大跨度、大体积混凝土“贝雷梁”支撑系统施工技术应用

大跨度、大体积混凝土“贝雷梁”支撑系统施工技术应用

施有林

中国水利水电第四工程局有限公司三河口项目部  陕西省汉中市 723400

摘要：大体积混凝土梁一般采用预制和现浇两种方式，但往往在施工阶段，易受场地限制，大型起重设备难以满足现场起重要求，大跨度、大体积预制梁通常不具备预制吊运条件，只能采用现浇方式进行施工。在高落差、大跨度、大体积梁混凝土支撑系统研究过程中发现，常规模板支撑系统，如桁架、满堂支架等结构，其均存在施工工程量较大，操作复杂，且混凝土施工质量较难控制等缺点。参考贝雷桥结构及其受力特点，其贝雷梁结构稳定、施工便利，可作为混凝土模板支撑系统。通过对其研究、试验，总结出一套新型混凝土模板支撑系统，其施工综合效果优良，可为后期同类型施工条件工程有借鉴作用。

关键词：高落差、大跨度；大体积；贝雷梁；支撑系统

1概况

三河口大坝泄洪表孔共布置三个孔，其孔口尺寸为15m×15m(宽×高)，根据设计图纸，大坝表孔上游分别布置门机大梁、交通桥，其中上游门机大梁为T型梁结构，底宽1m，顶宽1.78m，高2.5m，跨度15m，单根长度16.96m，交通桥为Π型梁结构，两支腿底宽均为0.5m，顶宽2.045m，高1.8m，跨度15m，单根长度18.96m，本文以跨度15m和混凝土方量43.8m³的门机大梁为例，来介绍贝雷桥在大跨度、大体积混凝土支撑系统的应用。

由于三河口大坝工程所处地区地形复杂，缺少常见的高拱坝垂直起吊设备缆机，由于本工程表孔顶部大梁自重过大，周边结构施工空间过下，架桥机、塔机等设备无法布置，故现场无法采用预制施工工艺。

为此，需要为三河口大坝表孔门机大梁混凝土施工量身订做一套安全经济的支撑系统，通过选用“贝雷桥”施工结构的研究，通过对其改装，使其作为模板支撑系统，解决了拱坝表孔高落差、大体积混凝土支撑，相比其它大跨度梁混凝土施工模板支撑系统布置，贝雷梁结构承载力可靠，支撑具备承载能力大、刚度强、挠度小、安全性性高等特点。且贝雷梁施工工期短，贝雷梁支撑架设快速，分解容易，安装方便，造价低。施工质量易于控制，实现了大坝表孔现浇梁混凝土施工的安全性及经济性。

2贝雷架支撑系统及混凝土施工

2.1支撑系统布置

坝顶门机大梁支撑形式采用7组(检修门槽上游4组，下游3组)跨度15m的组合式贝雷梁(三排单层)，每组贝雷梁为3榀加强型贝雷梁采用支撑架拼装而成。加强型贝雷梁即321型标准贝雷梁顶部及底部加设加强弦杆。在孔口闸墩内侧，边墙高程预埋I40a工字钢，待浇筑至坝顶安装两根I40a工字钢分配梁再吊装贝雷梁。各组贝雷梁紧挨放置，吊至规定位置后，7组贝雷梁底部采用4根I16工字钢连接梁将各组贝雷梁连接成整体，间距≯6m控制，贝雷梁上部布置I16工字钢连系梁，间距1m，门机梁底模直接坐于连系梁。贝雷梁支撑系统上部布置钢管排架作为底部模板支撑。

2.2应用支架计算分析

2.1.1单层贝雷梁支架计算

贝雷梁计算模型按照15m跨度简支梁计算，贝雷梁放置在预埋工字钢上，跨度约15m。分区域，按两组双排单层贝雷片布置计算，双排单层贝雷片宽度1.25m，则按照受力最大断面考虑荷载（门机大梁1.25m范围）。

2.2.2荷载计算

㈠永久荷载计算

模板及支撑架自重标准：G1K=1kN/㎡×1.25m=1.25kN/m；

按模板加固方式计算：G1K=[10槽钢围檩+模板+φ48钢管围檩=10kg/m×1.8m×4根+70kg/㎡×4.6㎡+3.84kg/m×1m×12根=440kg，即4.4kN/m；

