大管径钢管立柱组合支架施工工法.docx
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大管径钢管立柱组合支架施工工法
大管径钢管立柱组合支架施工工法
青岛城建集团有限公司第七工程公司徐学乐、程文政
摘要：
湾底疏港路高架工程施工四标段系青岛城建集团有限公司承建的大型桥梁工程，针对施工现场实际情况，位于河道内的33#桥采用了大管径钢管立柱和贝雷梁组合支架施工方法。
本工法对大管径钢管立柱和贝雷梁组合支架施工工艺、施工方法、质量控制、力学计算等做了详细阐述，同时本工程33#桥采用本工法施工，取得了令人满意的效果。
关键词：
施工工艺；质量控制；钢管立柱；贝雷梁；力学计算
前言
现浇预应力混凝土箱梁施工中，支架是否安全可靠是保证施工安全的前提。
目前城市桥梁施工中采用较多的是碗扣满堂支架施工方法，具有施工简便、速度快、整体稳定性较好等特点。
但随着城市城镇化进程的加快，现有道路及部分高架桥梁已不能满足当前日益繁重的交通运输需求，城市桥梁施工环境越来越复杂，跨河、沿海、跨路施工已成常态，单纯的碗扣满堂支架施工方法已无法满足桥梁支架施工要求，而大管径钢管立柱和贝雷梁组合支架施工方法恰好能满足复杂施工环境下桥梁支架的施工要求，且具有较好的效果。
1、工法特点
本工法以湾底疏港路高架工程施工四标段为例介绍现浇混凝土箱梁大管径钢管立柱和贝雷梁组合支架施工方法。
该支架体系结构简单，力学性能优越，施工方便，实用性强，尤其在特殊地质条件和交通条件下具有广泛的应用前景，且不受雨季、汛期等的影响，具有满堂碗扣支架所不具备的优势，在一定条件下具有推广使用价值。
2、适用范围
本工法广泛适用于现浇预应力砼箱梁支架施工，尤其适用于沿海或河道淤泥地质、受汛期水流影响较大的河道内、城市交通跨线施工等条件，具有较高的竖向承载能力、抵御变形能力以及整体稳定性。
湾底疏港路高架工程施工四标段33#桥箱梁支架施工使用本工法取得了良好的效果。
3、工艺原理
大管径钢管立柱和贝雷梁组合支架主要采用直径DN300mm以上钢管作为支架竖向支撑，采用槽钢作为斜向支撑，钢管立柱顶端使用工字钢或H型钢作为横向连系梁，其上架设贝雷梁，形成一个强度、刚度和稳定性皆满足箱梁砼施工过程中各种荷载的受力要求的支架体系。
该支架体系通过贝雷梁、横向连系梁（工字钢或H型钢）、钢管立柱依次从上到下将箱梁荷载传递至地基上，最终都是以基岩作为最终持力层或以摩擦桩的桩身与周围土体的摩擦力抵消竖向荷载。
该体系与地基之间的结合方式有两种：
一种是钢管立柱通过法兰立于条形砼基础上，条形基础直接坐落于强风化岩层或现状道路等稳定地层上，以强风化基岩或现状道路作为持力层。
该种方法适用于河道或沿海以及跨路施工，条形基础开挖深度不大、一般小于3m即可见岩，或不需开挖可直接施工的情况，施工简单、快捷，且地基承载力好，支架稳定性高。
另一种是钢管立柱直接以钢管桩形式通过沉桩设备沉入岩层中，直接将荷载通过钢管桩传到基岩上。
该种方法应加强沉桩的质量控制，同时注意沉入桩的埋置深度，注意桩身的稳定性计算。
本工程使用的是第一种形式，即大管径钢管立柱和贝雷梁组合支架通过条形基础传递荷载。
4、施工工艺流程及操作要点
4.1施工工艺流程
大管径钢管立柱组合支架施工工序流程如图4.1
条形基础施工
←钢管立柱与条基连接
安装钢管立柱
立柱之间连接→←立柱墩身连接
←标高调节
工字钢横向传力分配梁安装
作立柱对横梁限位→←贝雷梁与横梁连接
贝雷梁主力桁架分组拼装、吊装
←贝雷梁之间连接
工字钢分配梁的安装及预拱度调整
模板、支架、钢筋、混凝土等工程
支架拆除
4.2操作要点
4.2.1支架结构
现浇混凝土箱梁一般采用木模板或整体钢模板结构，下部支架采用钢管立柱贝雷梁配合碗口满堂式脚手架为主要承重结构。
