范文質(zhì)，修占國(guó)，劉振華，袁義臣，梁 平

(1.中建五局華東建設(shè)有限公司， 浙江 平湖 312400；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

1 工程概述

廣陳塘大橋，河面寬度50 m左右，水流平穩(wěn)無(wú)暗流，河底相對(duì)平坦。大橋引橋采用25 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，主橋采用(40+70+40) m變截面現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁。其主橋截面為單箱單室直腹板結(jié)構(gòu)形式。主橋預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁頂面寬10.00 m，翼緣板寬2.0 m，跨中梁高2.6 m，腹板厚65 cm～50 cm，底板厚度為80 cm(根部)～32 cm(跨中)，懸澆段頂板厚度為28 cm。

廣陳塘大橋橋面公路荷載等級(jí)為一級(jí)，橋面凈寬2×12.5 m，總寬27.5 m。全橋共5聯(lián)，總長(zhǎng)共計(jì)450 m。為了加快施工速度，主橋按7#、8#墩號(hào)對(duì)稱(chēng)懸臂現(xiàn)澆施工。除了0#梁段在橋墩頂旁搭支架、邊跨現(xiàn)澆段搭設(shè)滿堂支架外，其余梁段均采用對(duì)稱(chēng)掛籃懸澆施工。全橋變截面連續(xù)箱梁段C50混凝土，數(shù)量約3 426 m3，其中懸澆最重梁段1#塊重123.5 t。大橋的合攏步驟采用：先邊跨后中跨的施工順序[1-3]。

鑒于該主橋的連續(xù)箱梁施工采用對(duì)稱(chēng)雙懸臂現(xiàn)澆模式，經(jīng)專(zhuān)家討論，宜采用菱形掛籃施工。該施工方法不僅能夠保證施工過(guò)程中的質(zhì)量與安全問(wèn)題，而且菱形掛籃的主要受力構(gòu)件均為二力桿，構(gòu)件受力與傳力方式簡(jiǎn)單明確。二力桿的受力模式不僅能夠充分發(fā)揮材料本身性質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，而且其結(jié)構(gòu)分布十分明確，組裝、錨固及拆除施工方便，結(jié)構(gòu)布置形式更加簡(jiǎn)明輕巧[4-5]。

2 掛籃結(jié)構(gòu)組成

該菱形掛籃結(jié)構(gòu)形式主要由主桁架系統(tǒng)(雙榀菱形鋼桁架)、行走及錨固系統(tǒng)、吊帶系統(tǒng)、模板支撐系統(tǒng)、模板系統(tǒng)五大部分組成[6-7]。掛籃的各個(gè)子系統(tǒng)相互協(xié)作、依靠、制約，從而保證正常施工。該掛籃系統(tǒng)適用于最大梁段重20 t；梁段長(zhǎng)4 m；梁高7 m；梁寬13.5 m；走行方式為倒鏈牽引；掛籃自重為50 t；傾覆穩(wěn)定系數(shù)空載時(shí)為8.60，灌注時(shí)為2.89。掛籃結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1掛籃結(jié)構(gòu)布置圖

2.1 主桁架系統(tǒng)

廣陳塘大橋的主橋采用單箱單室的連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)形式，用于施工的每副掛籃的主桁系統(tǒng)為兩榀結(jié)構(gòu)模式。主桁架由兩片菱形的桁片組成。為了提高主桁架系統(tǒng)的穩(wěn)定性和剛度，防止桁架傾覆。在前、后橫梁上設(shè)置了兩層聯(lián)結(jié)桿件。

主桁架為Q235B槽鋼雙拼結(jié)構(gòu)焊接而成，每一榀菱形主桁架由9個(gè)單元構(gòu)件組成，包括4個(gè)連接件與5個(gè)連接桿。其主桁架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2菱形主桁構(gòu)造

2.2 行走及錨固系統(tǒng)

菱形掛籃系統(tǒng)在懸澆完一段箱梁，通過(guò)質(zhì)量驗(yàn)收，簡(jiǎn)單清理檢查后，方可開(kāi)始前移[8]。通過(guò)設(shè)置在連續(xù)箱梁前端的限位器來(lái)保證掛籃系統(tǒng)的行走安全及位移限制。前移牽引工具為10 t手拉葫蘆，在前移過(guò)程中，必須保證兩榀主桁架具有時(shí)間、位移、速度上的同步，所有的手拉葫蘆必須保證同步進(jìn)行，防止掛籃系統(tǒng)再移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生受力不均勻，導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力集中而破壞。

掛籃的錨固系統(tǒng)是安全施工的重要保證工程，主要由斜拉索、錨箱、后錨桿等錨固形式組成[9]。斜拉索錨固于橫梁底面的錨箱內(nèi)，錨箱則焊接于橫梁上，并設(shè)置加勁板進(jìn)行穩(wěn)定處理。為了便于錨固系統(tǒng)的操作，在橫梁前端底板位置處開(kāi)人洞并設(shè)置吊籠。充分利用已完成梁端的底板、翼緣板和預(yù)埋孔，將后錨點(diǎn)設(shè)置在已完成梁段的頂板或底板上。在設(shè)置錨固系統(tǒng)時(shí)要保證錨件與被錨件的受力均勻，防止錨固失效。圖3為后錨壓梁及軌道錨固示意圖。

