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Bailey beam is used in oblique, long-span cast-in-place continuous box girder bridge

Applied Technology Research

Abstract: With the extensive use of cast-in-place box girder in my country, the quality of the box girder and the safety of personnel in the process of erecting the support are particularly important. This paper takes an oblique and large-span cast-in-place box girder bridge in Yunnan as an engineering example. Through the comparison and selection of schemes, the cast-in-place box girder is constructed in the form of a steel pipe-Bellet support system, and the second span is selected by Midas civil Establish a finite element model, carry out strength combination and stiffness combination, and check the strength, stiffness and stability of the support under the most unfavorable load combination. The results can provide references for the design and calculation of similar bridge steel pipe and Bailey composite support schemes.

Key words: Cast-in-place box girder; oblique cross, large span; Bailey beam; Midas civil;

0 引言

随着我国桥梁工程的不断发展，现浇箱梁因具有美观、刚度大、跨度大等优点，从而在桥梁中得到大量的运用。但箱梁自重大，吊装难度大，一般采用现浇的方式，而现浇箱梁中最关键的就是支架的设计与施工，其直接关系到现浇箱梁的质量和人员的安全。曾宪云^[1]介绍了2010年1月昆明机场项目因支架设计和施工缺陷，在混凝土浇筑过程中造成支架系统发生失稳垮塌，造成7人死亡接近30人受伤的较大事故。

陈伟民等^[2]结合实际项目对贝雷支架系统进行了空间有限元验算，针对验算结果提出了合理建议。

本文结合云南某工程实例，通过现浇箱梁支架施工方案比选，最终选择把钢管-贝雷支架体系作为最终的施工方案。贝雷梁通过工厂定制和现场拼装的方式，具有安拆方便、承载能力高、可重复使用，适用于不同跨径桥梁施工的优点^[3]，因此广泛运用于现浇箱梁中，本文基于Midas civil对贝雷支架体系进行建模及检算，从而保证现浇箱梁施工的质量和安全。

1工程概况

某跨线桥桥梁为跨越主线而设，主线与本桥交叉处主线里程为K7+169.170，跨越处主线路幅宽73.3m=6.3m人行道+7.5m慢车道+3.5m侧分带+16m快车道+6.7m隔离带+16m快车道+3.5m侧分带+7.5m慢车道+6.3m人行道，本桥线路中心线与主线路线中心线的夹角为44.39°，桥位平面图如图1所示。

本桥全长126.4米，上部结构采用4×30m现浇预应力混凝土箱梁。桥面宽8.5米，采用单箱单室的结构形式，采用斜腹板形式，斜率2.5:1，箱梁高160cm，悬臂宽为180cm，跨中标准横断面图如图2所示。下部结构2、3、4号桥墩采用花瓶型的结构形式，0、4号桥台采用挡土式桥台的结构形式。

2 施工方案比选

在确定上部结构现浇箱梁施工方案之前，要根据地质条件、结构形式、交通情况等方面，综合结构的安全性、经济性和适用性确定施工方案。针对本桥跨线桥支架体系初步提出3中方案：满堂支架体系、贝雷支架体系及组合支架体系。其比选结果如表1所示。

表1 现浇箱梁方案比选分析表

最终通过方案的分析评估和比选选定钢管-贝雷支架体系为最终的施工方案。

3钢管-贝雷支架体系设计

为减小上部结构施工对既有道路的影响，中立柱设置在行车道的中间，贝雷支架整体结构从上到至依次采用15mm竹胶板，10×10cm方木间距为50cm，现浇箱梁翼缘板处采用Φ60×3.2mm钢管立柱，横向分配梁采用I32a工字钢，贝雷梁采用单排单层布置，横桥向共布置22片贝雷梁，主横梁采用双拼I56a工字钢，钢管立柱采用Φ529×6mm钢管柱，每排设4根钢管柱，钢管柱间距为2.5m，钢管柱之间采用I14工字钢进行连接，钢管底面用钢板封闭，与承台顶预埋钢板进行焊接固定。钢管柱基础采用C30混凝土，基础长9.1m，宽1.6m，高1m。支架体系横桥向布置图如图3所示^[4-5]。

纵梁采用贝雷梁，每排贝雷梁通过3m的标准段拼装而成，横向通过连接架连接增加结构的横向刚度，间距为45cm，贝雷梁共设置22排。贝雷梁上铺工32a号工字钢，铺设间距2×45+21×60+2×30+21×60+2×45cm，如图4所示。

