贝雷梁支架与普通型钢支架在现浇箱梁施工中的应用对比分析

摘 要：在快速路工程中，为车辆和行人通行设置的门洞设计至关重要，支架系统的选择和设计直接影响工程的安全性和稳定性。该文以沈阳市某快速路工程为背景，分析和比较“贝雷梁+盘扣支架”与“型钢+盘扣支架”2种支架形式。通过使用Midas Gen建立有限元模型，对2种支架形式进行模拟和分析。计算得出贝雷梁+盘扣支架最大组合应力为190 MPa，型钢+盘扣支架最大组合应力为203 MPa，且贝雷梁+盘扣支架在关键受力部位的应力分布较为均匀。综合评价2种施工方案的适用性，为类似工程提供参考。

关键词：贝雷梁支架;快速路工程;门洞;支架系统;有限元分析

中图分类号：U445 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）34-0089-04

Abstract： In expressway projects， the design of door openings for vehicles and pedestrians is crucial. The selection and design of support systems directly affect the safety and stability of the project. Based on a expressway project in Shenyang City， this paper analyzes and compares two support forms： Bailey beam + coil buckle support and section steel + coil buckle support. Two stent forms were simulated and analyzed by establishing a finite element model using Midas Gen. The calculation shows that the maximum combined stress of Bailey beam + disc buckle bracket is 190 MPa， and the maximum combined stress of section steel + disc buckle bracket is 203 MPa， and the stress distribution of Bailey beam + disc buckle bracket is relatively uniform at key stress positions. Comprehensively evaluating the applicability of the two construction plans can provide reference for similar projects.

Keywords： Bailey beam support; expressway project; door opening; support system; finite element analysis

在现代城市基础设施建设中，快速路工程因其高效的交通疏导功能，成为城市交通系统中的重要组成部分。在快速路工程中，为确保车辆和行人的顺畅通行，门洞的设计和施工尤为关键。门洞不仅要满足通行净空高度和宽度的要求，还要保证其结构稳定性和安全性[1-2]。因此，门洞上方支架系统的选择和设计直接影响工程的质量和安全。在门洞上方支架的设计中，常见的支架形式有“贝雷梁+盘扣支架”和“型钢+盘扣支架”2种。这两种支架形式各有特点和优缺点，如何选择合适的支架形式成为施工设计中的一个重要问题。贝雷梁是一种广泛应用于桥梁施工中的标准化钢结构，具有高强度和良好的稳定性。盘扣支架则是一种多功能的模板支架系统，具有装拆方便、承载力强、稳定性高等优点。型钢则是建筑工程中常见的钢材，具有高强度、易加工等特点，与盘扣支架结合使用也能够提供可靠的支撑[3-5]。

为了科学地评价贝雷梁+盘扣支架和型钢+盘扣支架2种形式的优劣，以沈阳市某快速路工程为背景，着重分析门洞上方支架系统的设计和应用。利用Midas Gen软件建立有限元模型，对2种支架形式在门洞上的应用进行模拟和分析。具体而言，通过有限元分析，我们可以得到2种支架形式在最大组合应力、最大剪应力和最大变形等方面的详细数据，进而对比其在实际应用中的性能。

1 工程概况

采用钢管桩支架，钢管柱采用ϕ609 mm×12 mm规格，柱顶设置砂筒调整标高，砂筒上横桥向方向放置3排3拼40b工字钢。纵向放置I70工字钢，腹板下方间距40 cm，底板下方间距50 cm，翼板下方间距60 cm，门洞设置净空为5 m，采用双向3+2车道，门洞计算跨度为6.2 m。在纵梁上横向铺设10 cm×12 cm木方，间距0.2 m，在10 cm×12 cm木方上铺设底模支架。钢管横桥向布置间距为3～3.5 m;钢管立柱高度为3.5 m;钢管桩基础为混凝土条形基础，宽1.2 m，高0.8 m，长度为21 m，门洞布置形式如图1所示。

2 支架形式分析

2.1 2种支架研究现状

支架系统作为支撑和保护结构的重要组成部分，其稳定性和可靠性直接关系到整个工程的安全与效率。贝雷梁支架和型钢支架作为2种常见的支架形式，各自具有独特的技术特点和应用优势，其研究现状也呈现出多元化和深入化的趋势。

