朱光華，劉偉莎（重慶建工城建控股（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶　400013）

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前后支點(diǎn)組合式掛籃剛度分析及優(yōu)化措施

朱光華，劉偉莎
（重慶建工城建控股（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶400013）

摘要：重慶市雙碑嘉陵江大橋?yàn)楦叩退嗡髅姹”谙湫谓Y(jié)構(gòu)，主橋全長(zhǎng)645m，主梁寬32.5m，最重節(jié)段重702t，考慮雙碑嘉陵江大橋主梁寬、節(jié)段長(zhǎng)且節(jié)段重的特點(diǎn)，該文研究新型前后支點(diǎn)組合式掛籃體系對(duì)主梁進(jìn)行懸臂現(xiàn)澆施工。為驗(yàn)證該新型前后支點(diǎn)組合式掛籃的剛度性能，采取模擬混凝土澆筑工藝過程進(jìn)行掛籃加載試驗(yàn)，通過掛籃在各工況下位移變化來體現(xiàn)掛籃剛度性能。結(jié)果表明：在各工況荷載作用下，掛籃剛度滿足規(guī)范要求，掛籃變形基本符合理論計(jì)算規(guī)律。針對(duì)試驗(yàn)中掛籃局部變形過大的不足，從掛籃、施工工藝、混凝土澆筑三個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，增加了掛籃的剛度，利于施工控制。

關(guān)鍵詞：前后支點(diǎn)式組合掛籃；剛度；荷載試驗(yàn)；位移

1　工程概況

重慶雙碑嘉陵江大橋?yàn)楦叩碗p塔單索面混凝土斜拉橋，主橋全長(zhǎng)645m，跨度布置為75+145+330+95，主跨最大跨徑330m，跨度居全國(guó)同類橋梁第一［1］。主橋布置如圖1所示。

圖1　全橋立面圖

重慶雙碑嘉陵江大橋主梁為寬32.5m的單箱三室斜腹板結(jié)構(gòu)，主梁節(jié)段長(zhǎng)且各節(jié)段長(zhǎng)度不同。邊跨的1#塊長(zhǎng)度為4m，2#塊到29#塊長(zhǎng)度均為7m，中跨的1#塊長(zhǎng)度為4m，2#塊到28#塊長(zhǎng)度均為7m，29#塊長(zhǎng)度為8m。主梁的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段重461t，附助墩旁的節(jié)段重568t，邊跨20#塊（輔助墩頂）最重，重達(dá)702t［2-3］。

雙碑嘉陵江大橋結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，突出許多新穎設(shè)計(jì)理念，其中主橋?yàn)楦叩退嗡髅?、薄壁箱形、寬主梁、主梁?jié)段長(zhǎng)且節(jié)段重，上述特點(diǎn)給掛籃的設(shè)計(jì)和橋梁的順利施工帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)出的掛籃應(yīng)滿足自重輕、承載能力大、安全穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且滿足對(duì)已澆筑混凝土的作用力控制在容許范圍內(nèi)的要求。本文對(duì)新型前后支點(diǎn)組合式掛籃的剛度進(jìn)行分析與優(yōu)化，為同類橋梁工程施工建設(shè)提供技術(shù)支撐。

2　前后支點(diǎn)組合式掛籃設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的前支點(diǎn)掛籃和后支點(diǎn)掛籃在縱橫雙向大懸臂斜拉橋主橋施工中存在一定的局限性［4-6］，將兩類掛籃結(jié)合起來，研究一種超大噸位前、后支點(diǎn)結(jié)合掛籃體系，增加結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，增加結(jié)構(gòu)承載力，減少結(jié)構(gòu)自重，對(duì)解決工程實(shí)際問題具有重大意義。

基于以前設(shè)計(jì)的各種類型掛籃形式，結(jié)合雙碑大橋的特點(diǎn)，形成了初步的前、后支點(diǎn)掛籃體系設(shè)計(jì)［7］。前后支點(diǎn)組合式掛籃主要由三部分組成，分別為前支點(diǎn)牽索掛籃系統(tǒng)、橫向預(yù)拉連接系統(tǒng)和后支點(diǎn)掛籃系統(tǒng)，后支點(diǎn)掛籃系統(tǒng)使整個(gè)掛籃結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性得到加強(qiáng)?；@底平臺(tái)采用鉸接連接，當(dāng)前支點(diǎn)掛籃拉索力調(diào)整時(shí)，鉸接結(jié)構(gòu)可以使后支點(diǎn)掛籃外側(cè)兩片主梁不受其影響，保證后支點(diǎn)掛籃的外側(cè)兩片主梁受力明確。另外，鉸接連接不僅能降低掛籃自重，而且還方便后支點(diǎn)掛籃外側(cè)主梁橫向標(biāo)高的調(diào)整。主梁中間部分混凝土由前支點(diǎn)掛籃負(fù)責(zé)，翼板位置混凝土由后支點(diǎn)掛籃負(fù)責(zé)，掛籃的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到進(jìn)一步的優(yōu)化，更能適應(yīng)具有高低塔單索面、薄壁箱形、寬主梁、主梁節(jié)段長(zhǎng)且節(jié)段重等特點(diǎn)的斜拉橋的施工，承載能力高達(dá)600t以上。

