贝雷支架在钢管系杆拱桥施工中的应用

浅谈贝雷支架在钢管系杆拱桥施工中的应用

一、工程概况

本工程是江苏省204县道的重要组成部分，工程起于金沙，沿途经过南通市通州区的运河桥村、二甲镇、袁灶镇，至通州与海门边界处结束，它既沟通了通州区几个镇区，同时也是通州区对外发展的一条重要的通道。现状道路路面损坏较为严重，老金余大桥已经限制载重，交通安全存在极大的隐患，新建金余大桥在老桥下游300左右，跨越通吕河。桥梁设计为5×20＋80＋4×20m引桥空心板+主跨下承式80米跨径钢管砼系杆拱，桥梁设计荷载为：公路-Ⅱ级，通航等级：Ⅲ级航道，桥梁宽度：桥梁全宽17m=0.5m（护栏）+16.0m（车行道）+0.5m（护栏）。

主桥为80米柔性吊杆的钢管系杆拱，跨越通吕运河，通吕运河为Ⅲ级航道，属水上运输动脉，过往船舶较多，不宜长期封航，只能短期的断航及航运安全维护管制。由于跨河施工干扰较大，保证安全施工及保证工期至关重要。本方案采用搭设跨河组合贝雷梁支架现浇主桥系杆，贝雷梁采用浮吊安装在岸边及临水边施工主墩支点上，减少对通航的影响。 二、工程施工方案

主跨系杆浇筑主要分为三段，河岸5#墩拱脚+主跨河中系杆+河岸6#墩拱脚，整个组合贝雷梁支架组合为三跨连续的10片组合贝雷梁。拱脚贝雷支架搭设在岸边主墩承台上并作为组合贝雷梁的边支点，主跨贝雷梁搭设在临水边钢管桩支架临时施工支墩上作为主跨支点，整个主跨系杆连续组合贝雷梁支点间距为18.7m+33m+18.7m。

1、主跨支墩及边河岸边支墩基础设计

主跨系杆现浇组合贝雷梁的支墩基础采用直径υ530mm、壁厚10mm钢管桩，单侧每道系杆设4个支点，其中河中主墩支点基础为3排每排3根共计9根桩，设计桩长为27m入土21.5米，然后在2个河中支墩钢管桩顶焊接I50 a工字钢钢盖梁，梁顶设工字钢焊砂筒调节高程。另2个支点分别设在河岸承台外侧地基处理结束后的贝雷桁架上，承台外侧的支墩采用4根入土12米直径υ530mm、壁厚10mm钢管桩，在钢管桩上设36工字钢，再浇筑20cm砼垫层。

端横梁现浇支墩直接支承在过渡墩的大盖梁上，在盖梁顶部设置砂垫层调节高程。详见主跨安装支架示意图。

2、主桥墩支架搭设

2.1、在两侧河岸设置桥梁坐标基准点及基准线，精度应符合施工规范要求。 2.2、根据施工要求设计的支承桩和护桩的坐标，放出各桩的位置，做出标记。

2.3、按放样的位置及尺寸，搭设临时支墩支架，采用90型振动锤施打钢管桩。钢管桩直径为530㎜，壁厚10mm。先打护桩，再打支撑桩。支撑桩入土深度通过承载力计算确定为21.5m。

2.4、打桩完成后进行加固，使之形成框架结构。钢管桩顶采用50a工字钢做成钢盖梁。各支点桩用50及14的工字钢横撑及斜撑连接在一起，以确保其稳定性。焊接应牢固稳定，符合钢结构施工规范要求。

2.5、3根防护桩用工字钢焊接在一起，并设置斜撑形成三棱柱体，增强防撞能力。

2.6．、在50a工字钢上搭设6片1组共长27米的贝雷组合横梁，然后在横梁上拼装系梁组合贝雷梁支架及安装钢管拱肋的主要贝雷桁架。

2.7、系梁所有的10片组合贝雷梁桁架在岸上拼装成10片一组的3段其中中间段为33米，边段18.7m。用浮吊分别将贝雷组合梁安装就位在4个支点的支墩上用贝雷栓连接成3跨连续梁整体结构。组合贝雷桁架梁采用10片组合，间距有45cm、60cm、复合拼接，上下加设工字钢梁贝雷加强并用贝雷锚栓限位连接板连接。