箱梁结构纵断面、横断面如图4.2.1—1及图4.2.1—2所示。
4.2.2条形基础施工
基础采用C30钢筋砼（配筋率按照10kg/m³），每条基础长度根据桥投影面积外延施工面设置，也可利用墩柱扩大基础为支架基础，基础预埋件采用100×100×12mm厚钢板及高强螺栓，螺栓需与条基钢筋焊接牢靠。
4.2.3支架搭设
（1）钢管立柱
钢管立柱选用Φ529mm钢管，壁厚8mm，两端采用直径80×2cm钢板焊接为法兰盘，并设牛腿，分节在场地加工，采用汽车吊机安装，节高根据墩柱净空进行调节，钢管立柱之间用［12型槽钢设置交叉连接，以增加稳定性。
预埋件接触部分进行焊接，焊接过程中需严格控制焊接质量，焊缝不得大于3mm且不得出现裂纹、焊瘤、气孔、咬边、夹渣、电弧擦伤等问题，钢管立柱施工时需注意立柱垂直度。
（2）传力分配梁
采用2根14m的I14aH型钢，中间采用焊接联接，焊接长度不小于20cm，对应钢管支墩处要加强焊接，焊接长度不小于60cm，在场地加工，吊机安装。
H型钢中心与钢管立柱中心必须重合。
（3）贝雷梁桁架施工
贝雷梁桁架采用单层14排贝雷梁，每排单层为一组在场地拼装，吊机依次横向自左往右（自右往左）吊装，先吊装三组安放在支架中间，而后再依次按规定从左往右（从右往左）位置安装就位。
施工时先拼装单层贝雷片，排好间距后再安装支撑架，将两排贝雷片连接成整体，单排贝雷片拼装时先铺设好下弦杆，再将贝雷片采用吊机就位后插上插销，锁下弦杆与贝雷片间的连接螺栓。
贝雷梁及其连接件的连接螺栓要拧紧，防止因螺栓松动降低结构物的使用强度。
贝雷梁与H型钢传力分配梁用U型卡连接，贝雷梁之间除标准连接件外，用槽钢横向联接，贝雷端部与墩身的缝隙必须用方木全部卡死。
（4）分配梁
H型钢分配一般为6m，在场地加工进行接长，采用吊机安装，从中间往两边排放，人工就位。
（5）支架预压
支架搭设完成、底模安装后，对支架及钢管立柱进行预压。
预压的目的是检测支架自身的强度、刚度和稳定性，消除支架搭设的非弹性形变，检测支架承载预压后卸落的沉降量，测算施工荷载时的弹性变形，计算预拱度。
（6）预拱度计算
现浇混凝土箱梁预拱度主要由两方面组成：
施工预拱度=支架变形值+设计预拱度
支架变形值通过预压来确定：
设计预拱度=精活载挠度+理论计算跨中反拱值-扣除自重影响后预应力产生的上拱度-计算残余徐变拱度值
在箱梁混凝土实际施工时，需继续对支架进行变形观测，观测持续到桥梁变形基本稳定，得出更精确的变形值，在后续施工中作为指导施工。
4.2.4贝雷架稳定计算（以湾底疏港路高架工程施工四标段33#桥为例）：
箱梁总砼方量为2577m³，即6184.8t；普通钢筋为：
395.696t；预应力钢筋为：
115.596t。
故自重荷载为6696.092×9.8=65621.702KN。
33#桥箱梁跨河道部分钢柱横向间距为3.5m,纵向分别在横梁处、跨中处设置两排钢柱，跨度分别为4.9m,10.1m,12.6m。
最大跨度为12.6m，因此以12.6m跨度为例进行验算。
支架宽度为28m,该段砼方量为250m3，面积为12.6×28=353m2。
1、荷载计算
（1）新浇筑砼自重
a、砼密度：
26KN/m3（包括砼、钢筋和钢绞线等）。
【参照《路桥施工计算手册》P172】
b、箱梁砼：
V=250m3，G=250×26=6500KN。
c、箱梁支架面积：
A=12.6*28=353m2
砼自重产生荷载：
Q1=G/A=6500/353=18.5KN/m2
支架自重荷载
Q2=（16.48kg+13.34kg+3.63kg×2×5+8.31kg×2）/0.81m2=102.148kg/m2，即1.02KN/m2。
考虑到纵横向剪刀撑、水平剪刀撑及防护栏杆等，支架容重荷载乘以1.2的系数，即
Q2=1.02KN/m2×1.2=1.224KN/m2。
