桥梁施工中盘扣-贝雷梁组合结构的设计与应用

王博文

（诚合瑞正风险管理咨询有限公司 北京市 100855）

桥梁和隧道施工过程中，临时结构设计是施工设计的重要组成部分，其安全可靠、经济合理史影响桥隧工程施工的重要因素之一。郝晋新[1]以淮南孔李淮河大桥顶推施工为工程背景，对步履式顶推施工中的临时结构设计进行研究，设计验算了临时墩及钢箱梁的受力和变形问题；徐建强[2]重点研究了受现场场地制约和湍急河流条件的贝雷梁的索吊架设施工技术。薛芳[3]以武咸公路高架桥钢箱梁胎架工程实例，讨论了型钢胎架的有限元结构检算、钢架安装等环节中较为可行的工程措施。武道凯[4]以梁式支架为例，首先介绍了现行临时结构设计理论对于施工活荷载的取值方法，然后从理论及实际工程两个层面上分析了这种取值方法的保守程度，最后提出了梁式支架施工活荷载的合理取值方法。王鹏[5]以跨京杭运河大桥为例，采用可靠度方法研究了采用支架法施工过程中桥梁暂态结构的安全性，完善了施工过程安全分析分析方法。刘明虎[6]以港珠澳大桥青州航道桥为例，在抖拉桥上部结构双悬臂施工时，采用临时拉索平衡结构体系代替传统的临时墩来抵抗不平衡荷载作用，结果表明该方法可以以增大悬臂抵抗不平衡载荷作用、提高桥梁抵抗动风荷载作用的能力，降低施工期的抖振响应。针对不同桥隧和不同的施工环境，需要有不同的临时结构，本文以贵州安顺某桥梁为例，研究该桥梁临时结构的设计。

1 工程概况

四川省成都市某大桥0号墩~2号墩为一28.36 m+28.36 m预应力混凝土连续梁，梁宽为12.3 m，该桥梁体高为1.8 m，所需支架最大高度为22 m，由于该桥梁底高度整体不大，采用支架现浇法施工，拟采用盘扣+贝雷梁+钢管柱组合结构支架，钢管立柱下为钢筋混凝土条形基础，该临时结构一排立柱位于以土质边坡上，土质为红粘土，该临时结构的设计关键是在于准确确定各个钢管柱的轴力，并设计时要注意边坡的安全性。

2 临时结构设计参数

底模采用15 mm厚竹胶板，腹板及底板倒角下方木（10 cm×10 cm）纵桥向布置，间距为10cm，底板下间距为20 cm；单I10工字钢均横桥向布置，纵向间距为1.2m。盘扣在横向设13根，自梁断面中心对称分布，自左向右间距为：1.5 m+0.6 m+0.6 m+1.2 m+1.2 m+0.6 m+0.6 m+1.2 m+1.2 m+0.6 m+0.6 m+1.5 m，纵向间距为1.2 m。盘扣架下为双拼I10工字钢做分配梁，纵向间距为1.2 m；下设贝雷梁17榀沿纵向布置，贝雷梁坐落在双拼40 A的工字钢上，工字钢下设直径为630 mm、壁厚为10 mm的钢管柱，钢管柱下设钢筋混凝土条形基础，在梁的小里程位置有一个边坡，由于地形限制，临时结构的柱支架放置在边坡上，设置详见设计图1。

