張小川

(中鐵大橋局集團有限公司，湖北武漢430050)

1 牽索掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

目前，預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋懸臂澆筑施工常采用牽索掛籃。懸澆主梁節(jié)段混凝土由已澆筑主梁節(jié)段和斜拉索共同承受。

牽索掛籃按縱橋向受力可分為長平臺牽索掛籃與短平臺復(fù)合型牽索掛籃。長平臺牽索掛籃在縱橋向為超靜定結(jié)構(gòu)，需假定一個合理的已知條件，才能順利求解。短平臺復(fù)合型牽索掛籃為普通掛籃與前端牽索的結(jié)合，其工作原理為前吊桿與牽索共同作用，前吊桿在于保持掛籃前端標(biāo)高，其受力在零與最大承載力之間，中間索力需與前吊桿受力相匹配，避免前吊桿受壓和超過最大承載力。

2 總體設(shè)計

2.1 設(shè)計控制因素

(1)掛籃的種類和總重。掛籃總重約為標(biāo)準(zhǔn)主梁節(jié)段重量的35%～50%。

(2)掛籃走行方式。通常采用掛鉤和反力輪走行，此種方式用料較省，頂推在梁頂進行，操作方便。當(dāng)斜拉索外側(cè)空間無法設(shè)置掛鉤的走行滑道，或者主梁橋面板承載不滿足要求時，可設(shè)置梁頂桁架，采用前后簡支吊點的形式，拖拉掛籃前行。

(3)掛籃的安裝方式分兩種，一種為整體提升，另一種為散件拼裝。掛籃安裝宜采用整體提升，且吊點不宜超過4個，同時避免采用尾部壓重的提升方式，減小施工風(fēng)險。散件拼裝時，可設(shè)置臨時調(diào)節(jié)裝置，以控制構(gòu)件的變形和轉(zhuǎn)角，利于安裝。

(4)已澆筑主梁節(jié)段的拉、壓應(yīng)力。在主梁節(jié)段施工過程中，斜拉索按中間索力分次張拉之后，對已澆筑主梁節(jié)段上、下緣產(chǎn)生的拉、壓應(yīng)力是否滿足要求。

(5)主梁橫隔板混凝土應(yīng)力。橫隔板通常設(shè)置橫橋向鋼絞線預(yù)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)吊掛受力較大時，應(yīng)檢算橫隔板混凝土拉壓應(yīng)力是否滿足要求。

(6)結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定和節(jié)點連接滿足規(guī)范要求，包括整體強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、螺栓節(jié)點連接和焊縫強度等。

2.2 斜拉索的張拉次數(shù)

斜拉索的張拉次數(shù)與掛籃重量負相關(guān)，當(dāng)斜拉索張拉次數(shù)太少時，將會增加掛籃的重量。但斜拉索的張拉次數(shù)并不是越多越好，張拉次數(shù)太多時，由于澆筑和張拉的時間太長，對混凝土的應(yīng)力控制不利。在同一座橋梁當(dāng)中，當(dāng)主梁各節(jié)段混凝土重量相差較大時，斜拉索張拉次數(shù)可根據(jù)重量的不同設(shè)置不同的張拉次數(shù)。

(1)主梁節(jié)段混凝土的重量。根據(jù)掛籃的受力模式，首先是張拉索力對掛籃產(chǎn)生作用，然后是每次澆筑的混凝土產(chǎn)生的作用與其相抵消，此種受力模式循環(huán)進行，直至混凝土澆筑完成。因此，當(dāng)每次澆筑混凝土的重量越大時，張拉索力就越大，其對掛籃產(chǎn)生的作用也越大，相應(yīng)就會增加掛籃構(gòu)件的內(nèi)力，使掛籃重量增加。

(2)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙對掛籃總重的控制要求。通常情況下，設(shè)計單位和監(jiān)控單位會根據(jù)掛籃總重進行全橋施工過程檢算，以確保施工過程中主梁、斜拉索的應(yīng)力不會超標(biāo)。當(dāng)掛籃與懸澆梁段混凝土的重量比越小時，應(yīng)增加斜拉索的張拉次數(shù)。

2.3 中間索力確定

牽索掛籃在每個主梁節(jié)段的施工過程中，通常分為N個工況，每個工況的中間索力均不同，中間索力介于零和成橋索力之間。

2.3.1 長平臺牽索掛籃的中間索力

長平臺牽索掛籃的中間索力可由以下3種方法確定。

(1)第一種方法，把掛籃主縱梁按連續(xù)梁受力模式確定豎向支點反力，再根據(jù)支點反力與中間索力產(chǎn)生的豎向力相等來反算中間索力。(T+ΔT)sinα=F，其中，T為張拉索力，ΔT為每次混凝土澆筑以后產(chǎn)生的索力增量。受力模式見圖1。