【贝雷梁上满堂支架总高度为5.5m-6m，立杆高度按3m+2.4m组合考虑，根据JTJ166-2008《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》，每个0.9*0.9单元格包含1根LG-300（16.48kg/根）、1根LG-240（13.34kg/根）、2根0.9m横杆共5层（3.63kg/根）、2个KTC-60（8.31kg/个）。
】
模板自重（含竹胶板、方木）荷载
纵向方木10********，横向方木10*********，竹胶板厚1.2cm，则每平米模板（含竹胶板、方木）容重：
Q3=[（0.1m*0.15m*2*0.9m）/0.81m2+（0.1m*0.1m*4*1m）]×8KN/m3+0.112KN/m2=0.587KN/m2+0.112KN/m2=0.7KN/m2
【方木容重根据《路桥施工计算手册》取值按较高值8KN/m3计，竹胶板荷载取0.112KN/m2。
】
（4）施工荷载：
Q4=1KN/m2
（5）振捣时产生的荷载：
Q5=2KN/m2
（6）倾倒砼时产生的冲击荷载：
Q6=2.0KN/m2
（7）风荷载：
ωk=0.7μsμzω0
计算时荷载分项系数按永久荷载1.2、可变荷载1.4进行选用。
2、钢结构自重荷载
（1）贝雷梁重量
贝雷架梁长12.6m，高1.5m，贝雷架理论重量：
288Kg/片/3m=96kg/m。
贝雷架顺桥向搭设，横桥向间距为0.9m，共设32排。
G1贝雷=32排*12.6m/排*96Kg/m=38707.2kg=39t
（2）立柱上H型钢重量
H型钢采用单排，理论重量：
151kg/m
G2=28×151×2=8456kg=8.456t
Φ529mm钢管重量
Φ529mm钢管壁厚8mm，高9m,间距3.5m,每跨数量共16根，理论重量：
102.08Kg/m。
G3钢柱=9m×102.08Kg/m×16根=14699.52kg=14.7t
钢结构总重：
G=G1+G2+G3=39+8.456+14.7=62.2t，即622KN。
由此，可求得每平方米钢结构自重荷载：
Q7=622/（12.6×28）=1.76KN/m2
箱梁荷载控制值qK＝（Q1+Q2+Q3+Q7）×1.2+（Q4+Q5+Q6）×1.4＝（18.5+1.224+0.7+1.76）×1.2＋（1+2+2）×1.4＝33.6KN/m2
3、钢结构梁、柱强度计算
（1）贝雷梁内力计算（按简支梁模型）
单片贝雷梁的技术指标和力学性能
弹性模量E=2.1×105MPa；
截面惯性矩Ix=2.50497×109mm4；
截面抵抗矩（截面模量）W=3.5785×106mm3；
容许弯矩[M］=788.2KN.m（单排单层）；
容许剪力［Q］=245.2KN（单排单层）；
容许弯曲应力[σw］=210MPa；
容许剪应力［τ］=120MPa。
【贝雷片为16Mn钢，上述参数见《公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）》及《装配式公路钢桥多用途使用手册》】
1组（双排单层）贝雷梁总荷载
q={[Q1+Q2+Q3+G1×10/（12.6×28）]×1.2+（Q4+Q5+Q6）×1.4}×0.9={[18.5+1.224+0.7+39×10/（12.6×28）]×1.2＋（1+2+2）×1.4}×0.9=32.8KN/m2×0.9m=29.52KN/m
贝雷梁最大弯矩计算
Mmax=qL2/8=29.52×12.62/8=585.8KN.m＜2[M］=2×788.2KN.m=1576.4KN.m，故最大弯矩满足要求。
贝雷梁最大挠度计算
fmax=5qL4/[384E（2IX）]=5×29.52×103×12.64/[384×2.1×105×106×（2×2.50497×109×10-12）]=9.21×10-3m=9.2mm＜L/400=12600/400=31.5mm，故最大挠度满足要求。
