丰台站钢管支柱与贝雷梁组合支架分析研究

祁鹏宇

(中铁六局集团天津铁路建设有限公司，天津 河北区 300143)

0 引 言

贝雷梁以其架设轻便迅速、机动性强、施工方便同时又可以用于复杂地形条件下的特点被广泛应用于桥梁、高架等工程项目中[1]。钢管支柱与贝雷梁结合的支架体系具有强度高、受力传递途径清晰、稳定性好、经济效益高等优点[2]。

贝雷梁虽然是临时结构，但在支架体系中承受了大部分的力，其力学性能直接关系到整个工程的质量和安全。因此在设计施工方案时要着重考虑贝雷梁的强度、刚度和稳定性。本文主要针对丰台站钢管支柱与贝雷梁组合支架的设计施工进行分析，以保证施工过程安全。

1 工程概况

丰台特大桥框架柱梁板结构共计20个结构单元，长度1 507 m，施工里程为J2K8+603至J3K10+110。框架柱梁板结构分为2个区段，一区段为J2K8+603-J3K9+869，1单元至18单元，长度1266 m，位于北京市丰台区西四环与新建丰台站房之间；二区段为J3K9+989至J3K10+110，W1、W2单元，长度121 m，位于北京市丰台区西四环外侧。

丰台特大桥高架平台采用框架柱网结构，基础为钻孔灌注桩，直径1.0 m、长度20～25 m；扩大承台基础，承台尺寸为6.0 m×6.0 m×2.0 m和4.5 m×8 m×2.7 m；墩柱为矩形框架柱网结构，柱截面尺寸为2.0 m×1.7 m和1.5 m×1.7 m，中间设置夹层系梁，系梁截面尺寸为1.0 m×1.4 m和1.0 m×0.9 m，墩柱受下层普速车场影响，框架结构柱轴距纵向规则，横向不规则，纵向柱距为20 m，横向柱距根据普速车场线路情况，柱距最大为15 m；梁体为纵横梁板结构，主梁截面为1.5 m×3.0 m，次梁截面为0.8 m×2.2 m，板厚墩分别为0.35 m和0.45 m。高层框架结构板的纵向单元长度为30～110 m，横向向站内分为京广场及京石场为两部分，宽度30～90 m。 箱梁现浇支架如图1所示。

图1 现浇支架布置图

钢管柱采用直径φ800 mm、壁厚20 mm自带法兰端口封闭的定尺构件，大部分设置在承台上，悬挑部分设置在内配置钢筋的独立基础上(C20,2.5 m×2.5 m×1 m)，支撑体系钢管柱横向间距3～10 m不等，纵向最大间距15 m，钢管柱间采用16#槽钢做为剪刀撑，上下间距4 m。柱顶设置双拼900×300H型钢横梁(Q345材质)，H型钢进行加强处理，H型钢腹板外侧贴(600×10) mm通长钢板，间隔1.0 m增设竖向肋板，增加H型钢整体刚度及稳定性。横梁上布置321/HD200标准贝雷梁纵梁，5片贝雷梁为一组，纵梁下贝雷梁间距为0.45 m，板下贝雷梁间距为0.9 m。贝雷梁上搭设盘扣支架，盘扣支架搭设高度横梁区域为2.0 m，纵梁区域为2.8 m，板区域为4.65 m。

2 模型建立

2.1 计算模型及参数

钢管柱、纵梁、横梁均采用梁单元模拟。钢管柱底端采用固定约束，纵梁与横梁接触处采用只受压弹性连接。现浇支架的整体计算模型如图2所示。

图2 现浇支架模型图

计算参数见表1和表2。

表1 材料许用应力表(单位：MPa)

表2 贝雷片理论容许内力表

2.2 荷载确定

2.2.1 纵梁及板荷载

根据梁的截面面积计算，混凝土比重取26 kN/m3，荷载直接施加在小横梁上，小横梁间距0.9 m。荷载布置如图3所示。

图3 荷载布置示意图

2.2.2 横梁荷载

横梁高度3.0 m，宽度1.5 m；横梁处贝雷梁上小横梁间距为0.6 m,横梁线荷载：q=3×1.5×26/4=29.25 kN/m；施工荷载：2.5 kPa；模板荷载：2.0 kPa；盘扣支架荷载：4.0 kPa；结构自重荷载：采用MIDAS/Civil软件建立整体计算模型，结构自重按实际构件重量取值，并考虑连接板及焊接件重量，取1.1倍自重。