图1 临时结构设计图

3 临时结构设计验算

3.1 计算模型

为了增加计算的准确性，结构计算采用Midas计算软件进行整体建模分析。计算模型如图2所示。

图2 整体计算模型

3.2 梁底盘扣系统计算结构

3.2.1 竹胶板和方木计算结果

根据有限元计算结果，竹胶板最大弯曲应力为1.75 MPa，小于设计强度24 MPa，满足强度要求；竹胶板最大扰动为0.1 mm，小于容许挠度0.5 mm。

方木最大弯曲应力为：5.66 MPa，小于设计强度13MPa，最大挠度为0.84 mm，小于容许挠度的设计值：3.0 mm。

3.2.2 盘扣架上方I10小工钢计算结果

盘扣架上I10号工钢最大弯曲应力为σ=184.5 MPa<215 MPa，满足要求。

最大剪切应力为：τ=124.4 MPa<125 MPa，满足要求。

10号I钢的位移最大值为：δ=1.2 mm<1200 mm/400=3 mm，满足要求。

3.2.3 盘扣支架强度计算

根据有限元计算结果，盘扣支架最大载荷为：N=73 kN；

立杆长细比：λ=l i=1800/20.1=89.6＜150，满足要求。查表得，轴心受压杆件稳定系数φ=0.554。立杆强度满足式（1），稳定性满足要求。

3.2.2 盘扣支架下方的分配梁（双工10）计算结果

强度组合下的最大应力为98.6 MPa<215 MPa，满足要求。最大剪应力为：τ=79.2 MPa<125 MPa，满足要求。

3.3 梁底贝雷梁计算结构

3.3.1 弦杆和斜杆强度计算

贝雷梁的弦杆的最大轴力为256 kN<560 kN，满足要求。斜杆的最大轴力为159 kN<171.5 kN，满足要求。

3.3.2 竖杆强度计算

竖杆的最大轴力为211.8 kN>210 kN，但没有超过5%，满足要求，但要注意最大值分布的位置，必要时进行竖杆加强。

3.3.3 挠度计算

贝雷梁挠度最大为18.2 mm<12000/400=30 mm，满足要求。

3.4 钢管立柱计算结果

强度组合立柱反力（或强度组合的立柱轴力图）如图3所示。

图3 钢管立柱支反力（强度组合）

安装支架立柱时，考虑安装误差及偏心，偏心距为5 cm。

3.4.1 考虑偏心的强度分析：

根据以上计算结果，考虑偏心状态下立柱的强度计算，结果如式（2）

3.4.2 稳定计算的强度分析：

取μ=1，l=22 m，得：i=0.211 m，λ=61.6，查表得：φ=0.797；计算Ne如式（3）

根据以上计算结果，确定柱子的稳定应力如式（4）所示。

钢管柱稳定性满足要求。

4 边坡稳定性验算

该边坡第一平台处高为9.5 m，土质为红黏土类，根据现场勘察，该土物理力学参数如表1所示。

表1 物理力学参数

根据以上计算结果，确定作用在边坡上钢管柱下基础基地应力为115 kPa，当地红黏土的地基承载力特征值为135 kPa，若边坡不发生滑动破坏，该边坡地基承载力应满足要求。因此需要验算边坡的稳定性。

采用极限平衡法确定边坡稳定性安全系数如图4所示。计算所得最小安全系数为0.785，不满足安全要求，需要加固边坡。

图4 加固前边坡的稳定计算结果

为了增加边坡的稳定性，同时加固钢筋混凝土条形基础下的地基承载力，在条形基础下设置单排抗滑桩，桩体采用φ108 mm的钢管桩，间距为1 m，布置在条基中心，加固后的边坡的稳定性计算如图5所示，计算所得最小安全系数为1.249，满足《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）对临时边坡安全系数要求不小于1.20的要求。

图5 加固后边坡的稳定计算结果

5 结论

采用整体有限元模型对现浇支架体系进行了分析，结论如下：

（1）采用MIDAS建立整体模型分析，能准确地计算出临时支架受力较大的部位，便于确定临时结构施工风险较大和需要重点监控的位置，为临时结构安全施工提供依据。

（2）盘扣支架体系满足强度和变形要求；但盘扣架上方部分位置单I10抗剪偏弱，建议注意该位置的施工质量。

（3）贝雷梁斜杆、弦杆满足强度和变形要求，但是竖杆部分位置较弱，建议该位置加强竖杆，避免贝雷梁剪坏；

（4）边坡稳定不能满足要求，采用钢管桩进行加固，即可以提高地基承载力，同时起到抗滑桩的作用，经计算，加固后的边坡稳定性满足要求。