2.8、贝雷片与型钢之间、上下层贝雷片之间都采用可靠的连接。上下层之间用骑马螺栓连接，贝雷片与砼墩帽及型钢之间用型钢进行限位连接。并要注意贝雷之间的风绳连接防护，以确保支架的整体稳定性。

3、拱肋支架搭设

钢管拱肋支架在系杆第一批预应力张拉完毕并压浆后开始搭设。拱肋安装支架采用2排贝雷片拼装而成，在系杆组合贝雷外左右各搭设2片一组的贝雷架支墩10层15米高与系杆贝雷分开，然后在15米支墩上搭设一组4排间距0.45

米共3片长9米的组合贝雷横梁，然后在支墩盖梁上设20槽钢焊接的支架，支架高度根据贝雷横梁及该处拱肋的高程确定，再根据实际情况铺设钢楔块。所有单部件均在岸上拼装，然后用浮吊安装在设计位置。

4、支架的预压

系梁的组合贝雷梁支架安装按设计要求进行120%的荷载预压，以便获取支架弹性变形和非弹性变形量及支架沉降量，为系杆底模设预拱度提供依据。支架预压方法采用水袋加载预压（方便加载及卸载）。预压最后连续三天沉降不超过1mm/天），设置沉降观测点在支架支墩附近、1/4跨、1/2跨每跨设5个沉降观测点，预压期间做好沉降观察记录，数据作为最后设计预拱度计算依据。单侧压重荷载510吨。

4.1、 加载及卸载顺序

按荷载总重的0→25%→50%→120%→50%→25%→0进行加载及卸载，并测得各级荷载下的测点的变形值。 4.2、 预压时间

荷载施加100%后，前三个小时每小时观测一次，以后每三小时观测一次，并测量各测点数据；压重24小时后，再次测量各测点数据。 4.3、 观测方法

支架共设15个测点，按照加载及卸载步骤分别测的各级荷载下的模板下沉量及地面下沉量，并在卸载后全面测得各个测点的回弹值。预压时应特别注意支架的沉降观测，满足沉降稳定要求后再卸载进行下道工序。

5、组合贝雷支架拆除

组合贝雷梁在中横梁全部吊装完成，吊杆系杆张拉后，按设计要求整个支架开始落架。完全落空后，拆除时主要依据浮吊和汽车吊，拱肋支架在桥面系完成后采用吊车在桥面上拆除，拆除顺序，按照后安装的先拆顺序，注意高空安全指挥、管理。系杆现浇组合贝雷梁，在支架完全落空后就开始分安装时3大段，拆除贝雷连接栓，然后利用浮吊吊起用滚轮将整个组合贝雷梁滑出系杆外侧，再利用浮吊分段吊至河岸边分拆。每次贝雷吊装一定要时刻注意水上安全维护，吊点吊件安全检查。

三、现浇主跨系杆组合贝雷梁及支墩支架施工安全计算书

（通航跨径33米组合贝雷梁支架验算）

上部结构荷载计算涉及材料数量：

一、中墩组合贝雷梁支架验算 （一）、荷载

按分两批安装内横梁进行计算：先安装3根内横梁，浇筑湿接头并张拉第一批预应力；第一次系杆张拉后搭设拱肋安装的临时支架，第二批内横梁在吊杆安装并张拉完预应力后安装。 1、 系杆重

砼：（140+281/15×3+246）×25/80=138.19KN/m

钢筋钢绞线：﹛（89046+43793+108688）×9.8/1000﹜/80=29.587KN/m N1＝（138.19+29.587）＝167.774KN/m 2、砂筒、型钢等荷载