（2）H型钢次梁内力计算（按等跨连续梁建模）
H型钢的技术指标和力学性能
H*B=588mm*300mm；
截面面积A=192.5cm2；
弹性模量E=2.1×105MPa；
截面惯性矩IX=118000cm4；
截面模量WX=4020cm3；
容许弯曲应力[σw］=145MPa；
容许剪应力［τ］=85MPa。
【H型钢为A3钢，上述参数见《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）】
H型钢线性荷载
q={[Q1+Q2+Q3+（G1+G2）×10/（12.6×28）]×1.2+（Q4+Q5+Q6）×1.4}×（12.6×28）÷（2×28）={[（18.5+1.224+0.7+1.35）×1.2＋（1+2+2）×1.4]}×（12.6×28）÷（2×28）=208.7KN/m
按照实际施工中H型钢及钢管柱的安装，利用MIDAS/CIVIL建模如下图：
迈达斯建模立面图
迈达斯建模立体图
由MIDAS建模后计算出弯矩内力图如下：
迈达斯弯矩分析图
H型钢最大弯矩计算
弯矩在MIDAS中已分析出，弯矩绝对值最大处在位于钢管桩处，弯矩大小由上图可知：
Mmax=218.8KN.m
H型钢应力计算
A、最大抗弯应力：
σw=Mmax/WX=218.8×103/4020×10-6=54.38MPa＜1.3×[σw]=1.3×145MPa=188MPa，故满足要求。
B、最大剪应力:
由迈达斯计算软件运行后得到剪力受力图如下：
迈达斯剪力分析图
由上图可知剪力最大值为Qmax=405.5KN。
故最大剪应力τmax=Qmax/A=405.5KN/1.925×10-2m2=21.1MPa＜1.3×［τ］=1.3×85MPa=110.5MPa，故满足要求。
H型钢最大挠度计算
H型工字钢梁与钢管桩为焊接连接，对于每一横跨的计算可把H型钢看成是两边刚接的荷载均布的简支梁，其最大挠度fmax=qL4/384EIX=208.7×3504/（384×2.1×105×118000）=0.327cm＜L/400=350/400=0.875cm，故满足要求。
（3）钢管立柱计算
钢管立柱的技术指标和力学性能
直径D=529mm，壁厚8mm，A=13094mm2；
容许轴向应力[σ］=140MPa；
容许弯曲应力[σw］=145MPa。
压应力验算
钢管立柱受力计算按照轴心受压构件进行计算，由MIDAS/CIVIL软件计算分析钢管柱，反力图如下：
迈达斯反力计算图
由图可知，最大反力为Qmax=765.2KN,所以求得实际钢柱的截面轴向应力为σ=Qmax/A=765.2KN/13094mm2=58.41MPa＜1.3×[σ]=1.3×140MPa=182MPa，故满足要求。
弯曲应力的计算：
σw=Mmax/W=Mmax/（I/y）
由MIDAS/CIVIL可知钢管柱截面特性如下图：
迈达斯钢管柱截面特性表
由上图可知惯性矩Iz=5.49×10-4m4
钢管柱弯矩图如下：
迈达斯钢管柱弯矩图
由图可知最大弯矩位于钢管桩与H型钢连接处,即
Mmax=53.5KN.m
弯曲应力σ=Mmax/（I/y）=53.5×103/（5.49×10-4÷0.2645
）=25.78MPa＜1.3×[σ]=1.3×145MPa=188.5MPa，故满足要求。
5、人员、材料、机械配备
（1）施工人员配备
序号
工种
数量
职责
1
管理人员
15
组织协调施工
2
电焊工
6
钢管立柱加固、焊接
3
气焊工
4
钢材切割
4
安装工
20
钢管立柱及贝雷梁安装
5
信号工
2
指挥吊装
6
专职安全员
1
现场安全文明施工
7
电工
1
现场临时用电