2.2.3 风荷载

根据《建筑荷载设计规范》[4]，项目所在地位北京市丰台区，其重现期为10年和100年的基本风压分别为0.3 kPa和0.5 kPa，施工选用20年重现期的基本风压,按下式计算：

x20=x10+(x100-x10)(lnR/ln10-1)=0.36kPa

(1)

得出对应的基本风速v0=1600x20=24m/s，根据《公路桥梁抗风设计规范》[5]，风荷载按下式计算：

FH=12ρV2gCHH

(2)

Vg=GvVd

(3)

Vd=K1V10

(4)

式中:FH为作用在主梁单位长度上的静阵风荷载，N/m；ρ为空气密度，kg/m3，取1.25；CH为主梁的阻力系数；H为主梁投影高度，m；V10为基本风速，V10=24m/s；Vd为高度Z处的设计基准风速，m/s；K1为风速高度变化修正系数，按20 m高、地面粗糙度类别C取值，K1=0.92；Vg为静阵风风速，m/s；Gv为静阵风系数，加载长度100 m，取Gv=1.41。则:

Vg=GvVd=1.41×22.08=31.1 m/s

(5)

Vd=K1V10=0.92×24m/s=22.08 m/s

(6)

贝雷梁实面积比=桁架净面积桁架轮廓面积=1.2034.68≈0.3，则迎风桁架的风载阻力系数CH=1.7。由式(7)得到贝雷梁风压。

FHH=12ρV2gCH=12×1.25×31.12×1.7=1028 kPa

(7)

对于n片型式相同且彼此等间距布置的等高结构，应考虑多片结构的重叠挡风折减作用，结构的总迎风面积按式(8)计算。

A=(1+η+η2+…+ηn-1φA0=1-ηn1-ηφA0

(8)

式中：η为挡风折减系数，η=0.4；φ为桁架迎风面充实率，φ=0.30。贝雷梁的总迎风面积和总风荷载见式(9)和(10)，盘扣支架的总迎风面积和总风荷载见式(11)和(12)。

A=1-ηn1-ηφA0=1-0.4751-0.4×0.3×20×1.5=15 m2

(9)

F=FHH×A=1.028×15kN=15.4kN

(10)

A=1-ηn1-ηφA0=1-0.4501-0.4×0.15×20×6.0=30 m2

(11)

F=FHH×A=1.028×30=30.8 kN

(12)

模板所承受的风荷载见式(13)，总计单跨立柱所受风荷载大小见式(14)。其中，贝雷片和盘扣支架的风荷载加载在桩顶大横梁上。

F=FHH×A=1.028×2.2×20=45.2 kN

(13)

F=15.4+30.8+45.2=91.4 kN

(14)

3 支架受力分析

3.1 钢管支架及分配梁计算

3.1.1 大横梁计算结果

分配梁采用2HN900×300，Q345B材质，为了增加在截面的抗剪承载力,在H形钢的腹板上贴焊600 mm×10 mm钢板。桩顶大横梁内力如图4所示。

图4 大横梁内力图

从图4(a)可知，横梁最大弯矩为：Mmax=3 144 kN·m。最大弯曲应力σmax=MW=3 144×10618 777 418=167 MPa<[σ]=210 MPa，从图4(b)可知横梁最大剪力Qmax=2 363.9 kN，最大剪应力τmax=QSIb=2 363.9×103×11 190 3942×(16+10)×8 449 838 305=60 MPa<100 MPa，满足要求。

3.1.2 小横梁计算结果

小横梁采用140×80×3，小横梁内力图如图5所示。

图5 小横梁内力图

由图5可知，最大弯曲应力106.4 MPa，小于允许应力145 MPa，最大剪应力27.1 MPa，小于允许剪应力80 MPa，受力均满足要求。

3.1.3 钢管柱计算结果

如图6所示。

图6 钢管柱内力图

由图6可知，钢管柱最大应力为129.9 MPa<140 MPa，满足要求。钢管最大轴力：N=3 686 kN，钢管最大弯矩M=M2y+M2z=147.6 kN·m。

3.2 支架基础验算

根据4.1的计算，现浇支架临时墩基础的反力如图7所示。

图7 钢管柱支点反力(单位：t)

由图7可以看出,扩大基础临时墩钢管立柱最大反力为173 t。根据地质资料相关参数，本工程地基底面位于粗圆砾土上，其地基基本承载力σ0=250 kPa，由于其顶面为3.0 m左右素填土，计算时考虑埋深2.0 m，因此计算时只考虑地基的深度修正，不考虑宽度修正，修正后的地基承载力见式(15)。

fa=fpk+ηdγ(d-0.5)=250+3.0×17×(2-0.5)

