弦杆内有供与加强弦杆和双层桁架连接的螺栓孔，在上弦杆内还有供连接支撑架用的四个螺栓孔，其中间的两个孔是供双排或多排桁架同节间连接用的，靠两端的两个孔是跨节间连接用的。在下弦杆上，设有4块横梁垫板，其上方有凸榫，用以固定横梁在平面上的位置；在下弦杆的端部槽钢的腹板上还设有两个椭圆孔，供连接抗风拉杆使用。桁架竖杆均用8#工字钢制成，在竖杆靠下弦杆一侧开有一个方孔，它是供横梁夹具固定横梁时使用的。贝雷架桁架单元尺寸及部件说明如图2所示。

图3　整桥立面布置图

图4　桥梁横断面布置图

图5　模板支撑结构体系纵向布置图

1　工程概况

银川水洞沟大桥工程位于银川滨河新区，桥面宽度38m，全桥9孔一联布置，跨径组成为（35+7×40+35），桥长350m。4#、5#桥墩固结，其余桥墩及桥台设支座，如图3所示。主梁采用箱形截面，变高度连续梁，支点梁高530cm，跨中梁高200cm，梁底曲线按椭圆曲线变化。

主梁桥面宽38m，双向六车道以及非机动车道，主梁横向分为四片单箱单室，采用横梁、横隔板及顶板连接，如图4所示。

该桥位于水库内，无通航要求，采用回填筑岛法施工，筑岛后竖向高度受限，拟采用贝雷片加钢管组合支撑体系施工。模板支撑结构体系主要由钢管柱、下横梁、贝雷架、上横梁、碗扣式脚手架、主次梁方木、模板构成，如图5所示。

钢管柱暂定630×10钢管，贝雷架下横梁采用双拼工字钢，暂定I63c，贝雷架根据当地租赁市场情况采用国产321型贝雷架，单节贝雷片长度为3000mm，高度为1500mm，贝雷架的间距一般为450mm、900mm两种，贝雷架在箱梁腹板范围内加密。贝雷架上支撑脚手架立杆的横梁采用18号工字钢，间距暂定600mm，可根据需要加密。碗扣式钢管支架，钢管步距1.2m，钢管顺桥方向立杆间距600mm，横桥方向根据荷载情况计算确定。钢管上部沿横桥方向主梁采用方木或钢管，次梁采用方木，其上再铺设竹胶板，主次梁方木和竹胶板厚度根据荷载情况计算确定。

图6　三维计算模型

2　计算概况

2.1设计荷载

根据公路桥涵施工技术规范主要由以下荷载组成。

（1）混凝土自重。箱梁范围内，纵桥向离桥墩净距1m范围内，腹板高度平均5200mm，厚度900mm，底板厚2400mm，顶板厚400mm，考虑到腹板和顶板混凝土基本在底板混凝土初凝后浇筑，荷载通过底板45O线传递到模板上，由于底板较厚，因此腹板、顶板和底板混凝土荷载在箱梁范围内折算成平均荷载为：［900×5200×2+（5600-900×2）×2800］×25/5600/1000=89kN/ m2。

同理，箱梁范围内，距桥墩第一段3000mm范围，平均荷载为：［700×4000+650×950］×25/1350/1000=64kN/m2；箱梁其余范围平均荷载为：［700+250］×25/1000=24kN/m2；箱梁范围内，均桥墩第二段3000mm范围，平均荷载为：［500×3200+400×690］×25/ 900/1000=20kN/m2；箱梁其余范围平均荷载为：［440+250］×25/ 1000=17kN/m2；箱梁范围内，跨中段24000mm内，平均荷载为：［500×2600+400×620］×25/900/1000=17kN/m2；箱梁其余范围平均荷载为：［370+250］×25/1000=15.5kN/m2；箱梁范围外，桥面板厚400mm，平均荷载为：400×25/1000=10kN/m2。

（2）方料、模板自重1.0kN/m2。

（3）施工人员和施工机具荷载2.0kN/m2。

（4）振捣混凝土产生的荷载2kN/m2。

（5）钢管架体（包括横杆、立杆、扣件、顶托）荷载3kN/m2。

（1）、（2）、（5）为恒荷载，（3）、（4）为活荷载。

整个支撑系统的恒荷载分布根据分包位置以及大小适当归并，可分为五个区域：一区，箱梁范围内，纵桥向离桥墩净距0～1m范围，荷载93kN/m2；二区，箱梁范围内，纵桥向离桥墩净距1～4m范围，箱梁腹板下450×3=1350范围内，荷载68kN/m2；三区，箱梁范围内，纵桥向离桥墩净距1～4m范围，箱梁非腹板下范围内，荷载28kN/m2；四区，箱梁范围内，纵桥向跨中24m范围，荷载24kN/m2；五区，箱梁范围外，荷载14kN/m2。

