黃海珊，唐成，陳澤，余鵬

（1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004；2.橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410004）

新型異步澆筑法施工掛籃受力研究

黃海珊1，2，唐成1，2，陳澤1，2，余鵬1，2

（1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004；2.橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410004）

為進(jìn)一步推廣波形鋼腹板PC組合箱梁橋的應(yīng)用范圍，以頭道河大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)新型異步懸臂澆筑施工方法所采用的掛籃進(jìn)行研究，介紹了該施工方法的施工流程、掛籃設(shè)計(jì)，并通過有限元對(duì)掛籃的受力、變形進(jìn)行分析。結(jié)果表明，異步懸臂澆筑施工方法工藝流程簡潔，掛籃構(gòu)造簡單，受力、變形合理，可克服傳統(tǒng)掛籃易傾覆的缺點(diǎn)，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益；結(jié)構(gòu)砼根部應(yīng)力或0#塊波形鋼腹板剪應(yīng)力均符合規(guī)范要求。

橋梁；PC組合箱梁；波形鋼腹板；異步懸臂澆筑；應(yīng)力

波形鋼腹板PC組合箱梁橋由于采用輕型波形鋼腹板代替厚重的砼腹板，大幅減輕了結(jié)構(gòu)自重，提高了預(yù)應(yīng)力效率，節(jié)約了工程投入，縮短了施工工期。相比傳統(tǒng)連續(xù)剛構(gòu)或連續(xù)梁，該橋型由于結(jié)構(gòu)輕盈，具有良好的抗震性能。現(xiàn)階段對(duì)波形鋼腹板組合箱梁橋的研究主要集中在結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度、剪力連接件等方面，并取得了一系列研究成果，為該橋型的迅速推廣起到了良好的促進(jìn)作用。但結(jié)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性及受力特點(diǎn)開展其施工工藝創(chuàng)新方面的研究還未見報(bào)道。

目前波形鋼腹板PC組合梁橋常采用的施工方法主要有滿堂支架法、懸臂施工法、頂推法等，其中以掛籃懸臂施工法居多。實(shí)踐表明，相對(duì)于傳統(tǒng)掛籃施工方法，新型異步澆筑施工法具有工藝流程簡潔、工期短、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)。該施工方法自提出并在實(shí)際工程中應(yīng)用以來，對(duì)其研究主要集中在抗彎、抗剪等受力指標(biāo)上，而對(duì)于該施工方法所采用掛籃的受力變形和安全性等方面的研究則較少。為此，該文以實(shí)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于有限元程序建立計(jì)算模型，分析該施工方法所用掛籃的受力、變形等性能，并通過施工現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)對(duì)掛籃的安全性及可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程簡介

頭道河大橋地處四川省西南邊陲，是敘古（敘永—古藺）高速公路中的重點(diǎn)工程之一，橫跨古藺河的支流頭道河。該連續(xù)剛構(gòu)橋上部采用波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)，跨徑布置為72 m+130 m+72 m；主梁采用分幅式單箱單室截面，每幅箱梁頂板寬12 m、底板寬7 m；梁底采用1.8次拋物線，跨中處梁高為3.5 m，底板厚30 cm，根部梁高為7.5 m，底板厚110 cm。橋型布置如圖1所示。

圖1　橋梁布置示意圖（單位：m）

波形鋼腹板鋼材采用Q355NHC，波長1.6 m，波高0.22 m，鋼板厚14～24mm，水平折疊角度為30.7°，彎折內(nèi)徑R為15t（t為波形鋼腹板厚度），其細(xì)部構(gòu)造如圖2及圖3所示。

圖2　波形鋼腹板節(jié)段示意圖

圖3　波形鋼腹板單位波長構(gòu)造示意圖（單位：mm）

2 新型異步澆筑施工法

2.1工藝流程

頭道河大橋施工階段結(jié)構(gòu)如圖4所示。從中可見，當(dāng)前施工階段結(jié)構(gòu)主要包括：1）異步澆筑施工平臺(tái)；2）當(dāng)前施工節(jié)段（第n節(jié)段）的底板；3）當(dāng)前施工節(jié)段（第n節(jié)段）的波形鋼腹板；4）上一施工階段已完成的第n-1節(jié)段頂板；5）上一施工階段已完成的第n-1節(jié)段波形鋼腹板；6）當(dāng)前施工節(jié)段安裝的下一節(jié)段（第n+1節(jié)段）的波形鋼腹板。

