龍秋亮

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 工程概況

長(zhǎng)沙市三一大道瀏陽河大橋位于長(zhǎng)沙市開福區(qū)，起自德雅路與三一大道平交處，向東穿越四方坪立交橋，跨越瀏陽河，經(jīng)月湖公園，止于萬家麗跨線橋西側(cè)，是瀏陽河長(zhǎng)沙段最寬的橋梁，京港澳國(guó)家高速公路長(zhǎng)沙連接線的控制性工程。路線全長(zhǎng)為2.3 km，其中大橋全長(zhǎng)828 m，寬度42 m，全橋位于直線段，部分縱面位于－2.4%和2.4%直線縱坡段，其余位于R=8 000，T=144 的豎曲線上。

主橋采用58 m+3 ×96 m+58 m 五跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主橋上部箱梁為變截面單箱雙室斷面，箱梁梁高、底板厚度均按圓曲線變化。主跨箱梁根部梁高(箱梁中心線)為560 cm，跨中梁高(箱梁中心線)為 270 cm，箱梁頂板全寬為2 050 cm，厚 度 25 cm。 底 板 寬 度 957.7～1 180.8 cm，厚度為73.6～30 cm。腹板厚度分別為75 cm 及50 cm。箱梁在花瓶墩墩頂處設(shè)300 cm 厚的橫隔板。

主跨箱梁?jiǎn)巍癟”共分12 段懸臂澆筑，0 號(hào)梁段長(zhǎng) 12 m，其余 1～12 號(hào)梁分段長(zhǎng)為(7 × 300+5 ×400)cm，邊跨、次邊跨、中跨合攏段都為2 m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)10 m。主跨T 及邊跨T 按6～9 號(hào)墩共4 個(gè)“T”對(duì)稱懸臂現(xiàn)澆施工，0 號(hào)梁段采用鋼管樁支架現(xiàn)澆，其余梁段采用掛籃懸臂現(xiàn)澆，懸澆最重梁段為1 794 kN。全橋合攏順序?yàn)?先合攏兩個(gè)邊跨，接著合攏次邊跨，最后合攏中跨。

2 掛籃選型

根據(jù)箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合在其他同類型橋施工中的經(jīng)驗(yàn)，三一大道瀏陽河主橋擬定采用菱形掛籃進(jìn)行箱梁懸臂澆筑施工，掛籃總重為約56 t。其優(yōu)點(diǎn)在于:菱形掛籃的各部件受力明確，易于精確地進(jìn)行受力分析計(jì)算;另外掛籃部件的加工制造和運(yùn)輸安裝都能達(dá)到簡(jiǎn)便、迅速的目的。

3 菱形掛籃構(gòu)造

菱形掛籃結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、操作空間大、一次移動(dòng)到位。如圖1所示，瀏陽河大橋菱形掛籃由主桁系統(tǒng)、行走錨固系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、底籃系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、平臺(tái)防護(hù)系統(tǒng)、前后上橫梁、吊掛系統(tǒng)、輔助部件等組成。

3.1 掛籃的主桁架系統(tǒng)

菱形掛籃的主要承重結(jié)構(gòu)是兩片菱形桁架，每片桁架由5 根受力桿件銷結(jié)而成。每片桁架的主梁是由2［36 槽鋼組焊而成，前上橫梁與菱形主桁架采用Φ32 mm 精軋螺紋鋼聯(lián)結(jié)，形成桁架受力結(jié)構(gòu)承受前懸吊所產(chǎn)生的荷載。

3.2 掛籃橫梁的懸吊系統(tǒng)

懸吊系統(tǒng)由前上橫梁、底模前后吊帶及千斤頂?shù)冉M成。掛籃底模前吊帶采用8 根ΦJ32 精軋螺紋鋼，每2 根一組，錨固于前上橫梁;底模后吊帶采用Φ32 mm(PSB830 級(jí))精軋螺紋鋼，通過千斤頂分別錨固于后上橫梁兩側(cè)、兩端翼板的倒角、已澆箱梁段底板上。每組吊帶用2 個(gè)320 kN 手動(dòng)螺旋式千斤頂通過扁擔(dān)梁調(diào)節(jié)底模的標(biāo)高。

圖1 掛籃縱、橫斷面示意圖(單位:mm)