=326kPa

(15)

地质情况见表3。

表3 地质层参数

地基承载力计算如式(16)所示，满足要求。

pk=F+GA=1 730+6.25×1×256.25

=302 kPa

(16)

3.3 盘口支架验算

由于贝雷梁顶面采用盘口支架，支架布置形式大部分与满堂盘扣支架一致，只是面板处有所不一样，因此只需要验算面板的盘扣支架。

3.3.1 荷载计算

立杆纵向间距为1.5 m，横向间距为1.2 m。梁体重量：0.35×1.5×1.2×26=14.5 kN；模板重量：3×1.5×1.2=5.4 kN；施工荷载：2×1.5×1.2=3.6 kN；混凝土振捣：2×1.5×1.2=3.6 kN；风荷载对立杆产生的弯矩：Mw=(0.9×1.4ωklah2)/10=(0.9×1.4×0.43×1.2×1.52)/10=0.15 kN·m；不组合风荷载：N=1.2×(14.5+5.4)+1.4×(3.6+3.6)=34 kN；组合风荷载：N=1.2×(14.5+5.4)+0.9×1.4×(3.6+3.6)=33 kN。

3.3.1 立杆稳定性检算

根据《建筑施工承插型盘扣件钢管支架安全技术规程》[6]的规定，模板立杆的计算长度取下面中的较大值；

l0=ηh

(17)

l0=h′+2ka

(18)

式中:l0为支架立杆计算长度，m；a为支架可调托座支撑点至顶层水平杆中心线的距离；h为支架立杆中间层水平杆最大竖向步距，m；h′为支架立杆顶层水平杆步距，宜比最大步距减少一个盘扣的距离；η为支架立杆计算长度修正系数，水平杆步距为0.5 m或1 m时，取值1.60，水平杆步距为1.5 m时，取值1.20；k为悬臂端计算长度折减系数取值0.7。

本次检算中a取值0.3 m；h取值1.5 m；h′取值1.0 m；η取值1.20；k取值0.7。得到l0=ηh=1.2×1.5=1.8 m，l0=h′+2ka=1.0+2×0.7×0.3=1.4 m。综上，本次检算中取l0=1.8 m。检算时，根据《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》[6]的规定，检算分为:

不组合风荷载时：

NφA≤f

(19)

组合风荷载时：

NφA+MwW≤f

(20)

式中：Mw为立杆段由风荷载设计值产生的弯矩，按照式Mw=0.9×1.4Mwk=(0.9×1.4ωklah2)/10计算，其中la为立杆纵距；f为钢材的抗拉，抗压，抗弯强度设计值；l0轴心受压构件的稳定系数；W立杆截面模量；A立杆的截面积。

本次检算中，取Mw=0.9×1.4ωklah2)10=0.9×1.4×0.43×1.2×1.5210=0.15 kN·m；根据l0=1.8 m，i=2.01 cm,确定λ=180/2.01=90，查规范[6]附录D，φ=0.550。

由式(19)(20)可得，不组合风荷载时的最大值N=34 kN；组合风荷载时的最大值为N=33 kN；不组合风荷载：NφA=34 0000.55×571=108 N/mm2

3.4 支架预拱度设置

现浇支架的预拱度设置包括两部分，第一部分为支架的变形(有包括弹性变形和非弹性变形)，第二部分为现浇梁结构预拱度。此部分只计算第一部分。根据前面的计算可知，贝雷梁的跨中最大变形为51 mm。支架预拱度需在钢管桩顶部设置3 mm，支架跨中设置51 mm，之间采用二次抛物线布置。

4 结语

本文采用MIDAS软件建立了钢管支柱与贝雷梁的组合支架模型，并将计算得到的设计荷载施加于组合支架模型中，详细检算了丰台站钢管支柱与贝雷梁的组合支架的强度与稳定性等。

(1)贝雷桁架梁的最大轴力为294 N，小于容许轴力560 N；总竖向变形为48 mm，支架预拱度需在钢管桩顶部设置3 mm，支架跨中设置51 mm。各项指标均满足施工要求。

(2)通过分析得到贝雷梁桁架梁、钢管支架及分配梁、支架基础、盘口支架的强度、刚度和稳定性均满足施工要求，证明采用钢管支柱与贝雷桁架的组合支架体系是可行的。