新浇混凝土自重标准：G2K=26.5kN/m³×1m×2.443㎡=64.74kN/m；

贝雷梁自重：G3K=1.2×4.3kN/片×4片/3m=6.88kN/m。

㈡可变荷载

施工人员及设备荷载：Q1K=2.5kN/㎡×1.25m=3.125kN/m；

振动荷载：Q2K=2kN/㎡×1.25m=2.5kN/m；

㈢线荷载计算

静荷载分项系数取1.2，动荷载分项系数取1.4，所以4片贝雷梁施工的荷载为：q=1.2×(4.4+64.74+6.88)+1.4×3.125=95.6kN/m，即单组双排单层荷载为：47.8kN/m

㈣桁架受力计算

⑴桁架跨中最大弯矩：M=ql2/8=47.8×15×15/8=1344.375kN•m；

中间支座处剪力：RB=0.5ql=0.5×47.8×15=358.5kN，l为跨度。

应用广州军区工程科研设计所黄绍金、刘陌生编著的《装配式公路钢桥多用途使用手册》，查手册中P59页表3-6，双排单层加强弦杆贝雷片桁架的容许承载力为：[M]=3375kN•m，[Q]=490.5kN。

实际施工中桁架内力均小于容许承载力，结构受力上满足使用要求。

抗弯安全系数：K=[M]/M=3375÷1344.375=2.51

抗剪安全系数：K=[Q]/Q=490.5÷358.5=1.37，满足承载力要求。

⑵贝雷桁架结构节点受力：

由于门机大梁1.25m范围由4榀贝雷桁架分担，则每榀桁架承受的荷载为G’=G/4=98.2/4=24.55t，桁架两端的支座反力为Fa=G’/2=122.75kN。计算时选取最不利情况进行复核计算，贝雷桁架采用5跨贝雷架拼装，根据贝雷架结构形式，贝雷桁架按10跨考虑，每跨长为1.5m，高为1.7m，每个节点上受力为，节点部位均采用贝雷销子联接。

贝雷架材质及力学特性：贝雷销子为30铬锰钛钢。

30铬锰钛的拉应力、压应力和弯曲应力：0.85×1300=1105MPa，即为112.76kN/cm2

30铬锰钛的剪应力：0.45×1300=585MPa。即为59.7kN/cm2

因此贝雷销子满足受力要求。

㈤贝雷片桁架变形计算

根据《装配式公路钢桥多用途使用手册》，贝雷片桁架的变形有非弹性变形和弹性变形两种，非弹性变形主要是由于轴销之间的间隙而产生的变形，弹性变形是由于荷载作用下引起的变形。

⑴非弹性挠度（插销间隙产生变形）

简支情况下桁架（偶数节）非弹性变形可采用以下公式计算fm=0.05×n2式中，n为贝雷片桁架的单元数，本桁架跨度15m，单元数n=5fm=0.05×25=1.25cm=12.5mm

⑵弹性变形（荷载作用下变形）

参照简支吊车桁架跨中挠度计算，应用《钢结构设计手册》中的简支吊车桁架跨中挠度计算公式，荷载作用下桁架变形为:f=ML2÷10EIx式中，M为跨中弯矩，L为跨度，E为桁架材料的弹性模量，Ix为桁架截面的惯性矩。