按每支点10KN计，N2＝10KN

3、贝雷自重

系梁贝雷的为10片组合而成，共计26节×10片×2幅=520片。理论每片重量为280Kg/片。

1层：按10片上下加强型贝雷，每节重： 桁架节： 2.7KN×10=27KN 加强弦杆：0.8×2×10=16KN 销子：0.03×40=1.2KN 支撑架： 0.21×9=1.89KN 桁架螺栓：0.03×30=0.9KN 弦杆螺栓：0.02×40=0.8KN 联板：0.04×27=1.08KN

每节总重 ：48.87KN，合计26节（26×48.87）/80=15.882KN/m

通过《路桥施工计算手册》查得，模板自重0.5KN/ m2、施工人员及设备重量1 KN/ m2和混凝土冲击力2 KN/ m2等因素，故取用以上荷载计算。（0.5+1+2）×(1.5×2)/1=10.5KN/m

（二）贝雷片受力校核，按连续梁计算。

单幅贝雷所受的受力荷载为：q=（167.77+10.5）/2+15.882=105.017KN/m ，我们取安全系数为1.3（图纸系数为1.2），荷载为q=105.017×1.3=136.522KN/m作均部荷载。 受力分析 1. 受力简图

贝雷桁架的受力简

图

2.内力简图

-10630.064KN.M

-10630.064KN.M

1838.195KN.M

7953.737KN.M弯矩图

1838.195KN.M

1844.933KN

708.028KN

2124.063KN

-2124.063KN

-1844.933KN

剪力图

-708.028KN

由图见贝雷所受弯最大弯矩为10630.064KN.m<1687+4809×3=16114KN.M（10排）

由图得最大剪力为2124.063KN<245+698×3=2339KN（10排）

为保证整体承载，贝雷桁架搭设时上下采用双层加强弦杆10片，（特别注意33米跨贝雷上下加强），组合而成，使贝雷片受压满足要求。

贝雷参数(厂家技术参数)

根据装配式公路钢桥使用手册得：

表2 贝雷桁架构件截面性质表 截面组成

截面积 允许弯矩 允许剪力 (cm)

2

Iy (cm)

4

hz （cm）

Wz (cm)

3

（KN-m） （KN）

弦杆2×[10 贝雷桁架片

25.48 50.96

788.2 1687.5

245.2 245.2

396.6 250500 577434

10 150 170

79.4 3570 7699

上下加强桁片 101.92

1、 按纯弯压状态下的强度设计

在纯弯压状态下，所需贝雷桁架梁的排数为

N=Mmax/ζ[M]= 10630.064/0.8×1687.5=7.87 故为8（排）

式中： ζ—贝雷桁架梁的不均匀系数,取0.8

N—贝雷桁架的排数

Mmax —贝雷桁架梁的最大弯矩（KN-m）

[M]—单排单层上下加强贝雷片允许弯矩（KN-m）

考虑到中横梁的施工需要取N=10（排），两侧共计20排。 2、 按横力弯曲状态下的强度校核

由图可以看出，在贝雷桁架梁的所有断面中，通航孔支点截面弯矩和剪力最大，故选该截面进行强度校核，选取离形心轴65cm处（该处为贝雷片上弦杆下缘，称为A点）和离形心轴75cm处（该处为加强杆与贝雷片上弦杆交界处，称为B点）两点进行强度校核。

在横力作用下，计算点的正应力σ和剪应力τ为 σ=MmaxY/nI τ=QmaxS/nId 式中：Mmax —贝雷桁架梁最大弯矩

Y—A点距中性轴的距离 I—截面惯性矩

Qmax —贝雷桁架梁最大剪力

S—计算点水平线以上截面积对中性轴的静矩 d—计算点处截面宽度

①计算横力作用下A点的正应力和剪应力

将Mmax=10630.06KN-m，I=577434cm4,Y=0.65m，n=10代入公式σ=MmaxY/nI 则 σA=MmaxY/nI=（10630.06×10×0.65）/（10×577434×10）=119.659MPa

3

-8

将Qmax=2124.063KN，S=50.96×10-4×0.75=38.22×10-4m3，I=577434×10-8m4，d=0.75m，n=10代入公式τ=QmaxS/nId

