许贵满，韩海娅

（黔南民族职业技术学院 建筑工程与设计系，贵州 都匀 558000）

0 引言

拱桥具有受力合力、造型美观、跨度大等特点，拱桥的施工往往要面临河流的问题，不能直接在河中搭设满堂支架形成支架结构体系，如果未采取合理的支架方案就容易造成支架结构体系承受不了现浇混凝土拱桥的荷载，导致支架结构体系的强度和刚度等问题，造成坍塌事故。因此，选择合理支架结构方案对保证拱桥施工顺利进行具有至关重要的意义。

近年来，作为装配式军用梁的贝雷梁在桥梁结构施工中的应用优势明显。采用ANSYS分析软件建立三维钢管贝雷梁支架结构有限元模型，采取四种不同加强措施的贝雷梁支承结构方案进行数值模拟，通过对比分析，优选出适合本工程的施工支承结构体系方案，并依据数值结构提出相应的其他加强措施，该工程的成功应用能为类似工程提供经验参考。

1 工程概况

铜仁市兴市桥改扩建工程，拟建新桥位于原桥两侧，分为左右幅，上跨锦江河，桥梁与河道基本正交。该桥采用75 m钢筋混凝土箱型拱，桥面宽7.18 m，全长96.09 m，主拱圈横断面单箱双室结构，拱轴系数为3.5，矢跨比为1/7.5，拱桥箱梁宽6.55 m，箱梁高2 m，施工重点在于浇筑主拱圈的支架方案。

目前，贝雷梁在拱桥主体结构施工的应用主要有两种形式[1]：①贝雷梁形成多跨梁桥构成支承平台，搭设满堂式支架形成拱架；②利用贝雷片直接拼装成拱架。由于施工现场处于城区，无法有足够的场地提供拱架拼装架设，故选择第一种形式。采用钢沉箱围堰，架立无缝钢管Φ624 mm×12 mm作为中间临时支墩，在两个临时中间支墩上放置3根45 b工字钢作为横梁，在横梁上拼装8组贝雷梁作为支承结构平台。每组贝雷梁由2排贝雷片组成并用标准的45支撑架将其联结，再将每组贝雷梁用扣件式钢管锁住，形成三跨连续贝雷梁钢管支承平台，在支承平台上铺设方木，搭设满堂式支承架，支承架上铺设竹胶板形成拱圈底模板。拱圈混凝土浇筑施工完全依赖整个贝雷梁支承结构体系的支承，如图1和2所示。该支承体系的施工方案是否合理、结构是否安全直接关系到整个拱桥施工的安全及进度。

图1 钢管贝雷梁支承架立面（除标高外为mm）

2 贝雷梁加强方案

贝雷片的材料为16Mn，主要由弦杆、竖杆和斜杆组成。弦杆由两根10号槽钢（背靠背）组合而成，竖杆和斜杆由8号工字钢制成。贝雷梁随着跨度的增大，其刚度降低、稳定性差、承载能力下降，需要采用与贝雷片上下弦杆材料、断面和构造均相同的加强弦杆对贝雷梁进行加强。为研究加强弦杆使用位置不同对整个钢管贝雷梁支架的影响，分别采用四种不同的加强结构体系进行数值模拟，如图3所示。

图3 四种不同加强结构体系施工方案

3 数值模拟

依据施工方案布置的钢管贝雷梁支承结构体系，利用ANSYS软件建立其三维空间有限元模型。计算模型共有89 910个BEAM单元、2212个SHELL单元和99 671个网格节点。钢材采用弹塑性模型，弹性模量E=206 GPa，切线模量ET=20 GPa，泊松比ν=0.275钢管和工字钢屈服强度σs=235 MPa，贝雷梁屈服强度σs=345 MPa，密度ρ=7850 kg/m3；木材采用弹性模型，弹性模量E=9 GPa，泊松比ν=0.3，除拱架模板采用SHELL63模拟以外，其余采用BEAM188单元模拟。因贝雷梁是用圆柱钢销将阴头和阳头连接在一起，实际是一种半刚性的节点，根据文献[2]，采用Matrix27单元模拟，其节点刚度对贝雷梁桁架刚度和强度影响不明显，即可以处理为铰结，也可处理为刚结，为考虑施工方案安全计算，将贝雷片之间的连接简化为铰结，整个支承结构体系有限元模型如图4所示，该计算模型的边跨支座为铰支座约束，中跨钢管底部为固定支座约束。

图4 钢管贝雷梁支承结构体系有限元模型

4 计算结果分析及应用

为了研究不同加强措施对钢管贝雷梁支承结构体系的影响，分别采用三种不同加强措施进行数值模拟，利用未采取加强措施的方案进行对比。最后，通过分析计算结果，从变形、应力大小以及经济等因素综合考虑优选出了较为合理的加强措施作为施工的方案。

4.1 变形分析

拱桥的拱圈施工的重点控制对象之一就是拱轴线的线型。支承拱圈的钢管贝雷梁支承结构体系变形直接影响拱轴线的线型控制，浇筑拱圈混凝土之前如果未考虑其变形，将会影响拱桥的线型，从而影响后期的正常使用及其美观，甚至出现安全问题。