圖4　頭道河大橋結(jié)構(gòu)節(jié)段示意圖

若采用傳統(tǒng)掛籃施工波形鋼腹板PC組合箱梁橋，掛籃安裝就位后，作業(yè)區(qū)內(nèi)安裝波形鋼腹板、立模、頂?shù)装邃摻罱壴?、砼澆筑均只能在n節(jié)段工作面進(jìn)行，作業(yè)面受限，交叉作業(yè)多，周期長。而采用異步澆筑法施工時(shí)，作業(yè)區(qū)由原來的單個(gè)節(jié)段工作面擴(kuò)大到n-1、n、n+1 3個(gè)節(jié)段工作面，n-1節(jié)段頂板施工、n節(jié)段底板施工、n+1節(jié)段波形鋼腹板安裝3個(gè)作業(yè)面流水施工，極大地提高了施工效率，縮短施工周期。

2.2施工掛籃設(shè)計(jì)

頭道河大橋采用異步澆筑施工方法，掛籃設(shè)計(jì)為吊掛式，利用波形鋼腹板作為掛籃的承重結(jié)構(gòu)，可大幅減小掛籃自重，一套掛籃重約50 t（含模板、操作平臺(tái)、施工人員及機(jī)具重量）。該掛籃由承重系統(tǒng)、吊掛提升系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、模板系統(tǒng)四部分組成，結(jié)構(gòu)布置如圖5、圖6所示。

圖5　掛籃主要承重結(jié)構(gòu)示意圖

圖6　掛籃橫橋向總體布置

（1）承重系統(tǒng)主要由波形鋼腹板、支點(diǎn)、吊桿、前后上橫梁及連接縱梁組成。主承重梁為波形鋼腹板，因波形鋼腹板下沿與底板砼為埋入式連接，對(duì)下沿受力極為不利，需在波形鋼腹板下沿增加28 cm寬、20mm厚Q345鋼板，下翼緣鋼板與波形鋼腹板采取雙面貼腳焊連接。此外，為了保證波形鋼腹板安裝時(shí)的穩(wěn)定性，確保波形鋼腹板具有足夠的縱向及橫向剛度，在左右兩波形鋼腹板之間設(shè)置臨時(shí)支架橫撐。

（2）吊掛提升系統(tǒng)主要使用吊桿來承受底板，采用40Cr吊桿和φ32精軋螺紋鋼吊桿，全部采用連接器連接。在每個(gè)吊點(diǎn)處根據(jù)受力大小分別準(zhǔn)備不同規(guī)格千斤頂作為提升動(dòng)力，以便能及時(shí)快速地調(diào)整底部模板標(biāo)高，提高生產(chǎn)效率，縮短施工周期。

（3）掛籃前、后支點(diǎn)支承在波形鋼腹板上翼緣板及開孔鋼板形成的凹槽內(nèi)，凹槽內(nèi)設(shè)四氟滑板，減少掛籃前進(jìn)時(shí)的摩擦力。掛籃前移采用2根20 t液壓桿作為動(dòng)力。行走方法為一頭鉸接錨固在掛籃后支點(diǎn)上，通過電動(dòng)油泵供油，達(dá)到行程后利用鋼銷將另一頭鉸接錨固在波形鋼腹板開孔鋼板φ60貫穿孔上，電動(dòng)油泵回油，液壓桿牽引后支點(diǎn)滑動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)掛籃前進(jìn)；達(dá)到一個(gè)行程后，將貫穿孔內(nèi)鋼銷取下，液壓站供油，達(dá)到行程后利用鋼銷再次錨固于貫穿孔上，重新推動(dòng)液壓桿開始下一個(gè)行程動(dòng)作。如此往復(fù)幾次，直至最后就位。異步施工法使用的掛籃利用波形鋼腹板作為主縱梁，結(jié)構(gòu)體系由常規(guī)掛籃的懸臂體系轉(zhuǎn)變?yōu)楹喼w系，取消了縱梁及后錨體系，支點(diǎn)在波形鋼腹板上翼緣鋼板凹槽內(nèi)滑動(dòng)，取消了軌道，既可有效減少掛籃自重及梁體預(yù)留眼孔，又能確保掛籃前進(jìn)時(shí)的安全。