贝雷梁支架起源于1938年第二次世界大战期间，由英国工程师唐纳德·贝雷设计，以其架设迅速、机动性能强而著称。贝雷梁主要由桁架、上下弦杆、竖杆及斜杆等部件组成，通过焊接方式连接，具有结构简单、组装灵活的特点，如图2所示。近年来，贝雷梁支架在桥梁建设、矿山开采、隧道施工等多个领域得到了广泛应用[6-7]。在理论研究方面，国内外学者对贝雷梁支架的力学性能、动力响应及稳定性进行了深入探索。通过数值模拟和实验验证，研究人员发现贝雷梁支架在承受复杂荷载时表现出良好的承载能力和稳定性。特别是在爆破作业等高风险施工环境中，贝雷梁支架能够有效保护周边管线和其他设备免受飞石等冲击物的破坏。此外，贝雷梁支架的拆装便捷性也使其在临时性工程中具有显著优势。在工程应用方面，贝雷梁支架的应用范围不断拓宽。例如，在桥梁施工中，贝雷梁支架常作为满堂支架的替代品，用于支撑桥梁上部结构;在矿山开采中，贝雷梁支架则用于巷道支护，有效防止围岩变形和坍塌。随着施工技术的进步和工程需求的多样化，贝雷梁支架的设计和施工技术也在不断创新和完善[8-10]。

型钢支架，作为另一种常见的支架形式，以其强度高、刚度大、耐腐蚀等特点在土木工程领域得到了广泛应用。型钢支架主要由各种规格的型钢（如工字钢、U型钢等）通过焊接或螺栓连接而成，具有结构稳定、承载能力强等优点。在理论研究方面，型钢支架的研究主要集中在结构优化设计、承载力分析及稳定性评估等方面。研究人员通过理论分析和数值模拟手段，对型钢支架在不同工况下的受力性能和稳定性进行了深入研究。同时，针对特定工程需求，如煤矿井巷支护、高层建筑模板支撑等，研究人员还开发了多种专用型钢支架系统，以满足不同工程环境的特殊要求。在工程应用方面，型钢支架的应用范围也十分广泛。在煤矿开采中，U型钢支架因其良好的支护性能和适应性而被广泛采用，用于巷道支护和顶板管理;在高层建筑和大型公共设施建设中，型钢支架则作为模板支撑系统的重要组成部分，确保了施工过程中的结构稳定性和安全性。

贝雷梁支架和型钢支架各有千秋，在不同工程领域发挥着重要作用。贝雷梁支架以其架设迅速、拆装便捷的特点在临时性工程和高风险施工环境中具有显著优势;而型钢支架则以其高强度、高刚度的特点在需要长期承载和稳定支护的工程中占据主导地位。

门洞上方支架施工重点主要在于确保支架系统承受并均匀分配施工荷载，控制支架在施工荷载下的变形。支架系统的安装和拆卸效率，以及对于现场条件复杂，地形不平、空间受限等情况，结合项目需求，合理选择支架形式，确保工程顺利进行，基于原有普通型钢支架布置形式，将横向分配梁替换成贝雷梁，2种布置方式分别采用有限元软件建模计算，依据计算结果与施工方式综合评判2种支架布置方式的适用性。

2.2 贝雷梁+盘扣支架

贝雷梁是一种通用性强的桥梁钢结构，常用于临时桥梁和支架系统，以其卓越的通用性和强大的承载能力，在临时桥梁构建及复杂支架系统中扮演着不可或缺的角色。其设计精妙，能有效承载并分散重压，确保结构稳固。与此同时，盘扣支架作为现代模板支撑技术的典范，凭借装拆便捷、承载高效、稳定性卓越等特性，极大地提升了施工效率与安全性。两者均采用标准化组件设计，不仅便于现场快速组装与拆卸，还能灵活调整长度，满足不同施工场景的需求，展现了高度的适应性与灵活性。然而，值得注意的是，贝雷梁虽性能卓越，但其制造与运输成本相对较高，且需定期进行专业维护，以保障其在长期服役过程中的安全与效能，这对成本控制与后续管理提出了更高要求。

2.3 型钢+盘扣支架

型钢相对于贝雷梁而言，成本较低，经济性较好。型钢在市场上较为常见，采购方便。型钢具有较高的强度和刚度，能够提供可靠的支撑。同样受益于盘扣支架系统的标准化组件，安装和拆卸方便。但其长度和尺寸固定，灵活性较差，无法根据实际需要进行调整，且因其重量较大，运输和搬运不便。

