钢管柱支撑与贝雷架在桥梁施工中的运用

曾涛

【摘 要】在桥梁施工中对支架体系的选择尤为重要，它直接关系到施工的安全、质量、进度、成本等多个方面。随着我国铁路事业的不断快速发展，在保证施工安全和质量的前提下，对工程进度有了更高的要求。以往，我们在低高度现浇梁施工中，几乎全部采用满堂支架法施工，物资设备投入非常大，施工工序繁琐而且施工周期长；箱梁采用贝雷支架法现浇施工技术，大大加快了施工周期，成倍提高了物料、工装等的周转效率，节约了大量成本，并且在上跨铁路、公路、河流等地势条件下的桥梁，满堂支架法无法满足现场施工要求，采用钢管贝雷架支撑体系能够减少施工对交通的影响，且施工快捷安全。本文重点写了贝雷架的施工要点与验算，为类似工程提供了参考方案。

【关键词】贝雷架；钢管柱；上跨；验算

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。

贝雷架由上、下弦杆、竖杆及斜杆焊接而成，上下弦杆的端部有阴阳接头，接头上有杵架连接销孔。贝雷片的弦杆由两根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。多排贝雷片作梁或柱使用时，必须用支撑架加固上下两节贝雷片的接合部。

一、工程概况

新建京张铁路工程昌平高架特大桥起点位于北京市昌平区马池口镇奤夿屯村西北，终点位于南口镇污水处理厂东南侧。桥梁线位基本成西北走向，设计起止点里程为DK45+635～DK47+148，全长1513m，共46跨。本桥设计钻孔桩450根、承台47个、墩身45座、桥台2座、简支箱梁40孔，连续梁2联。本桥基础全部为钻孔灌注桩和矩形钢筋混凝土承台；简支梁桥墩采用圆端形实体桥墩，高度4.0m～14m，墩身型式一致，桥台采用双线矩形空心桥台，台顶斜置。桥跨统计：30-31.1m简支梁箱梁、10-23.1m简支梁箱梁+1联跨规划南环路西延路（40+56+40）m连续梁（33#-36#墩）+1联跨规划二道河北路（40+64+40）m连续梁（38#-41#墩）。本桥曲线半径8000m，梁面最大纵坡17.8‰。

其中昌平高架特大桥27-28#墩32m现浇箱梁上跨京通京包联络线。简支箱梁为等截面，梁高2.62m，梁宽12.2m。形式如图1。

二、支架体系设计

贝雷架支撑体系承载力大、操作便捷、搭设速度快，跨度大，相对于传统支撑体系操作简单、经济合理，并在跨越地面障碍方面具有明显优势。同时结合现场实际情况，为了不影响桥梁下方道路交通，经过研究决定采用贝雷梁支架体系做为本工程现浇箱梁施工的支撑体系看，上跨京通京包联络线进行现浇箱梁施工。

钢管柱支架组成从下至上依次是：承台（条形）基础、钢管柱（φ630*10mm）、脱模砂箱、横向分配梁（双拼I45a）、纵向贝雷片、I20a工字钢分配梁@90cm（可根据箱梁外模支腿间距相应调整但不大于90cm，箱梁两端变截面处加密@45cm。）和箱梁模板系统组成。立柱基础设在承台（条形基础）结构物，立柱与基础预埋螺栓（φ26*700mm）连接或与预埋钢板焊接（80*80*2cm钢板）。

跨京通京包联络线32m梁单层加强型支架箱梁顺桥向设置3排钢管立柱，距相邻两墩柱中心位置：2.5m+20.45m+7.29m+2.5m，中间一排设置在京通京包联络线路基北侧坡脚处，地基处理采用1.25m钻孔桩，深度12m，共设置4根，桩顶上设置连梁宽2.25m*高0.5m*长11.5m，最大跨度20.45m。钢管柱直径为630mm壁厚10mm，每排布置4根，相邻钢管柱间距为2.75m+2.75m+2.75m，每排钢管立柱之间采用[14号槽钢焊接牢固。每根钢管立柱上布设一个落梁砂箱，砂箱上放置双拼I45a横向工字钢，工字钢上布设8组20片单层加强型贝雷片（间距2*0.9m+6*0.45m+0.9m+0.3m+0.9m+6*0.45m+2*0.9m），贝雷架最上层和最下层弦杆采用加强弦杆加强，贝雷梁上再布设20号的横向工字钢，间距为900mm（可根据箱梁外模支腿间距相应调整但不大于90cm，箱梁两端变截面处加密@45cm。），横向工字钢上再摆放箱梁底模系统。

