中铁十四局集团第一工程发展有限公司 山东日照
摘要：结合广东省清云高速公路TJ13标杨古跨线桥盖梁的施工，介绍了钢管柱钢棒贝雷梁组合支架在大跨度大体积预应力盖梁混凝土施工中的应用，对贝雷梁、钢棒及钢管柱进行了受力分析。
关键词：钢管柱；钢棒；贝雷梁；组合支架；大跨度
在桥梁施工中，盖梁施工平台的支撑系统一般施工方法有满堂支架法、抱箍法、穿钢棒法，TJ13标杨古跨线桥1#～7#墩为大跨度大体积预应力盖梁，本项目普通盖梁施工中利用的抱箍和工字钢组合支撑系统无法满足施工要求，结合项目实际情况，从进度和经济性考虑，部分预应力盖梁决定采用钢管柱钢棒贝雷梁组合支架。
1、工程概况
杨古跨线桥在K125+722.873处上跨已规划还未建设的杨古公路，交叉角度159.6°，其中1#～7#为不同长度的预应力砼门架式桥墩，其余为一般圆柱墩。1#～7#预应力盖梁施工过程中根据地形与盖梁结构形式不同分别有采取填土平台、钢棒+贝雷梁支架、钢棒+钢管柱+贝雷梁支架等不同的方法。本文以跨度（15.35m）和混凝土方量（105.6m³）均最大的4#盖梁为例，介绍钢管柱抱箍钢棒贝雷梁组合支架法施工盖梁在大跨度盖梁施工中的应用。
2、支架系统布置
杨古跨线桥4#盖梁施工图及支架系统布置示意图如下图所示：
图1 杨古跨线桥4#盖梁支撑体系示意图（一）
图2 杨古跨线桥4#盖梁支撑体系示意图（二）
如图1所示，4#盖梁立面为两跨门架式盖梁，两侧墩柱直径为1.3m，中间墩柱直径为1.8m。盖梁长33m，宽2m，高1.6m，混凝土设计强度C50，设计方量为105.6m³。
支撑系统示意图如图1和图2所示。在4#盖梁原有3个墩柱中间增加钢管柱支撑，以提高贝雷梁的承载能力，增加后5个支撑编号按顺桥向方向从左到右依次为1#、2#、3#、4#、5#。
下面对整个支撑体系自下向上依次说明。
由于2#和4#支撑采用了钢管柱作为传力构件，需对其基础的承载力进行增强处理。在每个钢管柱支撑下开挖2m×2m×2m的基坑，换填石渣后施作砼基础，使其承载力达到受力要求。
2#和4#支撑均采取两根直径1m的钢管柱，来增大其承载力。柱顶为了和贝雷梁更好的组合来达到更简洁的传力效果，在钢管柱上方顺桥向水平放置双拼焊45#工字钢。为了施工过程中可以方便的调整贝雷梁高度，以满足盖梁整体成品对标高的要求，在工字钢和贝雷梁中间安装一组对拉楔块，通过调节螺栓的松紧即可调整高度。
由于3#墩柱和1#、5#墩柱墩径大小不一致，且差距较大，若贝雷梁采取通长布置，会导致贝雷梁整体发生侧向弯曲，增大了施工风险，故在2#和4#支撑处将其断开处理。贝雷梁采用三排单层布置，销接连接，根据计算受力情况在特殊位置采取加强处理。贝雷梁以上依次为间距50cm的16#工字钢纵梁，间距20cm的直径32mm螺纹钢横梁，1.5cm厚竹胶板盖梁底模。
3、支架系统受力验算
3.1、模型简化
由于盖梁混凝土在浇筑时处于流动状态，故无任何承载力，其上所有荷载均由竹胶板底模承担，因此假设竹胶板底模承载由盖梁传递下的均布荷载，且按照双向板进行传递。
横纵梁承担由底模传递的荷载，均假设为多跨连续简支梁。贝雷梁主梁承载由16#工字钢纵梁传递的集中荷载，为简化计算，将其转化为分部在贝雷梁主梁上的均布荷载。贝雷梁主梁与其下部支撑体无刚性连接，故按照简支梁进行校核。
穿心钢棒预埋进墩柱内，则其只有在外露部分受到上部荷载传递下来的力，且无轴向受力，因此可简化为悬臂梁进行校核。
力的传递路径为：施工荷载+盖梁自重→竹胶板底模→直径32mm螺纹钢筋横梁→16#工字钢纵梁→贝雷梁主梁→穿心钢棒+拼焊45b工字钢→墩柱+钢管柱→基础。
3.2、荷载分析
在此支撑体系中，产生的主要施工荷载由以下几个部分组成。