2、材料配备
材料名称
数量
DN529钢管桩
149t
H型钢
141t
[12型槽钢
40t
贝雷架（国产321，3×1.5m）
492t
15cm*30cm*1cm钢板
2.3t
3、机械设备配备
名称
型号
数量
汽车吊
25T
2
汽车吊
50T
1
挖掘机
PC300
2
铲车
ZL50
1
电焊机
台
4
气焊
套
2
全站仪
拓普康
1台
水准仪
SZ1032自动安平
1台
塔尺
1把
钢尺
50m、30m
2把
6、质量控制
6.1钢管、贝雷片、工字钢、槽钢等主材必须要有出厂合格证，对租赁的材料进行复试，出具相关报告；
6.2条基表面平整，确保钢管立柱与条基接触面严密，钢管立柱与可调顶托等的连接件处焊接要牢固，焊缝要饱满；
6.3地面组装好的贝雷梁采用汽车吊装，支架搭设必须严格控制贝雷梁顶面标高，确保模板安装精度；
6.4严格按照施工方案进行支架搭设，过程中分阶段进行验收，主控项目检查标准见表6.1
表6.1主控项目检查表
序号
检查项目
规定值或允许值
检查方法和频率
1
焊缝
不小于被焊接构件最小截面积的1.5倍
目测、100%检查
2
螺栓连接
设计数量
目测、100%检查
3
钢管立柱高度（cm）
±3
测量、100%检查
4
贝雷梁间距（cm）
±5
尺量、100%检查
5
贝雷梁位置（cm）
±5
尺量、100%检查
6
钢管立柱间距（cm）
±10
尺量、100%检查
7
钢管立柱垂直度（%）
≤0.5
尺量、100%检查
8
钢管立柱与墩身连接节点数量
不少于设计数量
目测、100%检查
9
钢管立柱之间的连接点数量
不少于设计数量
目测、100%检查
10
钢管立柱对工字钢横梁的限位
不少于设计数量
目测、100%检查
11
工字钢横梁与贝雷梁的连接
不少于设计数量
目测、100%检查
12
贝雷梁之间的槽钢的连接
不少于设计数量
目测、100%检查
13
分配梁与贝雷梁之间的连接
不少于设计数量
目测、100%检查
7、安全措施
（1）吊装前应检查机械、夹索吊环等是否符合要求并应进行试吊。
吊装时必须有统一的指挥、统一的信号。
吊装区域应设置警戒线，危险点须设专人监护；
（2）起重吊装的钢丝绳，不准触及有电线路和电焊搭铁线或与坚硬物件摩擦；
（3）起重机吊起满载荷重物时，应先吊起离地面20~50cm，检查起重机的稳定性，制动器的可靠性和绑扎的牢固性等，确认可靠后，才能继续起吊；
（4）从事高空作业的人员，开工前和施工中定期进行体检，凡患有恐高症等不适应高空作业的人员，严禁从事墩上工作；
（5）高空作业人员必须佩带安全帽、系安全带、穿防滑靴，施工人员所持工具必须用绳挂在工具栏内，防止坠落伤人；
（6）悬空高处作业必须设有可靠的安全防护措施；
（7）高处作业与地面联系应有专人负责，或配有通讯设备。
运送人员和物件的各种升降电梯、吊笼，应有可靠的安全装置。
严禁乘坐运送物件的吊栏。
8、环保措施
支架施工时，对周围道路、河流、房屋、公园等的保护、弃土处理、机械噪声控制等应按照国家环保部门规定要求执行，具体措施为：
8.1条基开挖、安装钢管立柱、吊装贝雷等作业应保证有一定的安全距离，跨路施工搭设防护棚架，不破坏或污染既有道路、河流、房屋、植被等；
8.2条基开挖后的土方应进行平整，不得堆放至施工道路上，防止车辆将泥巴带出工地，或产生扬尘，施工完毕后及时回填，防止积水；
8.3采取有效措施控制或降低噪声的产生，通过限定作业时间的方法减少吊机、挖掘机、车辆、切割机等施工机械产生的噪音影响。
9、支架施工技术性能比较
支架性能比较
支架形式
碗口式满堂支架
钢管立柱组合支架
受力结构
受力状况简单、受力分析较简单
传力途径清晰，但受力分析较复杂
安全性能
高度太高，影响整体稳定性，地质情况复杂时，地基处理工作量大，不均匀沉降会降低整体安全性。
