对于跨越高速公路的现浇梁，在施工过程中要做到梁体施工和高速公路完全分离，同时不影响高速公路上的行车，采用防护棚架是一种比较好的方式。防护棚架布设在施工桥梁下方、高速公路线路上方，将高速公路与施工桥梁隔开，能够防止挂篮施工、箱梁混凝土浇筑、预应力张拉过程中物件和材料的坠落以及施工用水对高速公路上行车的影响。随着我国交通建设的快速发展，采用悬臂施工法跨越线路等构造物的桥梁施工方法越来越多，因此防护棚在跨越线路等构造物的现浇梁施工中的应用也越来越多。但是，由于防护棚架属于临时工程，其设计与施工缺乏系统的、完善的技术指导，因此在防护棚架的设计与施工中必须进行合理的设计和精确的力学检算，以保证防护棚架在桥梁施工过程中起到良好的作用。

　　1 防护棚架的结构

　　新建成昆铁路峨眉至米易EMZQ-10标段泸沽安宁河联络线特大桥上跨G5京昆高速公路攀西段K2214+860处的上部结构为(40+72+40)m连续箱梁，梁体全长153.4 m，高度为2.8～5.6 m，上跨高速公路处梁底与公路路面净高为18.66 m，中间节段采用悬臂挂篮浇筑施工，为使施工不影响到高速公路行车，采用防护棚进行安全防护。

　　防护棚架采用两根钢管立柱通过预埋脚螺栓与混凝土基础连接。同排钢管立柱间通过10 cm槽钢交叉连接作为剪力撑，以加强钢管柱间的横向稳定性。立柱顶部上并列放置2I25a工字钢纵向分配梁。贝雷梁按横向公路布置，间距3～3.5 m，与立柱对应。在相邻两个贝雷梁之间采用自制花架与贝雷片焊接，使所有横向贝雷梁连接成整体，以确保结构的整体稳定性。贝雷梁与纵梁之间采用限位板限位固定。顶面封闭层结构设计为100 mm×100 mm方木+12 mm竹胶板，竹胶板起抗冲击作用。方木布设间距为50 cm，竹胶板满铺。防护棚的侧立面、横剖面布置示意图见图1、图2所示。

　　图1 防护棚侧立面布置示意图

　　图2 防护棚横剖面布置示意图

　　2 防护棚架的检算

　　2.1 主要构件基本参数

　　(1)10 cm×10cm方木，密度m=650 kg/m3，方木截面特性计算：

　　Wx=167 cm3，Ix=833 cm4，A=100 cm2。

　　(2)贝雷梁各主要杆件容许内力取值见表1所示。

　　表1 贝雷梁主要杆件容许内力表(单位：kN)

　　(3)I25a工字钢质量m=38.08 kg/m，Ix=5017 cm4，Wx=401.4 cm3，t=8.0 mm，A=48.51 cm2。

　　(4)Φ325(外径)×6(厚)钢管(立柱)：钢管的重量m=46.88 kg/m，钢管的净面积A=6 009.96 mm2，钢管的惯性矩qk2，钢管的回转半径qk2。

　　(5)Q235钢弹性模量E=2.1×105M/mm2，fy=215M/mm2，fv=125 M/mm2。

　　2.2 荷载的检算

　　2.2.1 分布荷载

　　(1)永久荷载

　　竹胶板按800 kg/m3计算，则竹胶板满铺重量标准值为：

　　pk1=800 kg/m3×0.012 m×9.8 m/s2=94.08 M/m2;

　　10cm×10cm方木自重：qk1=0.10m×0.10m×650kg/m3×9.8 m/s2=63.70 M/m;

　　2I25a工字钢自重：qk2=2×38.08 kg/m×9.8 m/s2=746 M/m。

　　(2)可变荷载

　　基本风压值为0.7 kM/m2。

　　2.2.2 集中荷载

　　只考虑施工人员的活载，按140 kg考虑。则集中荷载标准值：Pk=140 kg×9.8 m/s2=1 372 M。

　　考虑永久荷载分项系数为γG=1.2;可变荷载分项系数为γQ=1.4。

　　2.3 整体模型的建立

　　根据防护棚设计图纸建立有限元模型，采用梁单元模拟纵梁工字钢、方木以及钢管立柱。采用梁单元模拟贝雷梁，其中竖杆、斜杆用桁架单元模拟，竹胶板使用板单元模拟，并且与方木节点采用节点刚性连接，钢管立柱底部采用固结。各种构件的自重由软件按照1.2倍的系数自动计入。有限元模型见图3所示。

　　图3 防护棚架整体模型图

　　解析计算分别取整体模型的纵断面和横断面，在解析计算中连续梁模型计算的值相比于简支梁安全，而实际在施工过程中难以保证连接部位的完全刚性，因此在下面的解析计算中方木使用最不利的单跨简支进行计算。

　　2.4 方木检算

　　方木间距为0.5 m，沿着纵向摆放，因此取单根方木的单跨简支模型。按照最不利最大跨度3.5 m一跨按简支梁进行检算，其设计容许弯曲应力为：σw=13MPa，设计容许剪切应力：τ=1.4MPa。