则 τA=QmaxS/nId=（2124.063×103×38.22×10-4）/（10×577434×10-8×1.06×10）=13.26Mpa

按第四强度理论校核： 则 σ4=（σA2+3τ

2A

-2

）1/2=√（14845.759）=121.843MPa＜[σw]=210 MPa

②计算横力作用下B点的正应力和剪应力

将Mmax=10630.06KN-m，I=577434cm4,Y=0.75m，n=10代入公式σ=MmaxY/nI 则 σB=MmaxY/nI=（10630.06×103×0.75）/（10×577434×10-8）=138.06MPa

将Qmax=2124.063KN，S=25.48×10-4×0.8=20.38×10-4m3，I=577434×10-8m4，d=0.8m，n=10代入公式τ=QmaxS/nId

则 τB=QmaxS/nId=（2124.063×103×20.38×10-4）/（10×577434×10-8×1.06×10-2）=7.07MPa

按第四强度理论校核：

则 σ4=（σ+3τ）=√（19210.51）=138.6 MPa＜[σw]=210 Mpa

以上验算结果说明：每侧10排贝雷桁架梁满足系梁、4、8、12等3根内横梁吊装的设计强度要求。 3、 贝雷桁架梁的抗剪强度校核

每排贝雷桁架梁的最大剪力为

Q=Qmax/10=2124KN/10=212.4KN＜[Q]=245.2KN 说明贝雷纵梁的抗剪强度满足要求。 4、贝雷桁架梁的刚度校核

贝雷桁架梁在荷载作用将产生弹性和非弹性变形，下面分别计算通航孔贝雷桁架梁的弹性和非弹性变形产生的挠度。

1. 非弹性挠度

贝雷桁架之间采用销接，根据经验公式，其产生的非弹性挠度为，n=每跨的节数缝隙数取33米跨11节10节缝，n=10

f1中=0.05×(n2-1) =0.05×99=4.95cm

2

2

1/2

2.弹性变形挠度

向下的最大弹性变形应在1、3跨的跨中，则

f2=0.677ql4/100EIn (等效均布荷载q=136.522KN/m)

=0.677×136.52×18.74/(100×577434×10-8×2.1×1011×10)=0.019M=0.93cm

f=f1中+ 2=5.85cm＜L/400=33/400=8.25cm 说明贝雷雷桁架梁的刚度满足设计要求。

二、主支墩桩顶盖梁型钢验算 （一）、荷载 1、上部荷载

横梁系梁贝雷的为6片组合而成，共计9节×6片×2幅=108片。理论每片重量为280Kg/片。

1层：按6片上下加强型贝雷，每节重： 桁架节： 2.7KN×6=16.2KN 加强弦杆：0.8×2×6=9.6KN 销子：0.03×24=0.72KN 支撑架： 0.21×5=1.05KN 桁架螺栓：0.03×18=0.54KN 弦杆螺栓：0.02×24=0.48KN 联板：0.04×15=0.6KN

每节总重 ：29.19KN，合计9节（9×29.19）/24.41=10.76KN/m

1、简化为简支梁，桁架自重支点位置反力为N1=1/2ql=0.5×10.76×24.41=131.32KN

2、上部系梁荷载N2=（33+18.7）×105.01/2=2714.51KN取1.2安全系数=3257KN

3、砂筒、型钢等荷载 按每支点10KN计，N3＝10KN 4、钢管支架贝雷自重

2个贝雷支墩的贝雷为2片组合而成，共计10层20片自重为N4=9.68×10层=96.8KN 两只为96.8×2=193.6KN

5、钢管拱支架横梁4片组合而成，共计3节 横梁自重为N5=19.36×3节=58.08KN

6、钢管拱及吊杆的自重为（154619+29837）×9.8/1000=1807.67KN 1807.67/(2 ×79.6) ×（0.5×55.8长）=316.79KN 取拱肋自重N6=316.79KN