掛籃總體模型圖見圖2所示，掛籃橫斷面圖見圖3所示。

圖2　掛籃總體模型圖

圖3　掛籃橫斷面圖

3　前后支點(diǎn)組合式掛籃剛度試驗(yàn)

掛籃的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，是保證掛籃安全工作的三個(gè)基本要求，是確保施工質(zhì)量的前提條件，由于篇幅的限制本文只研究前后支點(diǎn)組合式掛籃的剛度特性，掛籃的剛度即為要求掛籃具有足夠的抵抗變形的能力，在自身及施工荷載作用下，不致于因發(fā)生過大的變形而影響掛籃的使用［5］。剛度是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抵抗變形的能力，掛籃的剛度是通過各工況下掛籃的位移變化體現(xiàn)出來的。前后支點(diǎn)組合式掛籃整體在施工現(xiàn)場(chǎng)組裝完成后，進(jìn)行掛籃荷載試驗(yàn)，通過模擬混凝土澆筑過程對(duì)掛籃進(jìn)行加載，根據(jù)掛籃荷載試驗(yàn)得出掛籃的實(shí)際位移數(shù)據(jù)，從而對(duì)掛籃的剛度進(jìn)行分析［7-8］。

3.1掛籃試驗(yàn)流程

掛籃荷載試驗(yàn)主要流程見圖4所示。

圖4　掛籃試驗(yàn)流程圖

3.2試驗(yàn)工況劃分

重慶雙碑嘉陵江大橋施工時(shí)主梁劃分的節(jié)段較多，共58塊，其中標(biāo)準(zhǔn)塊56塊，占絕大多數(shù)。從實(shí)驗(yàn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，將主梁標(biāo)準(zhǔn)塊的混凝土重量作為掛籃荷載試驗(yàn)中混凝土重量控制標(biāo)準(zhǔn)，并將施工荷載及模板重量計(jì)入試驗(yàn)荷載中，荷載系數(shù)取1.2，得出分塊混凝土的加載重量，計(jì)算結(jié)果見下式。

其中，178m3為標(biāo)準(zhǔn)塊混凝土數(shù)量；2600kg/m3為混凝土容重；30t為模板重量；2t為施工荷載重量。因此，掛籃荷載試驗(yàn)總加載重量為594t。

掛籃荷載試驗(yàn)加載分5次完成，每次加載噸數(shù)及步驟如圖5所示。

圖5　掛籃荷載試驗(yàn)加載步驟

圖6　分塊荷載圖

荷載分塊加載見圖6所示。

另外，為了分析調(diào)索對(duì)掛籃剛度的影響，荷載試驗(yàn)分調(diào)索和不調(diào)索兩種加載方式，即河跨采取不調(diào)索方式進(jìn)行加載試驗(yàn)；岸跨加載到50%荷載時(shí)采取調(diào)索方式進(jìn)行加載試驗(yàn)。通過前后支點(diǎn)組合式掛籃在調(diào)索和不調(diào)索兩種情況下加載試驗(yàn)的結(jié)果，得出調(diào)索對(duì)掛籃變形性能的影響，即調(diào)索對(duì)前后支點(diǎn)組合式掛籃剛度的影響。通過此實(shí)驗(yàn)，將對(duì)掛籃的變形性能有更加深入的了解，為后期掛籃的設(shè)計(jì)及施工提供指導(dǎo)意見。

3.3模擬計(jì)算位移測(cè)試結(jié)果

為了對(duì)掛籃荷載試驗(yàn)進(jìn)行校驗(yàn)，在掛籃試驗(yàn)加載之前，應(yīng)用MIDAS Civil軟件對(duì)掛籃加載試驗(yàn)過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)一致［2］。

在模擬計(jì)算和荷載試驗(yàn)中，在掛籃前端橫斷面和主梁0#塊上共布置了9個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)，分別位于腹板底、腹板頂、翼緣和底平臺(tái)上，9個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)的編號(hào)及位置如圖7所示。將實(shí)際荷載試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，通過分析掛籃在加載過程中各觀測(cè)點(diǎn)的位移變化來確定掛籃剛度是否滿足要求。