三、结构验算

（一）小横梁计算

1.小横梁计算模型。

取主梁纵向长度L=0.6m；混凝土容重：ρ=26kN/m3；模板荷载：q1=1kN/m2；

人群荷载：q2=2.5kN/m2；混凝土振捣冲击荷载：q3=2kN/m2；

恒载组合系数：U1=1.2；活载组合系数：U2=1.4；

则小横梁上计算模型如下：

弹性刚度K=1/0.167*1000=5988kN/m

2.小横梁截面特性。

小横梁为I20a工字钢，其截面特性如下：

截面特性

3.结论。

（1）最大正应力σ=18.1MPa

（2）梁体位移：w=3.35mm，满足刚度要求。

（二）纵向贝雷梁计算

1.水平弦杆最大轴力N=509.3kN〈[N]=2*563=1126kN，满足强度和压杆稳定性要求；

2.斜杆最大轴力N=165.7kN<[N]=171kN，满足强度和压杆稳定性要求，需要局部加强处理；

3.竖杆最大轴力N=209.3kN<[N]=212kN，满足强度和压杆稳定性要求；

4.剛度w=37/20450/1.2=1/663.2<[w]=1/400. 满足刚度要求。

5.贝雷梁对横向分配梁产生的最大作用力为F=387.7kN

局部加强处理：

在下图所示位置的腹板区、箱室区设置加强网架。网架由竖向三根[10槽钢及两根上、下的[10槽钢组成，嵌入并固定在在贝雷梁支座的竖杆的两侧，此时竖杆的承载力为：3*212=626kN>308Kn，满足竖杆的压杆稳定性要求。

（三）跨中大横向分配梁计算

1.最大正应力σ=140MPa

2.梁体位移：w=0.624/1.2=0.7，满足刚度要求。

3.最大剪应力t=107.4

4.钢管立柱的最大轴力为2011kN；

（四）跨中Φ630*10钢管稳定性计算

绕X轴的长细比< 【λ】=150， 刚度条件满足要求！

绕Y轴的长细比 < 【λ】=150 刚度条件满足要求！

绕X轴的稳定性检算：

结论：满足压杆稳定性要求！

绕Y轴的稳定性检算：

结论：满足压杆稳定性要求。

【总体结论】：满足压杆稳定性要求。

（五）钻孔桩基础承载能力计算

采用C20钻孔灌注桩基础，直径为1.25m，埋深长12米，桩基底承载力为q pk =160kPa，桩基础侧阻力标准值qsik =40kPa，则钻孔桩承载力为：

N=u∑ qsik*li + q pk *Ap

=12*3.14*1.25*30+600*3.14*0.625*0.625=2149Kn>1995Kn，满足承载力要求。

四、施工流程

（一）钢管柱安装

将钢管按不同的长度连接好后，用吊车安装就位，下口和预埋螺栓连成整体，每根钢管支墩标准长为4m、5m、6m、7m、9m、12m，高度调整主要由0.2m～3m长的钢管支墩调整，其两端皆有法兰结构，以便连接。钢管支墩上下安装δ=10mm（80×80cm）的钢板进行应力扩散。

（二）钢管柱加固

为加强钢管支墩单肢强度和上部支承梁承受能力相匹配，以及钢管支墩的整体稳定性和抗倾覆能力，将钢管桩顶部上砂箱与工字钢焊接或栓接牢靠，底部与预埋螺栓栓接牢靠。第二、三排钢管支柱之间用[14槽钢焊接，每隔5m焊接一道纵向及斜向支撑（14m以下墩柱设置一道），增强钢管的刚度；位于同一墩位两侧的两排钢管桩，顶部用[14连接形成上平联，两排间用[14做成人字支撑，根据高度每隔5m焊接一道连接（14m墩柱以下焊接一道）。钢管柱的底部采用刚结形式，以减少钢管柱压杆自由计算长度，提高钢管柱的整体稳定性。使两排钢管形成一个受力整体。

（三）工字钢横梁架设

在安装就绪的钢管柱顶面布设2根I45a工字钢，两根工字钢焊接成共同受力的整体，并与管顶钢板联结牢靠。在贝雷梁受力点处，采用δ=20mm钢板加工成钢翼板。同一墩位两侧的横梁用∠10角钢平联联结成整体，以防止单片贝雷架在横梁上拖拉时发生工字钢横梁倾覆。为保证混凝土浇注完成后能够顺利卸落支架，在工字钢顶面与贝雷梁支撑点处均设置特制的砂箱，以保证将砂箱中沙子放出后能顺利下落支架，砂箱最大可调高度为10cm。

（四）贝雷梁拼接和安装

为保证贝雷梁的相对稳定，每两排或三排贝类梁采用专用的支撑架连接为一个整体，间距均为45cm，就地拼接用吊车整体吊装。贝雷梁安装就位后，在下底面沿支架纵向每2.0m使用贝雷梁配套的 I10工字钢横联设置横向钢结构连接系一道，横向在每个支点处贝雷梁组互相之间采用10#槽钢成剪刀型联结两道，以保证贝雷梁整体受力。

（五）分配梁铺设

在贝雷梁顶面横向铺设I20工字钢作分配梁，最大间距90cm（梁端变截面处间距为@45cm），单根长度12m，分为整根或两节在中心线处采用螺栓连接。分配梁顶面放置底模系统。