3.3 掛籃的后錨固系統(tǒng)

后錨是主桁架的自錨平衡裝置，由錨固扁擔(dān)梁、連接錨桿、豎向預(yù)應(yīng)力筋以及千斤頂?shù)冉M成。掛籃的后端用φJ(rèn)25 精軋螺紋鋼和后錨扁擔(dān)梁把菱形主構(gòu)架后節(jié)點(diǎn)錨固在軌道上，錨固時(shí)應(yīng)使后支座反扣輪脫離軌道，使后錨力全由精軋螺紋承擔(dān)。后錨桿用采用 2 ×2 根材質(zhì)為 40CrNiMo，直徑 φ40 的低合金鋼鍛件加工而成錨桿。

3.4 行走系統(tǒng)

掛籃的行走系統(tǒng)包括主梁后錨壓、滑道和牽引設(shè)備，行走前在主桁架下鋪設(shè)雙排鋼軌和組合滾輪，在梁上預(yù)埋鐵槽鋼作錨固端，穿入鋼鉸線，拆洗后錨固，用單孔千斤頂拉動(dòng)掛籃前進(jìn)。

3.5 掛籃的模板系統(tǒng)

掛籃的底模采用定型鋼模板，規(guī)格為4.2 m ×2 m，外模板采用14#槽鋼拼裝支架貼6 mm 厚鋼板，外側(cè)模及箱梁翼緣板采用10 號(hào)槽鋼焊接斜撐。內(nèi)模腹板、頂板采用竹膠板。內(nèi)模用10 cm×10 cm 方木，外模采用10 號(hào)槽鋼作強(qiáng)架，用螺紋拉桿拉緊，使之形成一個(gè)整體。內(nèi)模采用竹膠板便于裝拆和修改。為防止模板變形，模板采用10 cm×10 cm 方木加工成整體桁架支撐。內(nèi)頂桁架支承在2 根分配梁上，上鋪10 cm×10 cm 方木和竹膠板。腹板內(nèi)外側(cè)采用Φ16 拉桿對(duì)拉。每段梁采用3 道拉桿，水平間距0.8 cm。掛籃的模板示意圖如圖2。

圖2 掛籃的模板示意圖

4 掛籃拼裝

在0#塊澆筑完成后，進(jìn)行菱形掛籃的拼裝，拼裝的順序?yàn)?軌道中心線放樣→軌道安裝→菱形桁架拼裝→后錨系統(tǒng)→安裝主梁平聯(lián)→安裝前橫梁→安裝中后橫梁→安裝懸吊系統(tǒng)→底籃底模安裝→工作平臺(tái)。

在掛籃拼裝之前，應(yīng)編制掛籃安裝專項(xiàng)方案;調(diào)平行走軌道中心線(兩側(cè)行走軌道中心線調(diào)平層面高差不得超過1 mm)。

5 掛籃加載試驗(yàn)

5.1 預(yù)壓方法

在掛籃拼裝完畢之后，為了掛籃的安全施工，必須對(duì)掛籃進(jìn)行預(yù)壓，消除掛籃主桁、吊帶及底籃的非彈性變形，檢驗(yàn)掛籃結(jié)構(gòu)的安全性。通過測(cè)量掛籃在各級(jí)靜力試驗(yàn)荷載作用下的變形，了解掛籃結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)時(shí)的撓度變化規(guī)律，以便準(zhǔn)確地控制梁體的線形。本橋根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用沙袋堆載方法對(duì)掛籃進(jìn)行預(yù)壓。預(yù)壓加載力取1.2 倍最大靜載重作為壓載總重。本橋懸臂澆筑最重梁段為1 794 kN，則每套掛籃試壓的總重為2 153 kN。

5.2 測(cè)點(diǎn)布置

掛籃布置的觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)的項(xiàng)目有后錨上撓值、前支點(diǎn)沉降值、上前橫梁吊帶處變形、下前橫梁吊帶處撓度。觀測(cè)點(diǎn)詳細(xì)設(shè)置如下:

1)掛籃主梁頂面的觀測(cè)點(diǎn)。

每根主梁的后錨處設(shè)置1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，即測(cè)點(diǎn)1 —1、1—2、1—3;每根主梁的前支腿處設(shè)置 1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，即測(cè)點(diǎn)2—1、2—2、2—3。