2.2计算模型

采用3D3S设计分析软件进行支架内力、变形计算以及截面强度、稳定校核。三维计算模型如图6所示。

3　计算结果

3.1跨中1个支撑点单层贝雷架体系计算结果

图7　体系1受力变形图及内力图

计算结果如图7所示，跨中最大位移23.2mm，弦杆最大拉力375kN，弦杆最大压力417kN，强度验算不通过，最大应力比达到了1.828，应力比不满足要求的部位主要集中在中间支撑点下部受压的弦杆及竖腹杆。

图8　体系2受力变形图及内力图

3.2跨中1个支撑点局部双层贝雷架体系计算结果

根据结构体系1中受力不满足规范要求的部位进行局部“加腋”措施方案，采用局部双层的方案。

计算结果如图8所示，跨中最大位移19.4mm，弦杆最大拉力186kN，弦杆最大压力298kN，弦杆内力大大改善减小。但强度验算仍不通过，最大应力比降低到1.175，应力比不满足要求的部位主要集中在中间支撑点下部受压的腹杆。

可见，局部双层的方案增加了桁架高度，大大减小了弦杆受力，但没有增加腹杆截面，因此支座竖腹杆的受力没有改善，应力比仍然不满足要求。由于贝雷架为标准构件，不便于局部加粗截面，可在此方案基础上，采取双片贝雷架双拼加强的方案，但由于贝雷架横向连接也为标准构件，横向近距离双拼由于不便施工而暂时放弃。

3.3跨中2个支撑点（间距6m）单层贝雷架体系计算结果

根据结构体系2的受力分析，增加桁架高度及厚度的措施不能完全解决1个支撑点方案受力的问题，因此只能增加支撑点，减小桁架跨度，从而减小桁架整体的弯矩和剪力。因此方案三采用跨中2个支撑点，支撑点间距为6m，贝雷架仍然为单层的方案。

计算结果如图9所示，，跨中最大位移16.2mm，弦杆最大拉力159kN，弦杆最大压力286kN，最大应力比降低到1.049，应力比不满足要求的部位主要集中在中间支撑点下部受压的弦杆。

可见，与方案1相比，中间增加支撑点的方案大大减小了弦杆和腹杆受力，最大应力比虽仍然超限，但已经降低到1.049，根据图9结构变形可见，中间两个支撑点间距较小，且跨中荷载小，两端荷载大，因此中间跨变形没有出现向下的正向位移，桁架整体的受力和变形还不十分均衡。

图9　体系3受力变形图及内力图

3.4跨中2个支撑点（间距12m）单层贝雷架体系计算结果

根据结构体系3的受力分析，增设跨中支撑点的方案效果明显，只是支撑点间距较小，进一步加大支撑点间距为12m。

计算结果如图10所示，跨中最大位移9.0mm，弦杆最大拉力116kN，弦杆最大压力177kN，强度最大应力比降低到0.8，稳定应力比接近0.9，应力比都满足要求。

图10　体系4受力变形图及内力图

可见，与方案3相比，增加中间支撑点间距进一步改善了桁架受力，从变形图也可以看出变形更加均衡协调，中间支撑点间距进一步增加或许受力更加均衡。

3.5跨中2个支撑点（间距18m）单层贝雷架体系计算结果

根据结构体系4的受力分析，由于贝雷架桁架单元模数为3m，进一步加大支撑点间距为18m。

计算结果如图11所示，跨中最大位移19.8mm，弦杆最大拉力192kN，弦杆最大压力266kN，强度最大应力比增大到1.147，应力比不满足要求。

图11　体系5受力变形图及内力图

可见，与方案4相比，中间支撑点间距进一步增加到18m后，中跨跨度太大，位移增加，桁架受力也增大，应力比不满足要求了，因此中间支撑点间距12m是最优方案。

4　结论

计算分析了5种结构体系下结构受力及变形特征，包括：跨中1个支撑点单层贝雷架体系、跨中1个支撑点局部双层贝雷架体系、跨中2个支撑点（间距6m）单层贝雷架体系、跨中2个支撑点（间距12m）单层贝雷架体系、跨中2个支撑点（间距18m）单层贝雷架体系。

