齊云慧

（福建省交通建設(shè)工程監(jiān)理咨詢(xún)公司，福建福州350000）

0 前言

移動(dòng)模架造橋機(jī)是世界橋梁施工的先進(jìn)工法，在我國(guó)被廣泛使用于跨線橋及跨海大橋的等寬截面箱梁施工中[1]。但是，國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)有采用移動(dòng)模架施工截面變寬度箱梁工程的報(bào)道[2]。泉州灣跨海大橋工程A5合同段秀涂互通主線橋工程首創(chuàng)變寬度移動(dòng)模架施工工法，在實(shí)踐當(dāng)中取得了良好的效果，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

本文的主要目的就是以泉州灣跨海大橋工程A5合同段秀涂互通主線橋?yàn)橐劳泄こ探榻B變寬度移動(dòng)模架的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及對(duì)其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。

1 工程概述

泉州灣跨海大橋工程A5合同段秀涂互通主線橋處于潮汐區(qū)（見(jiàn)圖1），且位于江河入?？?，沉積大量的泥砂層，考慮施工質(zhì)量、安全、成本，以及借鑒類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，決定采用移動(dòng)模架施工。

圖1 泉州灣跨海大橋工程A5合同段秀涂互通主線橋平面布置圖

秀涂互通主線橋互通區(qū)主線橋橫截面有單箱單室箱梁等寬段，以及由單箱雙室變?yōu)閱蜗淙一蛘咚氖倚备拱宓牡雀咦儗捪淞簲嗝嫘问健；炷料淞簲嗝嫘问綇?fù)雜多樣，既有16.5 m和20.25 m兩種等寬的標(biāo)準(zhǔn)斷面，又有變寬的漸變斷面，最寬斷面為31.576 m（右幅B028-B027）?？梢钥闯觯阃炕ネㄖ骶€橋上部箱梁施工難度最大的部分是漸變段施工。由于箱梁斷面寬度由16.5 m漸變到31.576 m，墩身寬度也相應(yīng)加寬了約4 m；并且施工荷載變化較大，最輕施工梁段42 m，混凝土量為476.4 m3，最重施工梁段 58 m（右幅 B028-B027），混凝土量為1 616 m3。

可以看出為了保證秀涂互通主線橋工程施工質(zhì)量與安全，設(shè)計(jì)合理、便于施工，同時(shí)又能保證安全的變寬度移動(dòng)模架的就成為工程的關(guān)鍵。

2 變寬度移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

變寬度移動(dòng)模架總體結(jié)構(gòu)仍與傳統(tǒng)等寬度移動(dòng)模架大致相同，由主梁、鼻梁、牛腿、推進(jìn)平車(chē)、橫梁、外模板等組成。泉州灣跨海大橋秀涂互通主線橋移動(dòng)模架全長(zhǎng)1 36.4 m，前后鼻梁為箱型桁架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)30m。主梁為鋼箱梁，長(zhǎng)76.4m，高5m，寬2.5 m。每一部分都配有相應(yīng)的液壓或機(jī)械系統(tǒng)。主體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

2.2 主梁

變寬度移動(dòng)模架由于箱梁荷載噸位大，一般應(yīng)采用兩組受力性能良好的箱形截面[3]，作為模架的骨架承受荷載，對(duì)于較大跨徑，對(duì)其剛度和強(qiáng)度的要求也應(yīng)相應(yīng)提高。另外還要考慮模架的縱向行走過(guò)孔，因此主梁宜采用空腹鋼箱梁，并在縱向適當(dāng)挖成橢圓洞，以減輕自重并使外形美觀。模架鋼結(jié)構(gòu)主梁的梁內(nèi)宜設(shè)置斜撐及隔板等，以提高主梁局部承載能力及抗扭剛度。同時(shí)在主梁內(nèi)、系統(tǒng)頂升支點(diǎn)及橫梁連接處作局部加強(qiáng)構(gòu)造。圖3為其主梁斷面圖。

圖2 泉州灣跨海大橋變寬度移動(dòng)模架造橋機(jī)總體布置圖

2.3 模板橫梁

模板橫梁通常是通過(guò)機(jī)械支撐系統(tǒng)進(jìn)行豎向和橫向調(diào)整，橫梁制造應(yīng)分為標(biāo)準(zhǔn)模板橫梁和加長(zhǎng)模板橫梁，使其同時(shí)適應(yīng)等寬段和變寬段施工需要。圖4為其橫梁橫斷面圖。