（六）钢管柱与墩柱

把钢管支柱按不同的长度连接好后，用25吨吊车安装就位，下口和预埋铁连成整体，然后做钢管柱纵、横向及斜支撑连接，墩旁支柱与墩身连接采用双[16#槽钢加工成横梁，墩柱横桥向两侧一边一根采用3道φ25精轧螺纹钢对拉抱住墩身，形成抱箍，每个墩旁钢管柱从砂箱底1.0m处设置第一道，每隔5m设置1道，钢管柱与横梁间用2[20#槽钢支撑及焊接牢固，并在钢管柱顶安放砂箱以备落架，在砂箱上面放置分配梁，最后用吊车安装纵横梁并连接。

（七）落架

落架是现浇梁施工中的重要环节。落架顺序的确定应根据变形“从大到小”的原则来确定，即先卸落变形较大的位置，后卸落变形较小的位置，横桥向应同步进行。卸落支架时，跨中的变形较大，如果卸落量控制不当，容易造成临时墩支点处受力较大的情况，造成卸落困难，如果采用强拖硬拽的方法，容易对梁体产生冲击荷载。单跨现浇梁支架落架时，采用从跨中向两边顺序进行，首先将跨中支点处砂箱卸落，再卸落两侧，然后进行支架拆除，支架拆除前首先拆除横向分配梁，由工人配合吊车将横梁拖出后吊出放至地面。贝雷支架采用固定在钢管柱上的倒链拉出梁底，吊车拖拉时设专人指挥，贝雷支架两端同时均匀拖拉，严禁一端拖拉，防止掉落。拆除作业中有需要加固的部位，应先加固再拆除，防止架体倒塌。拆除的零部件应分批运至地面，严禁抛掷。

五、支架预压

（一）预压目的

支架预压是为了消除地基的弹性及非弹性变形，确保支架的安全性。支架预压采用与实际施工荷载1.1倍重物，在底模铺设完成采用预制的1m×1m×1m混凝土预制块进行预压。32m简支梁重719t，24m简支梁重556.5，其余施工荷载按25t考虑，则实际施工荷载32m梁为744t，24m梁為581.5t。在底板的中心线及距离中心线两侧2.5m的位置共布置9个点，具体位置见下图。

（二）加载方法

加载采用分级加载。预压按总荷载的0→60%→100%→110%→100%→60%→0进行加载及卸载，检查各杆件焊缝有无开裂情况，同时记录加载施力和位移数据。

加载时注意控制加载速度，各点压重要均匀对称均衡进行。当纵向加载时，应从跨中向支点处对称布置荷载；当横向加载时，应从混凝土结构中心向两侧对称布置荷载。

（三）加载前的测量

预压前测量原始标高。

（四）加载过程中的测量

每级加载完成1h后进行支架的变形观测，以后每隔6h监测记录各监测点的位移量，当相邻两次监测位移平均值之差不大于2mm时，方可进行后续加载。

（五）持载时的观测

全部预压荷载施加完成后，应间隔6h监测记录各监测点的位移量；当连续12h监测位移平均值之差不大于2mm时，方可卸除预压荷载。此时测量各沉降观测点的标高。

（六）卸载时的观测

支架卸载6h后，应监测记录各沉降观测点的标高。

六、施工注意事项

1.加强现场线形与安全监控；在荷载预压及混凝土浇筑过程中，必须进行托架的变形监测，确保预压与混凝土浇筑过程安全有序进行，发现异常能够及时处理；

2.对于顶部横向双I45a工字钢，在钢管立柱处需要设置 三道1.0cm厚、间距4cm的肋板，以增加构件局部抗失稳能力；

3.所有焊缝高为10mm，且需要满足规范要求；

4.贝雷组需要用型钢限位处理，防止贝雷组侧向倾覆；

5.中墩大横梁（双I45a工字钢）与贝雷梁须用U型卡锁定；

6.钢管立柱需要用[20a槽钢与桥墩刚性拉结，一道拉结在钢管立柱的上端，一道拉结在钢管立柱的中部；

7.中部钢管与中部钢管之间应该设置两层[20槽钢支座的剪刀撑平联。

七、实施效果

（一）进度效果情况

有效的解决受场地影响无法进行满堂红支架搭设的情况，并减少了地面硬化的时间，通过该支架体系的运用总体上提前了15天完成了此箱梁的施工任务。

（二）测量观测情况

根据加载后的沉降量数据及卸载后的弹性变形数据，最终非弹性变形量均控制在4mm以内，符合设计规范要求。

（三）质量安全效果情况

箱梁施工中无任何安全质量事故发生，安全质量得到了有效的控制，达到了预期的目标。

（四）经济效果情况

通过该支架体系减少了场地平整、硬化及人工，提高了周转料的利用率，缩短施工工期，节省租赁费用，直接节约成本10%。

八、结束语

钢管柱贝雷架应用于桥梁施工中能够实现安全、快速、经济的目的，加快了支架体系的形成，同时也减少了型材的使用。其关键应以其受力驗算为依据，形式结构布置要合理、科学。通过钢管柱贝雷架在本工程中的实际应用，证明此施工工法安全实用，可在类似工程中进行推广应用。

参考文献：

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