(2)第二種方法，根據(jù)已知條件，主縱梁的最大抗彎能力、中吊桿和后吊桿的最大抗拉能力反算中間索力的最大值和最小值，然后取中間值，再代入全橋模型，根據(jù)全橋已澆筑主梁混凝土和斜拉索的應(yīng)力情況進行索力微調(diào)。受力模式見圖2。

圖1 第一種方法受力模式

圖2 第二種方法受力模式

如圖2所示，其中T表示斜拉索中間索力。α表示斜拉索豎向角度。W表示主梁重量。G表示掛籃自重。R1表示后吊桿反力。R2表示中吊桿反力。R3表示止推鍵反力。牽索掛籃結(jié)構(gòu)受力平衡方程為：

(3)第三種方法，根據(jù)混凝土澆筑完成以后主梁懸臂節(jié)段前端變形為零確定中間索力的大小，受力模式見圖3。

2.3.2 短平臺復(fù)合型牽索掛籃的中間索力

短平臺復(fù)合型牽索掛籃受力模式見圖4。

圖3 第三種方法受力模式

圖4 短平臺受力模式

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

牽索掛籃主要由以下幾部分組成：承重系統(tǒng)、牽索接長系統(tǒng)、吊掛系統(tǒng)、止推系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、模板系統(tǒng)和操作平臺。

3.1 承重系統(tǒng)

承重系統(tǒng)設(shè)計時需注意以下幾點。一是由斜拉索產(chǎn)生的水平力與止推鍵之間的力的傳遞路徑明確；二是主梁橫隔板和頂板的模板等能否隨掛籃直接走行，否則需下降一定范圍或者采用重復(fù)拆裝的方式以滿足走行要求；三是前橫梁的最大撓度是否滿足要求。

前橫梁最大撓跨比通常取為0.1%～0.15%之間，當(dāng)前橫梁最大撓度不滿足要求時，需采取措施以控制其豎向變形。控制變形的主要方式有：

((1)前橫梁可設(shè)置為梁加加勁桁的組合結(jié)構(gòu)，增大橫橋向剛度；

(2)前橫梁可沿橫橋向布置體外預(yù)應(yīng)力，設(shè)置預(yù)拱度；

(3)在主縱梁之間設(shè)置拱架，把混凝土直接傳遞到主縱梁，可減少前橫梁傳遞的混凝土重量。

3.2 牽索接長系統(tǒng)

斜拉索按空間狀態(tài)可分為平面索與三維索。當(dāng)為三維索時，牽索接長裝置需同時適應(yīng)縱橋向和橫橋向的變化?？v橋向的變化通過弧形來實現(xiàn)；橫橋向變化通過在張拉分配梁上設(shè)置合適的曲面來實現(xiàn)。

當(dāng)牽索接長裝置安裝完成以后，由于每個工況拉索角度的不斷變化，使?fàn)恳娱L桿與斜拉索不共線，從而產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力和疲勞應(yīng)力，造成接長桿產(chǎn)生脆斷。因此，需設(shè)置自適應(yīng)的轉(zhuǎn)動錨座，使接長桿與斜拉索始終僅承受軸拉力。

3.3 吊掛系統(tǒng)

在施工過程中，吊掛系統(tǒng)的受力是一個變化的過程，預(yù)拉力需大于其承受的最大拉力，以保證不漏漿和避免掛籃的相對滑移。

吊掛系統(tǒng)除需滿足普通承載和掛籃升降的要求以外，還需考慮極端工況下掛籃的安全性。如牽索接長系統(tǒng)由于重復(fù)張拉產(chǎn)生的微裂紋而斷裂，此時主縱梁和中吊桿成為主要受力構(gòu)件，即使?fàn)克鹘娱L系統(tǒng)斷裂加上沖擊的影響也不會造成掛籃的整體掉落，最多使掛籃前端的變形較大。中吊掛在極端工況下，應(yīng)力可按鋼材強度設(shè)計值取值。

3.4 止推系統(tǒng)

斜拉索產(chǎn)生的水平力由止推鍵傳遞至主梁。當(dāng)混凝土澆筑完成以后，其中間索力并沒有達到最大值。當(dāng)斜拉索的索力由牽索掛籃轉(zhuǎn)移到主梁的時候，通常會再張拉一定比例的索力，以方便移除牽索接長裝置，即退索力。因此，止推系統(tǒng)的設(shè)計需以退索力產(chǎn)生的最大水平力來控制。同時，止推系統(tǒng)的設(shè)計需考慮混凝土主梁的局部承壓能力。

3.5 走行系統(tǒng)

走行系統(tǒng)可分兩種，一種為采用掛鉤+反力輪走行，另一種為梁頂桁架+后滑框走行。通常情況下多采用掛鉤+反力輪走行方式(圖5)，此種方式用料較省，頂推在梁頂進行，操作方便。由于掛籃大部分構(gòu)件均位于前部，因此，掛籃重心亦位于前部。為保證掛籃的平衡，設(shè)置反力輪，則反力輪對掛鉤位置處產(chǎn)生的力矩與掛籃自重產(chǎn)生的力矩相等，滿足掛籃的瞬時平衡。