4、支架的计算理论和有限元分析方法

结构的强度问题主要指结构或构件在平衡状态下由荷载所引起的最大应力是否超过建筑材料的极限强度。本文进行强度验算采用第一强度理论，即结构发生脆性断裂的共同原因是单元体中的最大伸长量应变达到某个共同极限值，当σ_max≤[σ],就认为结构不会发成脆性破坏，其中σ_max为单元体中的最大拉应力，[σ]指材料的许用应力。

刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征。结构的刚度要求工作时构件的变形或某一截面的位移（最大位移或指定截面处的位移）不能超过规定的数值。即△≤[△],△为计算得到构件工作时的实际变形或位移,[△]为许用变形或位移.

结构稳定问题的传统分析方法主要有平衡法、能量法和动力法^[6]。随着计算机技术的发展，有限元分析方法逐渐成为稳定性分析中的一种重要方法，结构的稳定性分析即结构的特征值屈曲分析，结构的屈曲计算是利用结构的变形条件建立的，根据最小势能原理可得到结构有限元平衡的基本方程为：

式中：为结构的弯曲刚度矩阵，为结构的几何刚度矩阵；为结构位移矩阵；为结构等效节点矩阵。在有限元理论中通常将稳定问题最终转化为求解广义特征值问题，采用特征值屈曲分析可快速计算出结果。

5荷载取值

通过查询《路桥施工手册》^[6]可知,施工过程中箱梁混凝土自重q₁= 26kN/m²，对箱梁自重，依据箱梁断面尺寸对上部结构进行分块计算，按照支架所受的实际荷载进行加载;施工人员、施工材料和机具荷载，按均布荷载计算，取q₂= 2.5 kN/m²；振捣混凝土产生的荷载q₃=2kN/m²;倾倒混凝土产生的冲击荷载q₄= 4.0kN/㎡；贝雷支架、模板自重q₅由程序自行计算；q₆为流水压力取0。

6.1模型建立

采用有限元软件Midas Civil建立模型，选取第二跨建模，将全桥离散成14122个节点，15056个梁单元和2180个板单元，对结构进行强度、刚度和稳定性验算（荷载计算过程不做赘述），模型如图5所示。

6.2 主要边界条件的设置

限于篇幅有限，本论文只描述了主要边界条件的设置。

（1）模板与枋木边界条件设置

由于上部现浇箱梁的模板直接搭接的枋木上，在模拟模板与枋木的边界条件时，采用仅受压和一般弹性连接两种边界条件叠加的方式，采用仅受压模拟时SDx=1e7N/mm，采用弹性连接模拟时SDx=0N/mm，SDy=SDz=1e5N/mm，SRx=SRz=SRy=0。

（2）枋木与I32工字钢边界条件设置

由于枋木是直接搭在工字钢上，对于枋木相当于多点支撑的连续梁结构，固枋木与I32工字钢边界条件采用弹性连接的边界条件，SDx=1e6N/mm，SDy=SDz=1e5N/mm，SRx=SRy=0，SRz=10kN.m/rad。

（3）I32工字钢与贝雷梁上弦杆的边界条件设置

I32工字钢与贝雷梁上弦杆的边界条件采用弹性连接的形式，SDx=1e7N/mm，SDy=SDz=1e5N/mm，SRx=SRz=0，SRy=10kN.m/rad。

（4）贝雷梁下弦杆与双拼56工字钢的边界条件设置

贝雷梁下弦杆与56号双拼工字钢的边界条件采用弹性连接的形式，SDx=1e7N/mm，SDy=SDz=1e5N/mm，SRx=SRz=SRy=0N.mm/rad。在双拼56工字钢两侧建立两个节点，以工字钢中心节点为主节点，侧边两节点为从节点，采用刚性连接的形式连接主从节点。

（5）支撑架与贝雷梁边界条件的设置

由于支撑架与贝雷梁之间采用销钉的连接形式，为了真实模拟贝雷梁与支撑架的受力，支撑架可以绕沿着销钉的局部坐标轴发生转动，固SRx=0，支撑架与贝雷梁之间的边界条件采用弹性连接的形式，六个自由度方向的刚度分别为，SDx=SDy=SDz=1e6N/mm，SRx=0，SRz=SRy=1e6kN.m/rad。