查《装配式公路钢桥多用途使用手册》第59页表3-5，采用三排单层时，其近似惯性矩为I=1732303cm4，E=2.1×107N/cm2。

f=1650.71×1000000×150002/(10×2.1×100000×1732303×104)=10.21mm

因此，桁架的总变形为

∑f=12.5+10.21=22.71mm＜[f]=L/400=15000÷400=37.5mm

桁架变形满足要求。

2.2.3预埋工字钢验算

按照悬臂梁形式计算，前面计算的支座最大剪力为358.5kN

截面应力验算如下：对于工字钢I40a，W=1090cm3

弯矩M=179.25×0.37+179.25×0.16=95kN.m

弯曲应力δ=M/W=94.13x106/1090000=87.156MPa

剪应力t=N/A=355125/8610=41.25MPa

应力验算<［δ］=215MPa，截面验算通过。

2.3支撑系统制安

㈠制作要求

⑴各构件均采用满焊连接，焊缝高度应不小于6mm。

⑵贝雷梁均采用321加强型标准件。

⑶各构件部位焊接时需注意控制焊接质量，不得烧伤母材。

㈡支撑系统安装

安装顺序：预埋件安装→贝雷梁分配梁安装→贝雷梁安装→钢管架支撑工字钢(I16)安装→周边护栏→联合验收→模板支撑钢管排架安装。

2.4支撑系统埋件预埋及加固

㈠支撑系统预埋

⑴大梁预埋件要保证预埋准确无误，安排派专人负责，对预埋件进行分型号归类，并使用钢卷尺反复测量，消除偏差。

⑵根据预埋铁件的位置形状、大小、轻重情况，采用不同方法固定；施工时专人负责安装、验收。

⑶预埋件表面应清理干净，施工完毕预埋防锈处理严格按设计要求进行。重量较大时，采用钢支架固定。

㈡支撑系统加固

本支撑系统预埋件与2根分配梁，之间采用焊接连接；工字钢与贝雷梁均采用定型“U”型螺栓进行连接固定；本工程使用321型加强型贝雷梁，单组贝雷梁长度为3m，相互之间采用销轴进行连接；贝雷梁与上下加强弦杆采用成品弦杆螺栓进行连接；支撑架与贝雷梁采用支撑架螺栓进行连接；贝雷梁上部工字钢与模板钢管排架立柱采用焊接工艺连接。

2.5贝雷梁荷载试验施工

㈠试验目的

本工程使用321型加强型贝雷梁，为确保大梁现浇施工安全，需对贝雷梁进行重载试验以检验贝雷梁的承载能力和挠度值。通过模拟贝雷梁在箱梁施工时的加载过程来分析、验证贝雷梁的弹性变形，消除其非弹性变形。通过其规律来指导表孔大梁施工中贝雷梁的预拱度值及其混凝土分层浇筑的顺序，并据此基本评判施工的安全性。

㈡方法概述

⑴试验方法

施工前模拟支铰大梁的现浇过程，进行实际加载，以验证并得出其承载能力。荷载按顺序逐加，进行连续观测，当完成110％荷载加载后，4小时观测一次，12小时观测一次。

⑵荷载布置

贝雷梁跨度长15米，计算重量约为400t，此外不再增加额外的荷载，故现场应模拟施加总荷载约为440t。

⑶观测点设置

测点数值为距地坪距离，测点3设置在贝雷梁跨中，测点1、2和测点4、5对称布置，测点数值为测点距地坪距离。

⑷理论数据：根据《大梁施工承重系统受力计算书》，理论非弹性挠度（插销间隙产生变形）：12.5mm；理论跨中弹性变形（荷载作用下变形）：22.71mm。

㈢试验准备工作

预压试验预压配重选用440t成品钢筋，测量仪器选用水准仪和钢尺，预压前将贝雷架按设计图纸进行组装，下部布置4根8m长I40a工字钢进行支撑。

㈣试验前的检查

试验前需检查贝雷架各构件联接是否紧固，金属结构有无变形，各焊缝检测满足设计规范的要求，贝雷架与支撑梁的锚固是否牢固，完全模拟浇筑状态时并进行全面检查，合格后方能进行试验工作。

㈤加载方案及加载程序

贝雷架荷载试验非破坏性加载，在贝雷梁挠度达到理论值而荷载远小于理论荷载（440t）时，停止试验，或缓慢加载，加密观测。

加载过程共分5级：0→25%→50%→75％→100%→110％

加载过程中应注意，对各个压重荷载必须认真称量、计算和记录，由专人负责，所有压重荷载应提前准备至方便起吊运输的地方，在加载过程中，要求详细记录加载时间、吨位及位置，要及时通知测量组作现场跟踪观测。每完成一级加载应暂停一段时间，进行观测，并对贝雷架进行检查，发现异常情况应及时停止加载，及时分析，采取相应措施。如果实测值与理论值相差太大应分析原因后再确定下一步方案。

㈥试验结果处理

通过逐步增加荷载，观测贝雷梁整体持力状态，对实测挠度值和理论挠度值比对分析，挠度在≯3.7cm的情况下应满足最不利荷载440t，则贝雷梁满足现场使用。

每项工作每个表格都要记录指挥、协调、实施、记录、确认等人员姓名和时间。

2.6卸载方案及注意事项

卸载方案类似加载方案，只是加载程序的逆过程，卸载过程同样分两个阶段。要均匀依次卸载，防止突然释荷之冲击，并妥善放置重物以免影响正常施工。卸载时每级卸载均待观察完成，做好记录后再卸至下一级荷载，测量记录贝雷架的弹性恢复情况。