2)上前橫梁頂面的觀測(cè)點(diǎn)。

每個(gè)掛籃上前橫梁的6 處吊桿處各設(shè)置1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，即點(diǎn)測(cè)3—1、3—2、3—3、3—4、3—5、3—6。

3)下前橫梁頂面的觀測(cè)點(diǎn)。

每個(gè)掛籃下前橫梁的6 處吊桿處各設(shè)置1 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，即測(cè)點(diǎn)4—1、4—2、4—3、4—4、4—5、4—6。

5.3 預(yù)壓加載

在預(yù)壓準(zhǔn)備完成之后，對(duì)同一個(gè)主墩2 個(gè)掛籃預(yù)壓要求同時(shí)進(jìn)行，分5 級(jí)進(jìn)行加載，分別為30%、50%、80%、100%、120%;卸載分3 級(jí)按照80%、50%、0 進(jìn)行。每一級(jí)加載、卸載完畢1 h 后讀1 次水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，每隔2 h 的變形不超過1 mm 時(shí)認(rèn)為變形穩(wěn)定，進(jìn)行下一級(jí)加/卸載，加載過程中同時(shí)觀察結(jié)構(gòu)變化情況。根據(jù)在各個(gè)荷載作用下的掛籃豎向位移，繪制荷載與變形的曲線，了解箱梁最不利塊段施工時(shí)掛籃前端最大撓度，以便準(zhǔn)確地控制梁體線形。

由于掛籃變形受日照溫差的影響，根據(jù)公式L1=L0(1+aΔt0)計(jì)算，掛籃構(gòu)件中吊帶變形受溫差影響最大，在溫差達(dá)10 ℃時(shí)，變形之差為1.1 mm。為了準(zhǔn)確測(cè)得掛籃變形值，加載試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)選擇在溫差較小的時(shí)間段進(jìn)行。

5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以2#墩西側(cè)菱形掛籃懸臂澆筑最重梁段時(shí)的實(shí)際施工工況為例，掛籃加載試驗(yàn)完畢后，菱形掛籃上前橫梁頂面測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)成果如表1所示。

表1 2#墩西側(cè)菱形掛籃上前橫梁頂面各測(cè)點(diǎn)預(yù)壓試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

從表1中可看出:2#墩西側(cè)菱形掛籃上前橫梁頂面的非彈性變形值分別為8、8、8、10、9 和8 mm。測(cè)點(diǎn)在加載和卸載過程中彈性變形值如表2所示。

表2 2#墩西側(cè)菱形掛籃上前橫梁頂面各測(cè)點(diǎn)彈性變形值

6 菱形掛籃有限元模擬分析

為了驗(yàn)算預(yù)壓加載試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對(duì)菱形掛籃懸臂澆筑最重梁段時(shí)的工況進(jìn)行受力分析。采用有限元軟件ANSYS，建立簡(jiǎn)化的空間力學(xué)模型(見圖3)。

圖3 瀏陽河大橋菱形掛籃有限元分析模型

假定菱形掛籃構(gòu)件為彈性材料，桁架桿件、吊桿采用Link8 桿單元模擬，其余構(gòu)件按梁?jiǎn)卧幚?，選用Beam188 梁?jiǎn)卧M。掛籃主要構(gòu)件采用普通鋼材，彈性模量取210 GPa，泊松比取0.33，容重取7 800 kg/m3。設(shè)計(jì)荷載選取如下:①鋼筋混凝土的容重26 kN/m3;②人群及機(jī)具計(jì)算荷載3.0 kN/m2;③混凝土振搗荷載4.0 kN/m2;④箱梁混凝土澆筑時(shí)的超載系數(shù)取1.05;⑤新澆筑混凝土?xí)r的動(dòng)力系數(shù)取1.2;⑥掛籃空載行走時(shí)的沖擊系數(shù)取1.3;⑦澆筑混凝土和掛籃行走時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)2.0。

6.1 菱形掛籃預(yù)壓加載結(jié)構(gòu)變形分析

對(duì)菱形掛籃預(yù)壓工況模擬計(jì)算時(shí)，只考慮彈性變形，計(jì)算得到2#墩西側(cè)菱形掛籃上前橫梁頂面的變形結(jié)果，如表3所示。