施工人员较多，劳动强度大，易发生安全事故，构件单一，抗冲击性较差
构件较大数量少，较容易保证施工安全、机械使用多，易发生机械安全事故。
结构刚柔结合，抗冲击性较强。
地形情况
地形陡峭时，地面平整难度较大，岩土结合部处理难度过大。
地形影响较小
施工难易
基础处理难度大，支架搭设、拆除较容易
施工情况较复杂，构件吊装有些难度，拆除不易
经济性能
基础处理费用高，材料投入量较大，但是较单一，人员数量要求多，机械设备投入相对较少，施工速度较慢，支架总成本较高，经济型较低
基础处理费用较低，材料投入较少，但是形势较多，人员要求少，人员素质要求高，投入机械设备较大，施工速度较快，支架总成本较低，经济型较高。
10、效益分析
1经济效益分析
（1）与满堂支架法相比，本工法省去地基处理费用，响度墩身高低、跨路或跨河有无等情况成本该表不大，而满堂支架法则按高度成比列增加成本。
当高度大于10m后，墩身越高相对成本就越低。
墩身高于20m时，能节约30%40%成本。
（2）与移动模架法相比，本工法设备投入小，可以多点不连续同时施工，可以减少移动模架法间断施工拆装费。
2、社会效益分析
（1）本工法具有对场地要求低、适应性强等特点，为解决现浇混凝土箱梁施工方法上的难点、工期上节点提供了很好的途径；
（2）采用本工法易于进行标准化施工和标准化管理，提高施工管理水平；
3、造价
根据本工法中贝雷架各种材料的用量及当前市场价格，以90天工期计，可计算出每日贝雷架的租赁价格为：
钢管桩0.9元/m/天；工字钢0.9元/m/天
贝雷片2.0元/片/天；槽钢224元/根/6m
钢板4399元/张（15块）；
支撑架0.3元/张/天；
租赁费用：
钢管桩：
18×8×9×0.9=1166.4元/天
工字钢：
28×18×0.9=453.6元/天
贝雷片：
45×28×2.5=3150元/天
支撑架：
46×28×0.3=386.4元/天
合计：
5156.4元/天
固定费用：
钢板：
18×8÷15×4399=42230.4元
槽钢：
（27-0.525×8）×18+4.9×8×9+14×7×9
=410.4+352.8+882
=1645.2
1645.2÷6×224=61420.8元
条基
C30混凝土：
1.2×0.9×28×18=544.32m³
544.32×358=194866.56元
按工期90天成本为：
762593.76元
若同等条件采用脚手架产生成本为：
回填石渣：
132×28×2×1.2=8870.4m³
8870.4×25=221760元
支架工程量：
28/0.9×132×10+132/0.9×28×10=82132m
82132×0.02元/日=1642.64元/日
基础硬化C15：
132×28×0.15×35=19404元
压路机压实（按5日计）：
280×5×8=11200元
按工期90天成本为：
400198元
按工期90计算成本，采用贝雷架产生成本为762593.76元，同条件采用碗口支架产生成本为400198元，高于脚手架施工362395.76元，但是由于施工条件限制、雨季影响及桥梁位于河道以内环境保护等问题，故采用贝雷架施工，在施工过程中，湾底疏港高架工程施工四标段项目经理部，采用合理安排材料进场时间，减少材料在现在堆积产生的费用，严格控制成本，同时加快工期进展，最大限度的减少了成本。
11、应用实例
湾底疏港路高架工程施工四标段为青岛城建集团承建的桥梁工程，其中33#墩柱高度为18.33m~20.06m，临近青岛市黄岛区抱窝村河流内，河道内为海边还填淤泥地质，淤泥层较厚，采用了此工法，目前湾底疏港路高架工程施工四标段33#桥已完成箱梁浇筑，得到了业主、监理、地方的一直认可和好评，很好的体现
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