在漸變段，箱梁斷面寬度由16.5 m漸變到31.576 m，墩身寬度也相應(yīng)加寬了約4 m。因此，移動(dòng)模架的底模板需要加寬10.43 m，牛腿的支撐距離也要相應(yīng)地加寬4 m，牛腿橫梁與模板橫梁均需相應(yīng)地接長(zhǎng)，并加固支點(diǎn)。

2.4 增加模架橫向剛度臨時(shí)結(jié)構(gòu)

該橋?qū)俅髮挾茸儗挾认淞海渥畲髽驅(qū)挒?1.64 m，因此，如何解決移動(dòng)模架橫向剛度，使其適應(yīng)大寬度變寬度移動(dòng)模架施工是關(guān)鍵。

經(jīng)反復(fù)研究和論證，泉州灣跨海大橋秀凃互通主線橋確定通過(guò)在模架主梁兩側(cè)布設(shè)三角架來(lái)解決移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)橫向剛度問(wèn)題。具體為：加寬段施工時(shí)，模板橫梁接長(zhǎng)，將位于加寬段側(cè)主縱梁兩側(cè)的三角支架水平旋轉(zhuǎn)展開(kāi)，其上布設(shè)螺旋千頂支撐橫梁 (此時(shí)加寬側(cè)主縱梁上螺旋千斤頂不受力，用三角支架上的螺旋千斤頂作為支點(diǎn))，以減小模板橫梁撓度，改善其受力。

三腳架大樣如圖5所示。

圖5 主梁三腳架大樣圖

3 變寬度移動(dòng)模架受力分析

3.1 計(jì)算原則

計(jì)算以MSS50-3600設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)要點(diǎn)和原始資料為依據(jù)，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB3811-83）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）和《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 041-89）進(jìn)行。造橋機(jī)現(xiàn)行強(qiáng)度計(jì)算采用許用應(yīng)力法，對(duì)于用塑性材料制作的零件，其計(jì)算應(yīng)力：考慮零件尺寸、熱處理和載荷特性的材料屈服極限；n：塑性材料零件的安全系數(shù)（見(jiàn)表1）]。

表1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)一覽表

由于造橋機(jī)所有材料均為塑性材料Q345系列和Q235系列，根據(jù)造橋機(jī)的工作條件和使用特點(diǎn)，計(jì)算載荷組合類(lèi)別選用組合Ⅰ（見(jiàn)表2），故上述兩種材料的許用應(yīng)力分別為：230MPa和160MPa。

3.2 變寬度移動(dòng)模架主梁強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算

采用數(shù)值計(jì)算方法[4]來(lái)分析變寬度移動(dòng)模架主梁強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。有限元計(jì)算模型的標(biāo)準(zhǔn)載荷為：混凝土自重、內(nèi)外模板自重、螺旋頂自重、人行道及輔助設(shè)備的重量。取秀凃互通主線橋荷載跨進(jìn)行計(jì)算，其中該跨混凝土總方量為1 517.5 m3,澆注混凝土全長(zhǎng)為50 m+8 m，混凝土重量3 600 t（已扣除62號(hào)、63號(hào)墩頂226m3混凝土），內(nèi)外模板重400 t。主梁用板殼元來(lái)模擬，將鼻梁、模板橫梁均采用空間梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬。

表2 計(jì)算載荷的組合一覽表

有限元計(jì)算結(jié)果如下：

（1）上部支架在設(shè)備自重和澆注混凝土共同作用下的總變形云圖見(jiàn)圖6所示，僅在澆注混凝土作用下的靜變形云圖見(jiàn)圖6（a）所示。外側(cè)主梁總撓度為：110.89mm，內(nèi)側(cè)主梁最大靜撓度為：102.8 mm，均小于規(guī)范規(guī)定的主梁撓度L/500(L為主梁支撐跨度)，故主梁剛度滿足要求。

（2）主梁在設(shè)備自重和混凝土共同作用下的Von Mises應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6（b）所示。主梁最大應(yīng)力為：σmax=196 MPa且最大應(yīng)力點(diǎn)位于主梁前支點(diǎn)的支點(diǎn)腹板上。由于主梁采用Q345B焊接而成，其材料的許用應(yīng)力：[σ]=230 MPa，故主梁滿足強(qiáng)度要求。

圖6 變寬度移動(dòng)模架主梁靜力計(jì)算結(jié)果圖

（3）主梁整體穩(wěn)定性計(jì)算,將外模自重和混凝土作為集中外載荷加在螺旋頂上，通過(guò)計(jì)算得主梁一階失穩(wěn)變形，見(jiàn)圖7所示，一階失穩(wěn)處于主梁后支點(diǎn)內(nèi)腹板上，一階屈曲特征值為：2.06，滿足穩(wěn)定性要求[5、6]。