　　根据有限元软件验算，分析结果见图4、图5所示。

　　图4 单跨方木弯曲应力图(单位：MPa)

　　图5 单跨方木弯剪应力图(单位：MPa)

　　由图4、图5可知，方木最大弯曲应力为11.65 MPa<13 MPa，最大剪应力为0.23 MPa<1.4 MPa，因此方木的强度满足要求。

　　2.5 贝雷梁检算

　　利用有限元软件建立贝雷梁计算模型，采用单片梁进行强度计算和变形验算。按照上述荷载计算可得单片梁线荷载为1.2×(94.08×10-3×3.5×30+63.7×10-3×3.5×70)÷30=1.02kM/m，

　　单片梁集中荷载为：1.4×1.372=1.92kM。部分分析结果见图6、图7所示。

　　图6 贝雷梁弦杆轴力图(单位：kN)

　　图7 贝雷梁位移图(单位：mm)

　　2.5.1 强度检算

　　(1)弦杆根据图6内力云图可知最大轴力位于中间支点处，最大轴力为33.14 kM<弦杆容许轴力560 kM。

　　(2)竖杆根据分析结果的内力云图可知最大轴力位于两端处，最大轴力为15.73 kM<容许轴力210 kM。

　　(3)斜杆根据分析结果的内力云图可知最大轴力位于中支点处，最大轴力为11.51 kM<容许轴力171.5 kM。

　　由以上检算结果可知，贝雷梁的强度满足要求。

　　2.5.2 变形检算

　　贝雷梁非弹性挠度为：

　　=1.63 mm+10.668 mm=12.3 mm <容许挠度[f]=L/400=15 000/400=37.5 mm，满足要求。

　　由以上检算结果可知，贝雷梁强度和刚度均满足要求。

　　2.6 钢管立柱稳定性检算

　　(1)荷载计算

　　根据上部贝雷梁计算，得到支点反力见图8所示，取中支柱最大荷载进行检算。

　　图8 荷载作用下贝雷梁支反力(单位：kN)

　　(2)稳定性检算

　　纵向分配梁为2I25a工字钢，其自重为：σw=15=38.08 kg/m×2×9.8 m/s2=746 M/m;立柱为Φ325 mm×6 mm的钢管，其长度为6.0 m，钢管的重量m=46.88 kg/m。

　　立柱自重：6 m×46.88 kg/m×9.8 m/s2=2 756.41M，施工人员荷载按照最不利直接站立在支柱上，考虑风荷载情况下使得立柱为偏心受压构件，其整体稳定性应满足：

　　Nmax=30720.6 M;

　　计算得112.5 M/mm2≤f=215 M/mm2，稳定性满足规范要求。

　　2.7 立柱基础预埋件检算

　　临时钢管立柱和混凝土基础通过地脚螺栓连接，地脚螺栓作为立柱基础预埋件。此处基础预埋件采用单个最大立柱下的组合荷载(弯矩和竖向力)计算，这种计算简便并且安全系数高。M30地脚螺栓深入混凝土0.5 m，弯勾状横向距离取0.25 m，螺栓之间的间距取0.5 m，由于使用弯钩状地脚螺栓，且从螺栓抗失效的破坏状态可知，其的抗拔承载力主要取决于C15素混凝土的抗剪强度(取1.26 MPa)，其受力计算简图见图9所示。

　　图9 地脚螺栓受力简图

　　取最不利的单剪面进行计算允许抗拔力：fsv=0.5×0.25×1 260=157.5kM;

　　由弯矩和竖向荷载共同作用下对螺栓产生拉力：F1=F2=62/0.5=124 kM;

　　经过最不利情况进行计算可知，基础预埋件满足要求。

　　2.8 地基检算

　　在高速公路桥梁两侧地面上人工开挖长、宽、高为1 m×1 m×1 m的基坑。基坑整平后对基底夯实处理，承载力达到要求后立模灌筑混凝土，并在基础内预埋700 mm×700 mm×10 mm钢板、M30地脚螺栓，以备与立柱连接。施工京昆高速公路桥梁两侧地面上的钢管支撑基础时，采用彩条布铺底，钢模板立模灌筑混凝土，混凝土采用罐车运输，人工倒运浇筑。

　　扩大基础选用100 cm×100 cm×100 cm混凝土刚性基础;

　　则扩大基础传递给地基的作用力为：

　　容许地基承载力为

　　满足施工要求。

　　3 结束语

　　通过对防护棚架的检算可知，防护棚架的力学性能满足桥梁施工的要求。检算确保了防护棚架的设计质量和防护效果，确保了既有行车绝对安全，最大限度地减少了梁体施工对高速公路运营的干扰。在梁体施工过程中，由于采取了防护棚结构，使桥梁施工未对高速公路的正常运营造成任何干扰，起到了良好的防护效果。

文章转自：《科学与财富》 2019年第19期 作者：陈百鹏