圖7　變形測(cè)點(diǎn)布置

將模擬計(jì)算得到的調(diào)索和不調(diào)索兩種情況下掛籃9個(gè)控制點(diǎn)的位移測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)繪制成圖，見圖8和圖9所示。

圖8　調(diào)索情況下9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位移變化圖

由圖8可以看出，在50%荷載時(shí)對(duì)斜拉索進(jìn)行調(diào)索情況下，前支點(diǎn)掛籃前端標(biāo)高基本均抬升6mm左右。由于調(diào)整索力，后支點(diǎn)掛籃部分各點(diǎn)標(biāo)高繼續(xù)下?lián)?，最大下?lián)狭繛?mm。100%荷載后掛籃最大變形量為前支點(diǎn) （圖7中5號(hào)點(diǎn)）0mm，后支點(diǎn)（圖7 中2號(hào)點(diǎn)）32mm。總體來說，位移變化沒有出現(xiàn)突變點(diǎn)，變化相對(duì)緩和，這有利于對(duì)主梁的線性進(jìn)行控制。

圖9　不調(diào)索情況下9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位移變化圖

由圖8、圖9可以看出，在不調(diào)索情況下50%荷載時(shí)與調(diào)索情況下50%荷載時(shí)相對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的變形量略有差別，而不調(diào)索情況下50%荷載時(shí)與調(diào)索情況下50%荷載調(diào)索后相對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的變形基本一致，分析為已澆混凝土受到斜拉索索力的影響。在不調(diào)索情況下，由于空載時(shí)掛籃斜拉索索力較小，因此25%荷載時(shí)掛籃前后支點(diǎn)結(jié)合處出現(xiàn)位移突變。100%荷載時(shí)，掛籃總體變形量與調(diào)索情況下一致，此時(shí)掛籃最大變形量前支點(diǎn)0mm，后支點(diǎn)32mm。由不調(diào)索情況下測(cè)點(diǎn)相對(duì)變形量（圖10）可以看出：在0%～25%加載期間，掛籃相對(duì)變形波動(dòng)較大，分析為掛籃由空載加載到25%荷載時(shí)，混凝土受斜拉索索力的影響；25%～100%期間，掛籃相對(duì)變形較均勻，各點(diǎn)波動(dòng)相對(duì)較小。

圖10　不調(diào)索情況下測(cè)點(diǎn)相對(duì)變形量

3.4荷載試驗(yàn)位移測(cè)試結(jié)果

在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映出掛籃的變形與模擬計(jì)算相比偏大。受于篇幅限制，只對(duì)河跨一側(cè)掛籃變形量進(jìn)行詳細(xì)分析，將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖11和圖12所示。

（1）掛籃荷載試驗(yàn)9個(gè)測(cè)點(diǎn)變形總量

由圖11可看出：100%時(shí)，2點(diǎn)27mm，8 點(diǎn)35mm， 理論值19mm，上游偏大8mm，且8號(hào)點(diǎn)偏大16mm，分析與初始9號(hào)點(diǎn)偏高有關(guān)。同時(shí)1號(hào)點(diǎn)與9號(hào)點(diǎn)變形34mm，48mm，比理論值大30～40mm，分析為翼板外沿，變形中含受力變形與幾何變形，該點(diǎn)為最后澆筑的混凝土，對(duì)前幾次澆筑的混凝土影響不大。100%～120%變形均勻，卸載后，最大偏差9mm，基本回到初始狀態(tài)。掛籃彈性工作狀態(tài)良好。

圖11　各工狀位移變化圖

圖12　測(cè)點(diǎn)相對(duì)變形量

（2）掛籃荷載試驗(yàn)9個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)變形量

由圖12可以看出：在0%～75%加載期間，掛籃相對(duì)變形比較均勻，各點(diǎn)波動(dòng)不大；75%～100%期間，上游1、2號(hào)點(diǎn)變形比下游8、9號(hào)點(diǎn)更符合理論值；2號(hào)點(diǎn)相對(duì)變形21mm，理論值10mm，8號(hào)點(diǎn)29mm，比2號(hào)點(diǎn)多8mm，比理論值多19mm；由于1、9號(hào)點(diǎn)相對(duì)2、8號(hào)點(diǎn)有幾何放大關(guān)系，1號(hào)相對(duì)變形44mm，比理論20mm大24mm，9號(hào)點(diǎn)61mm，比理論大41mm。在荷載加載到75%～100%時(shí)，掛籃翼板邊緣由上翹狀態(tài)變?yōu)橄鲁翣顟B(tài)，通過變形分析可知，由于橫向鉸的存在，掛籃幾何變形相對(duì)較大。