恒载：盖梁自重
，盖梁模板自重
，竹胶板底模自重
，32mm螺纹钢纵梁自重
，16#工字钢横梁自重
，贝雷梁主梁自重
。
活载：混凝土浇筑施工时施工人员及机械自重 。
3.3、荷载计算
根据设计图纸及规范，盖梁的计算参数为：长度：33m，宽度：2m，高度：1.6m，容重：2600kg/m³。
=105.6×2600×9.8÷1000=2690.7kN；
=15000×9.8÷1000=147kN。
单片贝雷梁的计算参数：高：1.5m，长：3m，自重：270kg/片。贝雷梁采用三排单层布置，根据盖梁长度计算，共需要66片。
=66×270×9.8÷1000=174.6kN
纵梁采用32mm螺纹钢，间距20cm均布布置；横梁采用16#工字钢，间距50cm均布布置。
=33×（200÷20）×6.32×9.8÷1000=20.4kN； =4×（3300÷50）×20.513×9.8÷1000=53.1kN；
=1000×9.8÷1000=9.8kN。
3.4、工况分析
将恒荷载、活荷载进行组合。
对于承载能力极限状态，分析结构在可变荷载效应组合下的承载能力，（注：永久荷载组合与可变荷载组合相比较小，故在此不进行校核）。
3.5、贝雷梁受力验算
将贝雷梁简化为多跨连续简支梁进行计算，其受到来自上部构造的均布荷载。则
，贝雷梁受力模型如图3所示。
图3 贝雷梁受力模型图
如图所示，在2#和4#支撑处将贝雷梁断开处理，即1#和2#支撑为1个外悬简支梁，2#、3#和4#支撑为两连跨简支梁，4#和5#支撑为1个外悬简支梁，此体系为有多余约束的几何不变体系。在此结构体系下，利用结构力学求解器软件对其求解。
查表可得，三排单层不加强贝雷梁的截面系数为10735.6cm³，抗弯刚度为1578132.36kN•㎡。其容许弯矩为2246.4kN•m，容许剪力为698.9kN。
受力简图、弯矩图、剪力图、挠度图（抗弯刚度取三排单层不加强贝雷梁）如下：
图4 工作状态下贝雷梁受力简图 图5 工作状态下贝雷梁弯矩图
图6 工作状态下贝雷梁剪力图 图7 工作状态下贝雷梁挠度图
由以上受力分析可知：
最大弯矩发生在3#支座处位置，且为负弯矩，
2#、3#支座跨中最大弯矩为：
最大剪力发生在3#支座处，
；最大挠度发生在2#、3#支座中间处，
1#、2#支座跨中最大挠度为：
5个支座的支反力依次为：
。
3.5.1、贝雷梁强度校核
；
。
分析可知，贝雷梁满足承载力要求。
3.5.2、贝雷梁刚度校核
；
。
分析可知，贝雷梁满足刚度要求。
3.6、钢棒受力验算
在此支撑体系中，3#支座的支反力最大，为1266.75kN，故对此支撑进行受力验算。此墩柱采取双穿心棒的承载方式，故穿心棒单端伸出墩身部位需要承受荷载为：1266.75/4=316.7kN。钢棒采用A45钢材实心钢棒，直径d=17cm，截面参数如下：
；
；
；
，屈服强度355Mpa；
；
；
。
抗弯刚度：
。
3.6.1、穿心棒强度校核
贝雷梁紧挨墩身布置，则穿心棒悬臂受力长度为双排贝雷梁的宽度，实测数据为0.54m，考虑到贝雷梁安装间隙，按照受力长度l=0.6m处理，则
。
其受力简图、弯矩图、剪力图、挠度图如下所示：
图8 工作状态下穿心钢棒受力简图 图9 工作状态下穿心钢棒弯矩图
图10 工作状态下穿心钢棒剪力图 图11 工作状态下穿心钢棒挠度图
由上图可知，最大弯矩为：
；最大剪力为：
；最大挠度为：
。
由对称截面梁正应力强度条件：
可知，穿心棒所需截面系数为：
当钢棒直径d=0.17m时：
满足正应力强度条件。
每根钢棒其横截面在中性轴一侧的面积对中性轴的静矩可计算如下：
每根钢棒对中性轴的惯性矩为：
所以：