3 有限元分析

3.1 荷载计算

钢筋混凝土容重取26 kN/m3，中腹板区混凝土均布荷载=2.784×26/2.1=34.47 kN/m2;底板下混凝土均布荷载=0.515×26/1=15.13 kN/m2，边腹板处混凝土均布荷载=3.07×26/2.5=31.928 kN/m2;翼缘板处混凝土均布荷载=2.29×26/4.43=13.44 kN/m2，模板自重取0.8 kN/m2，人行机具运输、堆放荷载取1.0 kN/m2，浇筑混凝土时产生的荷载取1.0 kN/m2，振捣混凝土时产生的荷载取1.0 kN/m2。组合得到各区域荷载值，中边腹板处q1=50.35 kN/m2，边腹板处q2=47.05 kN/m2，底板处q3=25.21 kN/m2。

3.2 模型建立

利用Midas Gen软件建立2种支架形式的有限元模型，贝雷梁、钢管立柱、型钢等构件均采用梁单元模拟，贝雷梁与横梁之间采用弹性连接模拟，横梁与钢管立柱采用共节点连接，型钢与横梁采用弹性连接，钢管立柱底部边界条件采用约束Dx、Dy、Dz模拟。在贝雷梁、型钢上侧建立板单元并采用弹性连接与之相连，并依据不同位置处箱梁荷载大小不同划分板单元，以便于施加箱梁荷载，建立有限元模型如图3、图4所示。

1）采用贝雷梁作为主要承重构件，结合盘扣支架系统。

2）采用型钢作为主要承重构件，结合盘扣支架系统。

3.3 结果分析

利用Midas Gen对贝雷梁+盘扣支架与型钢+盘扣支架2种方案进行了有限元计算分析，从最大组合应力、最大剪应力和最大变形等方面进行详细对比，贝雷梁+盘扣支架的最大组合应力较低，表明其在承受相同荷载情况下应力分布更均匀，承载能力更强。贝雷梁+盘扣支架的最大剪应力较低，表明其在抵抗剪力方面表现更佳，能够更好地分散剪力。贝雷梁+盘扣支架的最大变形较小，表明其整体刚度更高，在相同荷载下的变形控制更好。结果见表1。

通过对有限元计算结果的详细对比分析，贝雷梁+盘扣支架在最大组合应力和最大剪应力方面表现优于型钢+盘扣支架，说明其承载能力更强，适合高荷载要求的工程。贝雷梁+盘扣支架的最大变形较小，表明其刚度较高，在实际工程中能更好地控制变形，确保结构的稳定性和安全性。尽管型钢+盘扣支架在经济性方面具有优势，但在高荷载和高稳定性要求的工程中，贝雷梁+盘扣支架由于其更好的应力分布和变形控制性能，仍然是更为理想的选择。

根据工程需求、成本预算和施工条件，在高荷载和高稳定性要求的工程中，建议选择贝雷梁+盘扣支架;在预算有限且对灵活性要求不高的工程中，型钢+盘扣支架则是更为经济的选择。

贝雷梁+盘扣支架在关键受力部位的应力分布较为均匀，而型钢+盘扣支架在受力集中处的应力较大。贝雷梁+盘扣支架的整体变形量较小，型钢+盘扣支架的变形量稍大，但均在安全范围内。2种支架形式均表现出良好的稳定性，但贝雷梁+盘扣支架在侧向稳定性上略优于型钢+盘扣支架。

4 结论

通过对沈阳市某快速路工程支架布设方案进行分析比较，得出以下结论。

1）型钢+盘扣支架在材料成本、运输成本和维护成本上均具有较大的经济优势，适合预算较为紧张的项目。相对而言，贝雷梁+盘扣支架的材料和维护成本较高，不适合经济性要求严格的工程。

2）贝雷梁+盘扣支架在灵活性和适应性方面表现更为出色，适合需要频繁调整和复杂施工环境的工程。而型钢+盘扣支架则在标准化安装和拆卸方面具有便捷性，但在灵活性上稍显不足。

3）贝雷梁+盘扣支架在结构稳定性和抗变形能力上优于型钢+盘扣支架，适合高荷载和需要高度稳定性的施工项目。尽管型钢+盘扣支架也能提供可靠的支撑，但在应力集中处的抗变形能力较差。

综上所述，在实际工程应用中，应根据具体的工程需求、成本预算和施工条件综合考虑支架形式的选择，以确保工程的安全性、经济性和施工效率。贝雷梁+盘扣支架适用于高要求、高复杂度的工程，而型钢+盘扣支架则适用于预算有限且对灵活性要求不高的项目。

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作者简介：李士强（1983-），男，助理工程师。研究方向为市政道路桥梁建设。