通过各结构体系的计算分析，得出银川水洞沟大桥工程设置单层贝雷架，跨中2个支撑点，支撑点间距12m时支撑结构受力及变形最优，且满足规范要求。

［1］崔昌洪，韦健江.钢管贝雷梁柱式支架在高墩大跨现浇箱梁施工中的运用［J］.公路，2005（10）：10-16．

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责任编辑：孙苏，李红

建材养护

建筑石材养护小常识

建筑石材一旦被污染后，清洗非常不易。一般来说经常碰到的问题有：石材外墙渗水、白华、锈斑、污斑、水斑、油斑、施工材料的污染、风化、老化，以及人员出入造成光泽磨损等等。针对上述问题，可采用下列养护方法预防和治理石材病变。

由于大楼位居要枢，因此污染也特别严重。由于石材本身具有毛细孔及吸水性，空气污染，灰尘加上空气中的酸气，汽机车的废气等，日积月累地附着于石材表面，当下雨的时候，酸雨会加速这些污染对石材的侵蚀且吸附在石材的毛细孔内，造成不易清洗的污斑，尤其对于火烧面的石材来说，这些污染形成的速度更快，且不容易清洗，仅使用市售的清洗剂根本无法去除这些污染；若是光面的石材，这些光泽很快就被侵蚀掉。因此，要去除这些污染，可以使用石材专用清洗剂，一般常用的有强力清除剂或多功能清除剂等石材专用的清洗剂。这类石材专用的清洗剂可以将渗入毛细孔内的污染完全去除，且不会伤害石材。如果要防止石材再一次被污染，可于石材清洗干净后，在石材表面干燥的情形下，再作一道防护处理的工作，这种渗透性的防护剂常用一些多功能防护剂或石材专用防护剂，这几类防护剂可以渗入石材内部，形成一道防护层，具有防水、防污、防锈斑、防油污、防风化、防老化、耐酸碱、防茶渍、可乐、酱油等造成的污斑的效果，并能有效控制白华的产生，且不损及石材原有的透气性，平常清洗工作只需用水擦拭即可达到效果，无需使用其他的清洗剂。

外墙污染的事前防护处理：一般来说，石材的外墙均有相当之高度，一旦造成污染后再来清洗，施工极为不便。如果事前能做好防护处理，完工后便没有污染上的问题，日常的清洗工作也只需用清水擦拭即可，而且施工前的防护处理成本较低、施工较容易、比较经济。

石材完工后，经过很长的时间都不会干而始终留有湿湿的痕迹在表面上，这就是俗称的水斑。要去除水斑，可以说是非常困难的事，因为水斑的形成非常复杂，其中包括有水泥、酸雨、白华、砂质不良以及石材吸自地下的污染。这些污染造成石材本身的变质，这种变了质的石材相当不容易清理干净，所以对水斑而言，唯一的方法就是预防。要预防水斑的形成可在施工前使用多功能防护剂或石材专用防护剂。施工前，对石材作防护处理，即可有效避免水斑的形成，同时可达到良好的防污效果。

我们常看到有一些白色的结晶物从石材的接缝里流出来，这就是俗称的“白华”（泛碱）。白华分为两种，一种是“一次白华”，一种是“二次白华”。“一次白华”的成因是施工时，水泥砂浆产生化学变化形成氢氧化钙，从石材的接缝里冒出来或是从石材本身的纹路、毛细孔处冒出来，与空气中的二氧化碳结合形成白色的结晶物；“二次白华”主要是由于雨水渗入石材内部与水泥砂浆接触，产生化学变化而形成白华。这两种白华现象，均要使用强力清除剂来去除。一般来说，要事后补救并防止白华再生须从多方面着手。首先要防止外部的污染即雨水的渗入，这可以从石材表面作防护处理及加强填缝部分的防水功能来着手，只要外面的水分不再渗入石材，而石材内也无水分，白华即无法再生。

Calculation and Optim ization of Bailey Support Structure System in Large-span BridgeConstruction

Based on Shuidonggou bridge in Yinchuan，with the calculation and analysis 3D3S finite elementsoftware，structure stress and deformation featuresof the structureunder five kindsof structuralsystemsare calculated and analyzed，including single-layered bailey system with one supportpoint，local double-layered bailey system w ith one supportpoint，single-layered bailey system with two supportpoints（distanceof6cm），single-layered bailey system w ith two supportpoints（distanceof 12cm），and single-layered bailey system w ith two supportpoints（distance of 18cm）.Through calculation and analysisof every structuralsystem，it is concluded that the support structure has the beststressand deformation andmeets the requirementsof the code when two supportpointswith distanceof 12cm are set.

bailey structure；roadsand steelbridges；supportstructure；internalstress

［TU 997］，U 445

A

1671-9107（2016）08-0046-05

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.08.046

2016-08-05

廖袖锋（1983-），男，重庆人，研究生，高级工程师，主要从事建筑节能与建设工程管理相关工作。