所有上部荷载在50a 的的工字钢为

（131.32+3257+10+96.8+96.8+58.08+316.79）=3966.79KN 取安全系数1.2则N=3966.79×1.2=4760.15KN （图纸设计临时支墩荷载为3800KN） 这些荷载全部通过3排2根并排焊接拼成2.5米长的50a工字钢钢梁传递到下面3排共9根钢管桩上，单排下的管桩间距为1.25米，3排桩之间的间距为2.5米，那单排2根50a 的工字钢钢梁上的荷载为4760.15/(2.5×3)= 634.69KN/m （二）、受力简图

工字钢架的受力简

图

（三）、内力计算

-123.963KN.M

69.42KN.M

弯矩图

69.42KN.M

297.51KN495.852KN

-297.51KN

-495.852KN

（四）、工字钢钢梁强度验算

1、抗弯验算 Mmax=123.963KN-m σ

max

= Mmax/W=123.963×103/（1858.9*2根）×10-6

=33.34MPa<［σw］=145 MPa《路桥施工计算手册》 满足抗弯强度要求。 2、抗剪验算 Qmax=495.852KN 查表50a 工字钢Iz/Sτ

d=12㎜=12×10-3m

τ10-3

=24.09MPa<［τ］=85 MPa《路桥施工计算手册》

max

max

=46472/1084.1㎝=42.87×10-2m

= Qmax Sτ

max

/ Iz d=495.852×103/（42.87*2根）×10-2×（12*2根）×

满足抗剪要求。

工字钢钢梁上6片贝雷盖梁的验算 受力图为：

工字钢架上贝雷的受力简图

-495.852KN.M

277.677KN.M

弯矩图

277.677KN.M

595.022KN991.7KN

-595.022KN

-991.7KN

由图见贝雷所受弯最大弯矩为495.852KN.m<4809×2=9618KN.M（6片贝雷） 由图得最大剪力为991.7KN<698×2=1396KN （6片贝雷） 满足要求 为保证整体承载，贝雷桁架钢盖梁搭设时上下采用双层加强弦杆6片，0.45米间距组合而成，使贝雷片受压抗剪满足要求。

四、主墩支架钢管桩承载验算

支架桩平台采用直径530㎜，壁厚10mm螺旋钢板自动焊钢管桩，3根3排合计9根，考虑入土深度21.5米。

50a工字钢自重93.6×15×9.8/1000=13.75KN

P=（4760.15＋13.75）/9=530.43KN 考虑群桩不均匀受力等不利因素折减，再次取上部荷载的安全系数取1.2，故设计单根桩 荷载为530.43×1.2=636.52KN 2、承载力校核

根据地质报告及钻孔桩施工情况，该处土质大都为粉土，粉砂为桩周极限侧阻力40KPa左右,根据《路桥施工计算手册》桩端极限端阻力标准值取σ

R

=3000KPa，不考虑水浮力作用。

单桩承载力计算：P=1/2(L×∑σi×hi ×qsik+σ×As×σR) 直径d =530mm 截面积As=0.016m 周长L=1.664m

桩基竖向承载力抗力分项系数:γs=γp=γsp=1.5 第1土层为:粉土,极限侧阻力标准值qsik=25Kpa 层面深度为:.0m; 层底深度为:3.5—8m 土层厚度h= 2.5m