2.7安装验收标准

贝雷梁荷载试验结束后，通过计算贝雷桁架的弹性变形、非弹性变形，采用现场模拟试验测定其挠度，已为大梁混凝土现浇支架搭设提供可靠的技术参数，同时验证贝雷梁在同一荷载下的理论计算挠度和实际挠度的相符性。

支撑贝雷梁安装完成后，主要检查以下项目：

⑴外观检查

⑵主要尺寸偏差

2.8测量校核

基面处理合格后，用全站仪进行测量放线。放线时，将大梁控制点线放在明显的位置，并在方便度量的地方标出高程点，并标示出钢筋绑扎位置和模板内边线。

大梁模板、钢筋、预埋件等完成施工后及时进行复测，有偏差的严格按照规范要求进行调整，直至达到标准后方可进行下一道工序的施工。

2.9支撑系统吊装

支撑系统安装时主要依靠塔机吊车进行构件吊装，单组贝雷梁采用整体吊装的方式进行安装。

2.10模板施工

㈠模板安装

大梁单孔最大跨度15m，采用一次浇筑成型的方式施工，大梁侧模采用定型钢模板，底模采用组合钢模板，模板支撑系统自下而上依次为Ⅰ40a工字钢预埋件、顺水流方向Ⅰ40a工字钢分配梁、垂直水流方向加强型贝雷梁、顺水流方向[16a槽钢水平梁，模板均采用对拉拉杆及外撑的形式加固。

㈡大梁底部模板预拱度设置

贝雷梁支撑排架搭设完成后，铺设底模时必须按设计规范要求进行起拱布置，底模起拱度=贝雷梁弹性变形+贝雷梁非弹性变形。其中贝雷梁非弹性变形主要来自贝雷梁销钉孔间隙，其数值大小取实际观测值，即在贝雷梁安装完成后，加载前，观测此时贝雷梁的变形，视其为非弹性变形值。

2.11钢筋施工

大梁钢筋加工时，严格按照设计蓝图进行下料，加工成形的钢筋采用载重车运输至坝顶，进行组装。

2.12混凝土施工

大梁混凝土水平运输主要采用6m3搅拌罐车拉运，混凝土浇筑采用塔机+1m³罐进行入仓。

混凝土浇筑采用从两端向中间的顺序平铺法，坯层厚度按50cm控制，根据仓号特性坯层厚度可适当调整为30cm，控制在4小时之内。

混凝土振捣采用人工手持φ50型软轴振捣器振捣，钢筋密集及模板周边部位，应适当延长振捣时间，并进行二次振捣工艺。

大梁混凝土浇筑前在仓内四周模板上标注收仓线。收面时，将仓内脚印、棒坑抹平。拆模后立即采用土工布洒水保湿养护。

2.13模板及支撑系统拆除

㈠模板拆除

大梁侧面模板的拆除，拆模时间控制在收仓后3~5天，具体可根据外界气温及混凝土强度确定，拆模时应小心谨慎防止混凝土产生掉角缺陷。

㈡支撑系统拆除

支撑系统待混凝土强度达到设计强度后进行拆除工作。

拆除流程：拆前检查(含清除杂物)→支撑系统与模板分离→拆除模板围檩及模板→拆除支撑系统上部操作平台及钢管排架→拆除排架底座I16工字钢梁→拆除I16工字钢连接梁→贝雷梁分解→贝雷梁移至大梁下游面依次吊出→拆除贝雷梁底部分配梁I40a工字钢→割除I40a工字钢预埋件→混凝土表面处理。

3结语

大跨度、大体积混凝土“贝雷梁”支撑系统施工成功应用，充分表明了大体积、大跨度支撑系统采用贝雷梁形式是一种合理经济的支撑手段，可适应在大跨度大体积混凝土支撑系统施工，同时安全系数较高，结构承载力可靠，现场安装简便，搭设快速，结构灵活，分解容易，使用工期较短，同种施工条件下，贝雷梁所需材料相对满堂支架等支撑形式更少，为其他同类工程上的大体积混凝土支撑系统提供参考。

参考文献：

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[4]大跨度连续梁贝雷梁钢管柱式支架现浇施工技术［J］王立敢，胡明峰，交通世界2016（34）；