（4）模板系統(tǒng)包括頂板模、底板模、封端模和工作平臺(tái)等，所有模板設(shè)計(jì)均按全斷面一次澆筑箱梁砼考慮。

3 掛籃受力分析

3.1掛籃有限元數(shù)值模擬

3.1.1模型建立

根據(jù)掛籃設(shè)計(jì)圖紙，采用MIDAS/Civil建立模型（如圖7所示）。建模時(shí)考慮的荷載包括掛籃自重、模板荷載、人群和機(jī)具荷載及砼濕重。

圖7　掛籃有限元模型

3.1.2結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，在各荷載組合作用下掛籃主要構(gòu)件應(yīng)力和變形分別如表1、表2所示。

表1　掛籃主要構(gòu)件應(yīng)力

表2　掛籃主要構(gòu)件變形

由表1可看出：在各荷載作用下，掛籃吊桿最大應(yīng)力為193.3 MPa，明顯低于設(shè)計(jì)允許應(yīng)力930 MPa；縱梁及滑梁的最大應(yīng)力為121.6 MPa，亦低于設(shè)計(jì)允許應(yīng)力170 MPa。波形鋼腹板PC組合箱梁橋采用異步澆筑法施工時(shí)，掛籃主要構(gòu)件的應(yīng)力值符合規(guī)范要求。

由表2可知：掛籃主要構(gòu)件在各荷載作用下產(chǎn)生最大變形的是內(nèi)滑梁，達(dá)到11.5mm，但仍低于容許變形值14.5mm。異步澆筑施工法下掛籃各主要構(gòu)件變形符合規(guī)范要求。

3.2施工現(xiàn)場(chǎng)掛籃荷載試驗(yàn)

為檢驗(yàn)掛籃系統(tǒng)在各工況下的結(jié)構(gòu)受力及機(jī)具設(shè)備的運(yùn)行情況，確保系統(tǒng)在施工過程中絕對(duì)安全和正常運(yùn)行，對(duì)掛籃系統(tǒng)進(jìn)行加載試驗(yàn)，同時(shí)通過加載試驗(yàn)收集技術(shù)參數(shù)用于指導(dǎo)后續(xù)施工，為懸澆施工高程控制提供可靠依據(jù)。

3.2.1加載試驗(yàn)方案

以鋼鉸線配重的方式分級(jí)加載，加載分級(jí)為設(shè)計(jì)荷載的20%→50%→80%→100%（12 h后）→分級(jí)卸載。為了使加載試驗(yàn)?zāi)芡耆蚧灸M掛籃在砼澆筑過程中各種工況下的受力狀態(tài)，加載時(shí)根據(jù)箱梁不同部位的不同荷載值均勻?qū)ΨQ地將荷載分布于掛籃上。

加載前由之前在0#塊根部截面頂、底板及波形鋼腹板上相應(yīng)位置布置好的高精度應(yīng)力傳感器進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)；每一級(jí)荷載加載完成后，在鋼腹板上選擇兩個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖8中的A、B）對(duì)波形鋼腹板的下?lián)现颠M(jìn)行觀測(cè)。每一級(jí)荷載持荷時(shí)間均不少于1 h。

圖8　變形觀測(cè)點(diǎn)布置

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

各級(jí)荷載作用下掛籃撓度及應(yīng)力變化與有限元模型計(jì)算值的對(duì)比如表3、表4及圖9～11所示。

從圖9～11可看出：在加載過程中，試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值的變化趨勢(shì)基本相同，且各階段的數(shù)值十分接近。其中，砼頂板壓應(yīng)力及波形鋼腹板的豎向剪應(yīng)力基本呈線性變化，說明加載過程中其受力較為均勻；而底板壓應(yīng)力的變化較為明顯。結(jié)構(gòu)的受力及變形都處于合理范圍內(nèi)。

表3　掛籃各級(jí)荷載作用下的撓度變化值mm

表4　掛籃各級(jí)荷載作用下的應(yīng)力變化值MPa

圖9　掛籃各級(jí)荷載作用下的撓度值

圖10　掛籃各級(jí)荷載作用下的頂?shù)装鍛?yīng)力值

圖11　掛籃各級(jí)荷載作用下的腹板剪應(yīng)力值

4 結(jié)語

該文以實(shí)際工程為依托，介紹了波形鋼腹板PC組合箱梁橋的新型施工方法即異步澆筑法，并采用有限元方法對(duì)該方法所采用掛籃的安全性進(jìn)行了有限元模擬及現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值的變化趨勢(shì)基本相同，且各階段的數(shù)值十分接近，結(jié)構(gòu)的受力及變形都處于合理范圍內(nèi)。

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1671-2668（2016）05-0191-04

2016-03-08