圖7 度移動(dòng)模架橫梁強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算

采用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)分析變寬度移動(dòng)模架橫梁強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。移動(dòng)模架在澆注變寬度箱梁過(guò)程中，位于墩頂附近的橫梁受力最大，此時(shí)橫梁所承擔(dān)的所有載荷共3 000 kN。計(jì)算結(jié)果如下：

（1）橫梁垂向變形云圖見(jiàn)圖8(a)所示，豎向最大總變形為9.544 mm，故橫梁剛度滿足要求。

（2）橫梁Von Mises應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8(b)所示，最大應(yīng)力為：σmax=190MPa，位于橫梁腹板支點(diǎn)部位，屬擠壓應(yīng)力。由于腹板用Q345B焊接而成，[σ]=190MPa，故滿足強(qiáng)度要求。

（3）通過(guò)計(jì)算得橫梁失穩(wěn)變形見(jiàn)圖9所示，一階失穩(wěn)變形位置位于靠近內(nèi)側(cè)螺旋千斤頂處的腹板上，一階特征值為：4.818，滿足穩(wěn)定性要求。

3.4 變寬度移動(dòng)模架造橋機(jī)開(kāi)模行走橫向穩(wěn)定性計(jì)算

移動(dòng)模架采取模板、橫梁分段打開(kāi)的方式實(shí)現(xiàn)縱移過(guò)孔，用合模狀態(tài)的模板、橫梁平衡已打開(kāi)的模板、橫梁，移動(dòng)模架過(guò)孔過(guò)程中至少保證8組橫梁處于合攏狀態(tài)。取移動(dòng)模架造橋機(jī)正常跨開(kāi)?？v移為計(jì)算工況，采用理論分析法來(lái)分析變寬度移動(dòng)模架造橋機(jī)開(kāi)模行走橫向穩(wěn)定性，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖10所示。

作用載荷：

（1）設(shè)備單側(cè)主梁、鼻梁重 G1=267.7 t，力臂L1=1.22 m。

（2）設(shè)備單側(cè)已開(kāi)模橫梁重G2=120 t，力臂L2=6.55 m。

（3）設(shè)備單側(cè)已開(kāi)模模板重 G3=27 t，力臂L3=15.6 m。

圖8 泉州灣跨海大橋變寬度移動(dòng)模架橫梁應(yīng)力云圖

（4）單側(cè)三角支撐架重G4=20 t，力臂L4=1.63m。

（5）未拆除橫梁可提供抗傾覆力矩M=30×10×8=2 400（t·m）。

（6）主梁、模板等效風(fēng)載：F1=∑CKhPS=23.1 t；力矩：L5/2=4.81 m。

其中：C—— 風(fēng)載體型系數(shù)，取1.4；

Kh——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1；

P——風(fēng)壓值，取0.026 8 t/m2（8級(jí)風(fēng)風(fēng)壓值）；

S—— 迎風(fēng)面積為：615.68 m2。

（7）鼻梁等效風(fēng)載：F2=φECKhPS=4.09 t;力矩L6/2=1.75m。

其中：φ——充滿系數(shù)，取0.3；

C——風(fēng)載體型系數(shù)，取1.4；

Kh——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1；

P——風(fēng)壓值，取0.0268 t/m2（8級(jí)風(fēng)風(fēng)壓值）；

S——迎風(fēng)面積為：364 m2。

各載荷對(duì)支點(diǎn)取力矩，則橫向抗傾覆系數(shù)δ由抗傾覆力矩M1比傾覆力矩M2求得：

故該設(shè)備滿足起重機(jī)規(guī)范的橫向穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

泉州灣跨海大橋秀涂互通主線橋采用變寬度移動(dòng)模架施工箱梁工法，在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，該移動(dòng)模架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，解決了以往移動(dòng)模架在大寬度變寬度箱梁現(xiàn)澆施工中無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件的問(wèn)題，使移動(dòng)模架的適用范圍得到極大擴(kuò)展，且對(duì)類(lèi)似工程項(xiàng)目施工具有重要參考價(jià)值。

本文介紹了變寬度移動(dòng)模架主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并通過(guò)理論分析驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)在施工實(shí)踐中，泉州灣跨海大橋秀涂互通主線橋采用變寬度移動(dòng)模架施工箱梁，施工質(zhì)量良好，安全可控，取得了很好的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益，為變寬度移動(dòng)模架的推廣運(yùn)用，起到了很好的示范作用。

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