圖3掛籃錨固示意圖

2.3 吊帶系統(tǒng)

吊帶系統(tǒng)是保證模板和澆筑施工的前提手段，需保證在最不利工況下能夠安全運(yùn)行。吊帶系統(tǒng)主要與主桁架、已完成梁段、滑梁等構(gòu)件相連接，如圖1(a)所示。吊桿構(gòu)件采用長(zhǎng)度不一的Φ32 mm精軋螺紋鋼組成。吊帶系統(tǒng)的上端主要與前上橫梁及已完成箱梁的頂面翼緣板以及底板上。下端則與底板平臺(tái)、側(cè)模和內(nèi)模的支撐滑梁連接，吊帶系統(tǒng)需控制整體傾斜度，保證施工質(zhì)量。

2.4 模板支撐系統(tǒng)

模板支撐系統(tǒng)主要為模板架設(shè)及混凝土澆筑系統(tǒng)服務(wù)，主要由掛籃底部的下橫梁構(gòu)件、底模板支撐的縱向分配梁及側(cè)模板支撐架等組成[10]；橫梁包括前、后下橫梁各一根，前下橫梁與主桁架的前上橫梁上通過(guò)吊桿相連接，后下橫梁則通過(guò)吊桿與已完成段箱梁的底板相連；縱向分配梁支撐于前、后下橫梁上，底模板平臺(tái)下的縱向分配梁采用加密處理。側(cè)模模板支撐搭設(shè)于前、后下橫梁與縱向分配梁上，如圖1(a)所示?？v向分配梁采用I28工字鋼、16 mm厚鋼板焊接而成?？v向分配梁?jiǎn)喂?jié)長(zhǎng)度為4.26 m。待連續(xù)箱梁施工結(jié)束后，底平臺(tái)系統(tǒng)與掛籃整體同步向前移動(dòng)，保證移動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性。其整體如圖4所示。

圖4底平臺(tái)系統(tǒng)示意圖

2.5 模板系統(tǒng)

模板系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性是保證正?；炷翝仓那疤釛l件，需保證模板連接可靠、易脫模、不漏漿等基本技術(shù)要求[11]。模板系統(tǒng)主要由外模和內(nèi)模組成。

外模采用鋼模，鋼模板具有循環(huán)利用及抵抗變形能力大的優(yōu)勢(shì)。外模板與內(nèi)模采用螺桿連接，外加支撐固定，保證內(nèi)外模板協(xié)調(diào)工作，極大提高穩(wěn)定性。面板由6 mm鋼板加型鋼帶組成，外模單節(jié)長(zhǎng)4.8 m。模板骨架由槽鋼焊接而成，與面板焊接牢固。

側(cè)模支撐于外滑梁上，外滑梁每側(cè)兩根，共四根，由雙[32槽鋼和雙[25槽鋼與10 mm厚鋼板焊接而成，外滑梁前端通過(guò)吊桿與前上橫梁連接，后端與完成段箱梁的翼緣板混凝土連接。

內(nèi)模由面板、內(nèi)模桁片、連接件等構(gòu)件組成。面板采用1.5 cm竹膠板，下鋪10 cm×10 cm木方，支撐于桁架片上，桁架片支撐在內(nèi)滑梁上。內(nèi)模側(cè)模采用竹膠板后背木方加鋼管用對(duì)拉桿與外模拉緊固定，以此保證內(nèi)模板的穩(wěn)定性。

3 掛籃設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 掛籃主要設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)荷載及組合：

(1) 梁段混凝土重量：2.65 t/m3。

(2) 人群及機(jī)具荷載取2.5 kN/m2。

(3) 超載系數(shù)取1.05。

(4) 新澆混凝土動(dòng)力系數(shù)取1.2。

(5) 掛籃行走時(shí)的沖擊系數(shù)取1.3。

(6) 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)2.0。

(7) 荷載組合[12-13]：

① 強(qiáng)度計(jì)算：混凝土自重+掛籃自重+施工、人、機(jī)自重+動(dòng)力附加系數(shù)。

② 剛度計(jì)算：混凝土自重+掛籃自重+施工、人、機(jī)自重。

③ 行走穩(wěn)定性驗(yàn)算：掛籃自重+沖擊附加系數(shù)。

3.2 各桿件計(jì)算分析

基于MIDAS/Civil建立該施工掛籃系統(tǒng)的有限元計(jì)算模型(如圖5所示)，對(duì)掛籃的各桿件進(jìn)行計(jì)算分析。掛籃系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算采用容許應(yīng)力法[14]。該菱形掛籃構(gòu)件的材質(zhì)均為Q235B，其容許正應(yīng)力為[σ]=145 MPa[15]。