（6）雷梁与贝雷梁边界条件的设置

贝雷梁纵向采用3米的标准节段，节段之间通过销钉连接，固结合模型建立的坐标系需释放沿着销钉局部坐标轴My的梁端约束。

6.3贝雷梁支架体系主要构件受力分析

限于篇幅有限，本文只对主要承重构件进行强度和刚度验算，强度组合取1.2（q₁+q₅）+1.4(q₂+q₃)和1.2（q₁+q₅）+1.4(q₂+q₄)的最不利组合，刚度组合取q₁+q₆的最不利组合。

（1）横向分配梁强度及刚度分析

横桥向I32工字钢分配梁应力如图6所示，由图可知，I32分配梁的最大应力发生在腹板下，工字钢分配梁最大应力74.4N/mm²≤[σ]=215N/mm²，判断强度符合标准。工字钢分配梁整体变形如图7所示，从图中可以看出，横桥向I32工字钢分配梁最大下沉位移为10.536mm，与两个支撑点下沉最大相对变形为10.536-(10.534+10.518)/2=0.01mm≤L/400=496.5/400=1.241mm，判断刚度符合要求。

（2）贝雷架强度及刚度分析

贝雷架弦杆应力如8所示，贝雷架弦杆最大应力为200.6N/mm²≤[σ]=305N/mm²，判断强度符合标准。贝雷架弦杆变形如图9所示，贝雷架弦杆下沉位移最大为10.517mm，与两支撑点下沉最大相对变形为10.517-（4.782+2.177)/2=7.037mm≤L/400=14200/400=35.5mm，判断刚度符合要求。

（3）横向双拼I56a工字钢承重梁强度及刚度分析

横向双拼I56a承重梁应力如图10所示，承重梁最大应力为55.3N/mm2≤[σ]=215N/mm²，判断强度符合标准。工字钢承重梁变形如图11所示，横向承重梁下沉位移最大为4.774mm，与两支撑点下沉最大相对变形为4.774-（4.387+4.399）/2=0.381mm≤L/400=L/400=2500/400=6.25mm，判断刚度符合要求。

6.4稳定性分析

限于篇幅有限，本文主要对贝雷梁的竖杆和钢管立柱进行稳定性分析。

竖杆的长细比为λ=μL_max/i_x=0.5×118/4.14=14.25，稳定系数φ=0.991，最大轴力N_max=142.4KN如图12所示，16Mn钢材E=206Gpa，σ_p=206Mpa，σ_s=345Mpa，α=0.43，正应力σ_max = N_max/(φA)＝142400/(0.991×1430)=100.48Mpa

，

因为λ＜λ_p，λ＜λ_c 欧拉公式不适用，选用抛物线公式进行计算：

σ_cr=σ_s [1-α（λ/λ_c）2]=345-345×0.43×(14.25/75)2=339.6Mpa

σ_max = 100.48Mpa<[σ_cr]=339.6Mpa

由计算结果可知，贝雷架竖杆稳定性满足设计规范要求。

钢管立柱节间最大计算长度L=1000cm，钢管按照一段固定一端铰支考虑（未考虑钢管柱之间横向支撑，这样偏安全），立柱长细比λ=μL_max/i_x=0.7×1000/18.492=37.85，稳定系数φ=0.945，最大轴向力Nmax=1607.3kN如图13所示，Q235钢材E=200Gpaσp=200Mpa，σs=215Mpa，α=0.43，σmax = Nmax /（φ×A）＝1607300/(0.945×9858.3)=172.7Mpa，  

，

因为λ＜λp，λ＜λc 欧拉公式不适用，选用抛物线公式进行计算：

σcr=σs [ 1-α（λ/λc）2 ]=215-215×0.43×(37.85/123)2=206.24Mpa

σmax =172.7Mpa<[σcr]=206.24Mpa

由计算结果可知，钢管立柱稳定性满足设计规范要求。

7、结论

（1）对于市政跨线现浇箱梁桥，由于受到既有道路及周边环境的影响，对施工的安全性提出较高要求，本文结合实际条件通过方案比选提出了合理施工方案，并通过计算表明，构体的强度、刚度和稳定性满足要求，可为同类斜交、大跨度跨线现浇箱梁桥的施工提供参考。

（2）贝雷梁为钢结构构件，施工过程中应严格控制焊接及预埋件质量，才能保证计算结果与实际结构的吻合。

（3）考虑到结构局部受力的应力集中，应合理选择贝雷梁的支撑位置，一般选择在贝雷梁的竖杆与腹杆位置处。

参考文献：

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