通過以上的分析，掛籃在荷載試驗(yàn)過程中的總變形量和相對(duì)變形量比理論計(jì)算的總變形量和相對(duì)變變形量偏大。

（3）總體變形偏大的原因分析

結(jié)合掛籃試驗(yàn)結(jié)果及專家評(píng)審會(huì)的意見，并根據(jù)荷載試驗(yàn)的理論分析，掛籃后支點(diǎn)部分，理論變形21～29mm，比規(guī)范略大，而實(shí)際試驗(yàn)變形27～35mm，超出規(guī)范7～15mm。分析主要原因?yàn)閽旎@試驗(yàn)時(shí)的后錨點(diǎn)后移，掛籃拼裝完成后，后錨位置有10mm的上抬，而直接導(dǎo)致前端下?lián)献冃沃翟龃蟆Ｒ灿胁糠謷旎@非彈性、制作安裝誤差原因以及老混凝土變形的原因等。

對(duì)于試驗(yàn)過程中針對(duì)總變形量和相對(duì)變形偏大問題，在掛籃懸臂施工過程中，保證混凝土在澆筑完成前不發(fā)生初凝是首要任務(wù)，并有較充分的富余時(shí)間可進(jìn)行標(biāo)高的調(diào)整和完成必要的二次振搗作業(yè)，確保節(jié)段梁體混凝土澆筑質(zhì)量符合要求，然后再盡可能進(jìn)行掛籃結(jié)構(gòu)和施工工藝優(yōu)化，提高掛籃剛度，減少掛籃變形量。

4　掛籃施工優(yōu)化措施

通過掛籃荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可看出，掛籃局部構(gòu)件變形過大，而且同一構(gòu)件的荷載試驗(yàn)結(jié)果變形值大于模擬計(jì)算變形值，另外，前后支點(diǎn)組合式掛籃的后支點(diǎn)部分主縱梁變形值超過規(guī)范要求20mm。前后支點(diǎn)組合式掛籃是斜拉橋懸臂施工中的主要承載結(jié)構(gòu)，掛籃的剛度對(duì)橋梁的穩(wěn)定性和安全性有重大的影響?；谥貞c雙碑嘉陵江大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其采用的前后支點(diǎn)組合式掛籃為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，因此沒有掛籃變形對(duì)應(yīng)的規(guī)范限值，但為了確保前后支點(diǎn)組合式掛籃在施工過程中的安全可靠性，至少應(yīng)保證前后支點(diǎn)組合式掛籃的后支點(diǎn)部分的變形不超過普通后支點(diǎn)掛籃的變形要求。重慶雙碑嘉陵江大橋主梁較寬，翼板懸臂端較長(zhǎng)，容易導(dǎo)致掛籃橫向剛度不足，從而引起掛籃翼板處下?lián)线^大。為了解決以上各種問題，從掛籃、施工工藝、混凝土澆筑三個(gè)方面對(duì)前后支點(diǎn)組合式掛籃提出了優(yōu)化措施，以利于提高掛籃剛度，從而達(dá)到有效地施工控制，保證工程質(zhì)量的目的。

4.1掛籃優(yōu)化

（1）對(duì)后支點(diǎn)掛籃的后錨點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，以減少掛籃前端絕對(duì)變形量。錨點(diǎn)前移，要求既保證后錨力限制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，又使后錨點(diǎn)不上抬，從而減小掛籃前端變形，此項(xiàng)措施使后支點(diǎn)掛籃最大變形減少11mm。掛籃前端最大變形減小11～15mm，小于規(guī)范對(duì)后支點(diǎn)掛籃變形的規(guī)定，如圖13所示。

圖13　后支點(diǎn)掛籃變形圖

圖14　后支點(diǎn)掛籃變形圖

（2）通過在后支點(diǎn)掛籃前上橫梁中間增加型鋼，使掛籃前上橫梁貫通，增加翼板端部的斜拉帶，直接拉住掛籃翼沿，減少掛籃翼板變形，經(jīng)過此項(xiàng)措施的實(shí)施，可以使掛籃總體變形減少約2mm，如圖14所示。

（3）將掛籃前、后支點(diǎn)間的鉸接改為雙鉸，形成固接體系，在荷載試驗(yàn)過程中，將設(shè)雙鉸掛籃與設(shè)單鉸掛籃進(jìn)行對(duì)比研究，進(jìn)一步驗(yàn)證掛籃橫向設(shè)鉸的優(yōu)點(diǎn)。兩岸掛籃設(shè)雙鉸與設(shè)單鉸橫向斷面對(duì)比如圖15所示。