圖5掛籃有限元模型

為了減少計(jì)算過(guò)程，優(yōu)化掛籃的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，只需考慮該施工過(guò)程中最不利施工工況下掛籃各桿件的內(nèi)力即可滿足所有工況條件。選取各個(gè)工況下最重節(jié)段的混凝土澆筑施工工況，計(jì)算該掛籃系統(tǒng)中各桿件的應(yīng)力和變形值。其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果

由表1計(jì)算結(jié)果知，掛籃最大應(yīng)力為124.8 MPa，對(duì)應(yīng)的施工工況為8#塊施工，最大應(yīng)力構(gòu)件位置為外滑梁上。掛籃最大撓度值為10.7 mm，對(duì)應(yīng)的施工工況為1#塊施工，最大撓度構(gòu)件為后下橫梁上。通過(guò)對(duì)各階段澆筑最不利工況的計(jì)算，掛籃的各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均小于許用應(yīng)力，且最大豎向位移均小于20 mm。所以，各構(gòu)件的應(yīng)力及變形均滿足規(guī)范要求，施工過(guò)程中能夠滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的基本要求。

3.3 吊桿計(jì)算分析

依據(jù)該菱形掛籃吊帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)掛籃的吊帶系統(tǒng)共分為20根長(zhǎng)短不一的吊桿，對(duì)稱(chēng)分布。其中，底籃吊桿共計(jì)8根，滑梁吊桿共計(jì)12根。所有吊桿均采用Q235B材質(zhì)的Φ32 mm精軋螺紋鋼，其抗力為500 kN。依據(jù)不同工況條件下的有限元模擬計(jì)算，確定最不利工況條件下吊桿受力情況。其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6吊桿的計(jì)算結(jié)果

由最不利工況下吊帶的最終計(jì)算結(jié)果可知，吊桿整體受力呈對(duì)稱(chēng)分布，該分布狀態(tài)可保證底平臺(tái)系統(tǒng)防止傾斜變形?；旱鯒U在8#塊施工條件下表現(xiàn)為最不利受力狀態(tài)，最大受力吊桿為后下橫梁與已澆筑箱梁連接的吊桿，最大受力為95 kN。底籃吊桿在1#塊施工條件下表現(xiàn)為最不利受力狀態(tài)，最大受力吊桿與掛籃滑梁吊桿一致，最大受力為257.8 kN<500 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 掛籃主桁架抗傾覆驗(yàn)算

掛籃主桁架后錨系統(tǒng)采用4根材質(zhì)為Q235B的Φ32 mm精軋螺紋鋼，如圖3(a)所示。錨固安全系數(shù)取2.0。其主桁架的后錨抗傾覆計(jì)算示意圖如圖7所示。

后錨點(diǎn)在澆注8#塊4 m節(jié)段混凝土?xí)r，后錨點(diǎn)的錨力達(dá)到最大值，最大為569 kN。由模擬計(jì)算可知，傾覆力為437.4 kN，傾覆彎矩M=P×L=437.4×5.3=2318.22 kN·m，后錨點(diǎn)共設(shè)置4根Φ32 mm精軋螺紋鋼，則后錨點(diǎn)的抗力共計(jì)為P1=4×500=2000 kN?？箖A覆彎矩M1=P1×L1=2000×4.05=8 100 kN·m。抗傾覆系數(shù)為K=M1/M=3.49>2，滿足規(guī)范要求。

圖7后錨抗傾覆計(jì)算示意圖

4 掛籃測(cè)試

掛籃的理論計(jì)算可作為掛籃設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，但往往與實(shí)踐應(yīng)用存在一定的誤差。然而，掛籃的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓測(cè)試，不僅能夠驗(yàn)證掛籃設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算的合理性，而且能提前消除掛籃的主桁架系統(tǒng)、吊帶及底籃系統(tǒng)的非彈性變形。掛籃現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試主要包括撓度變形和應(yīng)力測(cè)試。掛籃測(cè)試過(guò)程中，施加荷載的安全系數(shù)取1.2[16]。

由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)掛籃系統(tǒng)在最大設(shè)計(jì)荷載作用下，掛籃的各個(gè)桿件的撓度及變形均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。掛籃主桁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力均小于理論計(jì)算值，原因在于理論計(jì)算過(guò)程中，處于安全設(shè)計(jì)的理念，考慮了較大的安全系數(shù)，導(dǎo)致具有較大的安全儲(chǔ)備。

5 結(jié) 語(yǔ)

論文基于廣陳塘大橋施工過(guò)程中采用菱形掛籃雙懸臂澆筑，通過(guò)對(duì)掛籃系統(tǒng)的各個(gè)部分的施工分析，通過(guò)有限元模型計(jì)算及抗傾覆驗(yàn)算，對(duì)施工過(guò)程中存在的最不利工況下掛籃的受力情況進(jìn)行受力分析，計(jì)算結(jié)果滿足施工及規(guī)范的要求。

該掛籃結(jié)構(gòu)已在廣陳塘大橋的施工中成功應(yīng)用，說(shuō)明選用菱形掛籃施工在廣陳塘大橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁的方案是合理可行的。該掛籃具有較高的行走效率，結(jié)構(gòu)安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。為以后類(lèi)似施工提供了借鑒。