振动沉桩影响系数取σi=0.9

极限侧阻力Qsik=L×h×qsik=1.664× 2.5 ×25×0.9×0.5 = 46.8 KN

第2土层为:粉砂,极限侧阻力标准值qsik=40Kpa 层面深度为:.8m; 层底深度为:8—12m 土层厚度h= 4m

振动沉桩影响系数取σi=0.9

极限侧阻力Qsik=L×h×qsik×ψL=1.664× 4 ×40×0.5×0.9 = 119.7 KN

第3土层为:粉砂,极限侧阻力标准值qsik=45Kpa 层面深度为:.23m; 层底深度为:26m 土层厚度h= 15m

振动沉桩影响系数取σi=0.9

极限侧阻力Qsik=L×h×qsik×ψL=1.664× 15 ×45×0.5×0.9 = 505.44 KN

总极限侧阻力Qsk=∑Qsik= 46.8+119.7+505.44=671.94KN 极限端阻力标准值qpk=3000KN

极限端阻力Qpk=qpk×As=3000×0.016= 48KN 振动影响后48× 0.9×0.5=21.6KN

基桩竖向承载力计算值P= 671.9+ 21.6= 693.5 KN桩承载力计算值为

2

693.5KN＞636.52KN（单桩设计值），桩基承载力满足要求 3、桩出水面6m作压杆稳定性计算 钢管桩壁厚10㎜ 根据路桥施工计算手册查的

截面惯性矩I=π（D- d）/64=2.84×10m截面积A=π（D2- d2）/4=16.3×10-3m2 回转半径i=√（I/A）=0.1856m l=l0=6m

其长细比λ=l/i=6/0.1856=32.3<受压钢构件容许最大λ=100（路桥施工计算手册附录3查的）

纵向弯曲系数ф=1.02-0.55(（32.3+20）/100)=0.869 截面积A=3.14×(0.2652-0.2552)=0.016m2 强度验算：

σ=P/A=636.52/0.016=39782.5KN/m2=39.7MPa<[σ]=140 MPa 稳定验算：

σ= P/(Aф)=636.52/0.016×0.869=45.78 MPa<[σ]= 140 MPa 钢管桩杆稳定。 五、钢管拱安装支架验算

1、钢管拱支架横梁4片组合而成，共计3节 横梁自重为N5=19.36×3节=58.08KN

2、钢管拱的自重为（118947+27583+18084+8799+8089+2038+916）×9.8/1000=1807.67KN

1807.67/(2 ×79.6) ×（0.5×55.8长）=316.79KN 取拱肋自重N6=316.79KN 拱上工字钢支架取20KN

拱架贝雷桁架梁按简支梁受力计算

所在贝雷桁架梁上的荷载为P=58.08+316.79+20=394.87KN在跨中布置 受力图：

2

4

4

-4

4

拱肋支墩受力

简

图

197.435KN

691.022KN.M弯矩图

-197.435KN

剪力图

由图中得跨中弯矩为：691.022KN.M < 788×3×0.8系数=1891KN.M 满足弯矩要求

最大剪力为：197.435KN < 245×3×0.8系数=588KN 满足剪力要求

另Ix=250497.2cm4,E=2.1×105Mp P=394.87KN =394870N

f =Pl3/48EIx =394870×7003/48×250497.2×4×2.1×107

=0.19cm<l/400

故满足刚度要求 两侧贝雷桁架立柱验算

两个支点的支座反力P1=P/2=197.435KN

贝雷立柱的高度为10层1.5米=15米，立柱支墩的截面积为采用3m×0.9m贝雷桁架，验算其稳定性。 根据路桥施工计算手册查的

截面惯性矩I=bh3/12=2.025m4 截面积A= bh =2.7m2

回转半径i=0.289h=0.867m l=l0=15m

其长细比λ=l/i=15/0.867=17.3<受压钢构件容许最大λ=100（路桥施工计算手册附录3查的）

由计算手册计算受压构件纵向弯曲系数

纵向弯曲系数ф=1.02-0.55(（17.3+20）/100)2=0.943 截面积A=0.9×3=2.7m2 强度验算：

σ=P/A=197.435/2.7=73.12KN/m2<[σ]=140 MPa 稳定验算：

σ= P/(Aф)= 197.435/2.7×0.943=0.077 MPa<[σ]= 140 MPa 整个贝雷墩支架稳定。

综合以上各个部位验算，整个现浇支架是稳定的。 四、现场实际施工情况总结

现场组合贝雷跨河支架施工在6月1日开始打钢管桩，7月14日开始支架预压,7月18日支架预压完成，每道工序施工严格按照施工方案中的要求执行。根据现场观测数据，支架跨中沉降得单性变形为54mm与理论计算的58.5mm变形量比较接近，整个支架在施工中是稳定的，能够满足现浇施工需求，详见观测数据。

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