圖5 掛籃走行圖

只有當(dāng)斜拉索外側(cè)空間無法設(shè)置掛鉤的走行滑道，或者懸臂翼緣板的承載力不滿足要求時才選用梁頂桁架+后滑框走行方式。因設(shè)置梁頂桁架將使掛籃的總重量增加約20%，并且此種方式分為兩次走行，第一次梁底構(gòu)件走行，第二次為梁頂桁架走行。

4 數(shù)值模擬

4.1 計算工況(按2次張拉)

工況Ⅰ：空載，掛籃安裝完畢；

工況Ⅱ：第一次斜拉索張拉；

工況Ⅲ：澆筑50%混凝土；

工況Ⅳ：第二次斜拉索張拉；

工況Ⅴ：澆筑100%混凝土；

工況Ⅵ：掛籃整體下降；

工況Ⅶ：走行。

4.2 數(shù)值模擬

牽索掛籃的計算主要有：

1)在方案設(shè)計階段，牽索掛籃可建立簡化桿系單元模型。主要構(gòu)件可采用桿單元，按施工步驟進行加載，確定每個構(gòu)件的受力最不利工況，然后根據(jù)計算結(jié)果確定掛籃主要構(gòu)件的截面。

(2)在施工設(shè)計階段，需建立模擬程度較高的實體模型。通常采用大型通用有限元程序建模，例如ANSYS、MIDAS等。薄壁構(gòu)件可采用殼單元或者板單元，細長構(gòu)件可采用梁單元或者桁架單元，邊界條件需與實際情況一致，同時進行中后吊掛的預(yù)張拉，并根據(jù)混凝土澆筑情況進行混凝土加載，再進行施工階段分析。實例如圖6。

(3)在細部設(shè)計階段，應(yīng)進行細部結(jié)構(gòu)分析。例如截面突變或者承受集中力較大的部位，可建立實體模型進行細部分析。

(4)在混凝土主梁結(jié)構(gòu)受力驗算階段，應(yīng)建立全橋平面或者三維模型。當(dāng)建立平面模型時，應(yīng)把牽索掛籃的縱橋向折算剛度加入模型，按實際步驟進行加載，然后查看主梁的上下緣的拉壓應(yīng)力和斜拉索的最大內(nèi)力是否滿足要求。

(5)在主體結(jié)構(gòu)混凝土橫梁受力驗算階段，頂板的計算寬度參照規(guī)范，取T形截面梁的翼緣有效寬度，建立預(yù)應(yīng)力T梁模型。預(yù)應(yīng)力按成橋狀態(tài)張拉，再加載中內(nèi)吊掛的集中力，然后查看橫梁的上下緣的拉壓應(yīng)力是否滿足要求。

圖6 計算模型實例

4.3 計算結(jié)果分析

(1)在空載工況，根據(jù)中后吊掛的反力確定掛籃的整體重量，檢查其是否與設(shè)計重量一致。然后根據(jù)力矩平衡確定掛籃重心距離中吊掛的距離，用于復(fù)核掛籃升降和走行時的反力。

(2)根據(jù)實體模型，復(fù)核每次混凝土的加載數(shù)量與實際澆筑的數(shù)量是否一致。

(3)通過簡化桿系單元模型和實體模型的計算結(jié)果，對比每個工況的支點反力、位移、應(yīng)力和中間索力，然后根據(jù)實體模型調(diào)整桿系單元模型，用于節(jié)點設(shè)計等。

(4)當(dāng)混凝土主梁上下緣拉壓應(yīng)力不滿足要求時，可增加張拉次數(shù)，以減小主梁受力。

(5)當(dāng)混凝土橫梁上下緣拉壓應(yīng)力不滿足要求時，可改變中內(nèi)吊掛的橫橋向位置，或者設(shè)置拱架直接把混凝土荷載傳遞到掛籃主縱梁，即可減小橫梁的受力。

5 結(jié)束語

牽索掛籃的設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，涉及知識面廣。其整體結(jié)構(gòu)需布置合理，傳力路徑明確，易于加工、裝拆與施工操作方便，盡量減少現(xiàn)場的焊接作業(yè)，以提高可靠度。整體設(shè)計必須保證掛籃的各工況的構(gòu)件強度和穩(wěn)定性，以及掛籃縱橫向剛度。對主要構(gòu)件和重要受力部位設(shè)定必要的加工工藝，如制孔要求、焊縫形式、焊接順序、精度要求等。

[1] 姜竹生,孫勝江,冷雪浩.五河口斜拉橋施工控制中間索力的確定方法[J]. 公路,2006(5)

[2] 李宗長,唐宏路,張志長.牽索式掛籃設(shè)計及施工若干問題的探討[J].交通科技,2005(5)