圖15　設(shè)單鉸與設(shè)雙鉸橫斷面對(duì)比圖

對(duì)設(shè)雙鉸掛籃和單鉸掛籃進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析可得，掛籃設(shè)雙鉸后，總變形量與設(shè)單鉸掛籃相差在1mm以內(nèi)，視為基本相同，但掛籃自重增加15t左右，使掛籃總重略超出設(shè)計(jì)限制要求。但由于采用橫向斜拉系統(tǒng)主動(dòng)控制，翼板反力控制與設(shè)單鉸掛籃一樣，能確保已澆主梁受力符合設(shè)計(jì)要求，因此掛籃自重增加對(duì)施工影響可以忽略。

4.2施工工藝優(yōu)化

從試驗(yàn)研究看，采用二次調(diào)索與采取一次調(diào)索，在標(biāo)高和索力控制上相差不大，最終控制效果均能達(dá)到要求，所以經(jīng)研究決定在未發(fā)現(xiàn)異常的情況下，在前15個(gè)節(jié)段施工時(shí)原則上均采用一次調(diào)索，如在長(zhǎng)索區(qū)，一次調(diào)索的調(diào)索量超出掛籃施工允許情況時(shí)，再進(jìn)行調(diào)整，即堅(jiān)持盡可能不調(diào)索原則。

對(duì)翼板加載順序進(jìn)行了優(yōu)化，加載時(shí)，從翼板外邊緣向中間加載，這樣可以減少翼板邊緣位置在加載過程中相對(duì)變形偏大。

4.3混凝土澆筑優(yōu)化

實(shí)施過程中要求嚴(yán)格控制混凝土工作性能，一方面混凝土緩凝時(shí)間在25h以上，遠(yuǎn)大于澆筑時(shí)間（15～18h），確?；炷猎诔跄巴瓿蓾仓涣硪环矫?，通過試驗(yàn)和精確的理論控制，采用澆筑前一次調(diào)索，達(dá)到索力和標(biāo)高控制要求的措施。

5　結(jié)論

（1）有限元模擬計(jì)算100%荷載工況下，不調(diào)索時(shí)掛籃總體變形量與調(diào)索情況下一致。荷載試驗(yàn)中，在不同工況荷載作用下，前后支點(diǎn)組合式掛籃發(fā)生的變形基本符合理論計(jì)算規(guī)律，掛籃剛度基本滿足規(guī)范要求。

（2）整個(gè)荷載試驗(yàn)過程中，對(duì)前后支點(diǎn)組合式掛籃進(jìn)行直觀檢查，沒有發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的變形現(xiàn)象，掛籃各部位桿件完好。

（3）通過荷載試驗(yàn)過程中總變形量和相對(duì)變形偏大的原因分析，得出在具體施工過程中，應(yīng)首先確?；炷猎跐仓瓿汕安话l(fā)生初凝，然后再盡可能進(jìn)行掛籃結(jié)構(gòu)和施工工藝優(yōu)化，以減少掛籃變形量。

（4）針對(duì)試驗(yàn)中掛籃局部變形過大的不足，從掛籃、施工工藝、混凝土澆筑三個(gè)方面對(duì)掛籃進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，增加了掛籃的剛度，利于施工控制。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

中圖分類號(hào)：U443

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9107（2016）07-0058-04

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.058

收稿日期：2016-04-29

作者簡(jiǎn)介：朱光華（1973-），男，重慶人，本科，高級(jí)工程師，主要從事橋梁施工技術(shù)管理及研究工作。

Stiffness Analysis and Optimization Measures of Front and Rear Pivot-assembled Cradle

Abstract：The Jialingjiang River Bridge in Shuangbei，Chongqing is of thin-walled box-shaped structure with high-low towers and single cable plane，with the length of the main bridge of 645 meters and the width of the main beam of 32.5 meters.Based on the features of wide main beam and heavily long segments，the new system of front and rear pivot-assembled cradle is applied in the cantilever construction.To verify the system's stiffness performance，a simulative loading test is conducted，demonstrating the cradle stiffness performance through its displacement deviation under varied construction situations. The results show that the stiffness meets the relevant requirements and the deformation basically conforms to the theoretical calculation law in the codes under different loads.For the deficiency of excessive large local deformation of combined cradle in the test，it is optimized from the three aspects：combined cradle，construction technology and concrete pouring，amplifying the cradle stiffness and construction control.

Keywords：combined cradle with front and rear fulcrum；stiffness；loading test；displacement