其值小于许用切应力
，故满足切应力强度条件。
3.6.2、穿心棒刚度校核
许可挠度为：
，即满足刚度条件。
3.7、钢管柱受力验算
由上计算可得，2#和4#支撑处支反力为725.8kN。且每个支撑处均为双拼钢管柱，故单根钢管柱承受竖向荷载为362.9kN。
钢管柱计算参数如下：材料，Q235；屈服强度，235Mpa；内径，1m；厚度，1cm。
轴心受压构件的强度应按下式计算：
；式中：N-轴心拉力或轴心压力；
-净截面面积。
；即钢管柱满足承载力要求。
4、安全技术保证措施
4.1、安全保证措施
盖梁施工为高空作业，属于项目重点盯控的高风险施工部位，为保证施工安全，在盖梁施工前必须搭设安全爬梯，安全爬梯基底用砼硬化，稳定性应满足要求。安装横梁及底模时同步布置宽度为50cm施工作业平台，平台底部为全封闭木板，宽度不小于50cm，平台周围用钢管搭设高度不小于1.2m的安全护栏，护栏及安全爬梯周围用安全网围蔽。
4.2、质量保证措施
4.2.1、标高控制
为了使盖梁混凝土浇筑完成后，标高满足设计及规范要求，底模及贝雷梁的标高控制至关重要。墩柱施工时，需要通过盖梁标高反算出预留穿心钢棒位置的标高，其次在安装底模时，使用对拉楔块对贝雷梁高度进行精确调整，以达到设计要求。
4.2.2、焊接控制
由于此支撑体系在工作状态中需要承受较大应力，故各受力构件的焊接显得尤为重要。所有焊缝长度必须满足规范要求，且在应力集中极大的部位采用加焊的方式进行补强。焊接完成后，焊缝饱满，无烧伤现象，焊渣应清理干净。
4.2.3、贝雷主梁安装
作为主要受力构件，贝雷主梁的安装属于所有构件安装的重中之重。贝雷主梁采用贝雷梁单元销接而成，故每一个销接位置应详细检查。采用双排单层及三排单层的布置形式。为了能与1#和5#墩柱紧密接触，提高安全系数，且使贝雷梁在工作是不发生水平弯曲，在2#和4#墩顶将贝雷梁断开处理。
4.2.4、钢管柱安装
钢管柱高度应提前根据地面高度和贝雷梁标高计算准确。由于两侧墩柱墩径较小，为减小1#和5#墩柱受力，将2#和4#支撑对称布置在3#墩柱两侧9m位置。钢管柱基础采取换填石渣后浇筑20cm后C30砼垫层的处理方式，经试验检测满足承载力要求后，方可进行下一步施工。
5、结语
为了使项目管理朝向更加精细化方向发展，走可持续发展的道路，在施工过程中，必须不断的进行创新，来适应不断变化的施工需求。
在本项目杨古跨线桥的预应力盖梁施工过程中，盖梁自重大，单独使用工字钢或抱箍已不能满足承载力要求，而满堂支架方案又会极大的增加施工安全风险和造成工期延误。采用钢棒+钢管柱+贝雷梁的支撑方案，施工简单安全，且施工用时极大的缩小，有利于工期控制。
本项目采用的钢管支撑柱为隧道施工完毕后闲置的逃生管道，贝雷梁则是从公司临近其他项目借调使用，32mm纵梁使用钢筋厂加工剩余的废料，做到材料的重复利用，使周转材料达到多次使用，从而降低使用成本，达到节源开流的效果，实现真正意义上的绿色施工。
参考文献：
[1] 周水兴 何兆益 邹毅松等 路桥施工计算手册 北京 人民交通出版社 2001；
[2] 杨茀康 李家宝 结构力学 北京 高等教育出版社 2011.12；
[3] 赵歆冬 丁怡洁 混凝土及砌体结构 北京 冶金工业出版社 2014；
[4] 《钢结构设计规范》 GB50017-2003；
[5] 《公路桥涵施工技术规范》 JTG/T F50-2011。
论文作者:刘意
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/21
标签：荷载论文; 钢管论文; 受力论文; 弯矩论文; 组合论文; 工字钢论文; 挠度论文; 《基层建设》2018年第3期论文;