在四种不同加强措施下，支承结构体系的竖向位移如图5所示。由图5可知，四种不同加强措施在边跨跨中处发生的竖向位移最大，所以在控制拱轴线时，应特别注意边跨跨中位置的拱圈模板预抬量。从数值上能够看出，加强上下弦杆时最大竖向位移变化量最小，加强下弦杆其次，加强上弦杆次之，未加强最大。说明增加加强弦杆能提高支承结构体系的整体刚度，按照规范[3]要求，允许最大变形为L/400，即60 mm，未加强的支承体系最大变形为65.2 mm，已超过规范对刚度的要求，其余三种采用加强弦杆的刚度均满足规范要求，说明本工程必须采用加强弦杆进行加强。相对未加强的结构体系而言，上下加强、下加强和下加强的最大竖向位移分别降低36.8%、19.5%和16.4%，加强上下弦杆明显优于加强下弦杆和上弦杆，但是加强上下弦杆需要增加弦杆构件的数量，且支承结构体系施工更为复杂，会增加租赁和人工成本。加强下弦杆最大竖向位移量最大52.5 mm小于加强上弦杆的54.5 mm，且两者需要的加强弦杆数量相同的情况下，加强下弦杆的措施对支承结构体系的刚度更为有利。

图5 四种支承结构体系施工方案的竖向位移云图

为控制好拱轴线的线型，使浇筑拱圈混凝土成型后符合设计图纸要求，施工前应该根据支承结构体系自重和浇筑混凝土拱圈荷载的变形之差，计算得到拱架模板的预抬量，通过钢管上支撑的顶托调整底模板顶标高等于设计成型拱圈底标高加上支承结构体系的预抬量，浇筑施工完成后得到的成型拱圈的轴线才能符合设计要求。以加强下弦杆的施工方案为例，支承拱圈的模板预抬量如图6所示，在实际工程中得到了成功的应用，并较好地控制拱轴线线型，确保了工程质量。

图6 加强下弦杆拱架变形曲线

从图6中可以看出，支承系统自重变形曲线的理论计算值与实测值变化趋势近似，说明计算与实际相符，实测值稍大于理论值，主要原因是贝雷片利用螺栓连接，销与空隙间存在设计空隙，在理论中尚未考虑这种间隙，贝雷梁受力后两者之间存在部分非弹性变形。

图7为钢管支承架的水平位移云图，从图7中可以看出，最大的水平位移是在两侧的钢管顶端，由于钢管顶端悬挑，故在施工中应注意其压杆稳定问题，防止出现失稳现象导致安全事故。可采取增加45°剪刀撑提高整个支承架的稳定性，在钢管顶端增加两个方向的水平横杆减小钢管顶端悬挑长度，从而减小其长细比，提高局部稳定，加载前应注意检查钢管扣件的连接牢固，确保形成整体均匀受力。

图7 钢管支承架的水平位移

4.2 应力分析

随着拱圈混凝土的浇筑，荷载的逐渐增大，钢管贝雷梁支承结构体系的承载能力是施工中要考虑的重要内容。四种不同加强措施的轴向应力云图如图8所示。由图8可知，最大的拉应力和压应力均发生在中跨的支座位置，应特别注意在中跨支座部位的加固措施，防止杆件发生应力集中和局部破坏。从图8中可以看出，未采用加强弦杆进行加强的情况下，下弦杆应力明显比上弦杆应力大，达到370 MPa，超过材料的屈服应力，如果不采用加强弦杆，承载能力无法达到要求。加强上弦杆最大压应力并未减小，反而增大，在提高承载能力方面并未起到作用，加强下弦杆最大压应力降低至326 MPa，低于材料的屈服强度345 MPa，相比之下，比未加强的最大压应力降低了11.9%，而对上下弦杆均加强，拉压应力均降低，且最大应力降低效果与下弦杆加强的类似，但是耗费材料是下弦杆加强的两倍，不经济。综合考虑，加强弦杆放置在下弦杆进行加强，不仅能够满足支承结构体系的承载力要求，而且可以节约材料。

图8 四种施工方案的轴向应力云图

图9和10分别为横梁和无缝钢管的应力云图。

图9 钢管的应力云图

图10 横梁的应力云图

从图9、10可以看出，无缝钢管最大压应力为152 MPa，长细比为20，属于短粗杆件，故不考虑稳定问题，且满足强度条件。横梁最大应力均出现在钢管支座位置的上下表面，为防止无缝钢管和横梁的局部屈曲，施工过程中应该特别注意在其连接位置布置加劲肋以提高两者的局部承载力。

5 结语

采用ANSYS有限分析软件对四种施工加强措施进行仿真模拟，通过比较变形可知，不采用加强弦杆无法满足刚度要求，变形过大超过规范允许的范围，增加加强弦杆能够提高整个支承结构体系的刚度，尤其是上下弦杆均增加加强弦杆，能够提高36.8%。对于本工程施工需要考虑成本，仅仅加强一侧弦杆即可满足规范对刚度的要求。通过比较分析应力可知，未采取加强弦杆，则贝雷梁上下弦杆拉压应力不同，且下弦杆出现了局部屈服现象，加强弦杆的加强位置不同会导致应力不同变化，加强上弦杆会增大应力，适得其反，加强下弦杆能够使最大应力降低11.9%，从而满足强度要求。综上所述，本工程采用加强弦杆加强贝雷梁的下弦杆不仅满足规范对强度、刚度的要求，而且节约了成本，提高了工程施工效率。