表3 2#墩西側(cè)菱形掛籃上前橫梁頂面各測(cè)點(diǎn)彈性變形ANSYS 計(jì)算值

根據(jù)表2、表3，可繪制菱形掛籃荷載－彈性變形曲線(見圖4)。從圖4可知，菱形掛籃各個(gè)測(cè)點(diǎn)的彈性變形與菱形掛籃荷載基本呈線性關(guān)系，即構(gòu)件在材料線性彈性范圍內(nèi)工作;在各級(jí)荷載作用下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的彈性變形值比計(jì)算值小，掛籃結(jié)構(gòu)在荷載安全系數(shù)為1.2 時(shí)均處于正常工作范圍。由此可見，掛籃各部件的結(jié)構(gòu)變形均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 瀏陽河大橋菱形掛籃荷載－彈性變形曲線

6.2 菱形掛籃預(yù)壓加載結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

菱形掛籃懸臂澆筑時(shí)，箱梁翼緣板混凝土重量和兩側(cè)模板重量通過外滑梁分別由前一段已澆筑的箱梁翼板和掛籃主桁的前橫梁承擔(dān);箱梁頂板混凝土和內(nèi)模重量通過內(nèi)滑梁分別由前一段已澆筑的箱梁頂板和掛籃主桁的前橫梁承擔(dān);箱梁底板、腹板混凝土重量及掛籃底籃平臺(tái)重量分別由前一段已澆筑的箱梁和掛籃主桁的前橫梁承擔(dān)。

菱形掛籃有限元分析得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

分析表4的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以得出，菱形桁架桿件、吊桿只承受拉壓作用，受力明確。前上橫梁承受前下橫梁通過吊帶傳遞的拉力，而箱梁的重量直接從底板縱梁傳遞至前下橫梁，表4中前上橫梁承受的彎矩最大，從而會(huì)導(dǎo)致前上橫梁的變形加大。在設(shè)計(jì)掛籃的時(shí)候應(yīng)該提高前上橫梁的剛度(增加截面面積或者材料的彈性模量)來減小變形。底板后吊桿、短吊桿應(yīng)力跟其他吊桿的應(yīng)力相比偏大，在掛籃設(shè)計(jì)的時(shí)候同樣需要提高其剛度。

通過有限元對(duì)菱形掛籃構(gòu)件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析計(jì)算，可以掌握掛籃在施工中各構(gòu)件的受力性能，為掛籃的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性意見，為掛籃的安全施工提供理論保障。

表4 菱形掛籃構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

7 結(jié)語

菱形掛籃受力明確，易于進(jìn)行精確的受力分析，本文結(jié)合工程實(shí)踐，利用ANSYS 對(duì)菱形掛籃進(jìn)行有限元分析，建立空間力學(xué)模型，模擬掛籃加載。

1)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，簡(jiǎn)化的有限元模型得到的彈性變形與實(shí)際觀測(cè)得到的彈性變形結(jié)果基本呈線性關(guān)系，因此對(duì)菱形掛籃進(jìn)行有限元分析是非常重要，根據(jù)分析結(jié)果，不但可以在施工過程中控制梁體線形，還可以根據(jù)計(jì)算得到的彈性變形，為后期的預(yù)壓和確定立模標(biāo)高提供依據(jù)。

2)得到的力學(xué)性能參數(shù)可以改進(jìn)掛籃設(shè)計(jì)，為掛籃的安全施工提供理論保障。

［1］JTJ 025 －86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］雷俊卿.橋梁懸臂施工與設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［3］楊文淵，徐 犇.橋梁施工工程師手冊(cè)(第二版)［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［4］朱海軍，吳 剛，劉中濤.懸臂現(xiàn)澆箱梁菱形掛籃施工技術(shù)［J］.公路交通科技應(yīng)用技術(shù)版，2013，106(10):14 －19.

［5］曹翠萍.大跨度箱形連續(xù)梁菱形掛籃懸灌施工技術(shù)［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2003，13(11):243 －244.

［6］魏賢華.菱形掛籃設(shè)計(jì)與施工［J］.橋梁建設(shè)，2005(1):42 －45.

［7］胡 永，丁 靖，閆子才.超寬橋面掛籃設(shè)計(jì)與受力分析［J］.湖南交通科技，2007，33(1):105 －108.