黃浩鴻

摘要：菱形掛籃是懸臂施工最主要的設(shè)備之一。文章以南寧市馬山縣金釵鎮(zhèn)八甫大橋懸臂施工為例，介紹了菱形掛籃的設(shè)計思路，同時運用有限元軟件Midas Civil 2010，從掛籃的結(jié)構(gòu)、施工工況、計算參數(shù)設(shè)計、澆筑混凝土階段、行走階段等方面，對其結(jié)構(gòu)受力進行計算分析，并提出了掛籃施工的相關(guān)注意事項。

關(guān)鍵詞：特大箱梁橋;菱形掛籃;設(shè)計;受力;懸臂施工

中圖分類號：U448.213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A UOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.030

文章編號：1673-4874（2019）10-0104-06

0引言

懸澆施工是在以鋼為原材料制成品的各類腳手架上，如掛籃等，由橋墩向跨中對稱地支模、扎鋼筋以及穿預(yù)應(yīng)力模道等，待梁體的保養(yǎng)和維護與設(shè)計強度標(biāo)準(zhǔn)基本相符時，就開始穿束，同時對橋梁施加預(yù)應(yīng)力的措施。由于運用掛籃懸澆施工措施具有較多的優(yōu)點，如地形對其限制不大，對正常交通也不會產(chǎn)生影響，不需要較大的吊機等，所以被廣泛地應(yīng)用于混凝土梁橋建設(shè)過程之中。文獻(xiàn)介紹了通過對掛籃的系統(tǒng)驗算及實際施工應(yīng)用，證明了橋梁掛籃系統(tǒng)的可靠性，為同類橋及相似掛籃系統(tǒng)進行有限元軟件設(shè)計計算和懸臂澆筑施工積累了經(jīng)驗。文獻(xiàn)介紹了整套掛籃設(shè)計在西江特大橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)懸臂施工中得到成功運用的經(jīng)驗。施工實踐表明，掛籃可靠、安全、性能靈活，其施工工藝得到了進一步的提升，為同類型橋梁的施工積累了經(jīng)驗。掛籃作為連續(xù)懸臂澆筑施工中一種比較常用的施工設(shè)備，應(yīng)用非常廣泛，因此本文對八甫大橋箱梁橋菱形掛籃設(shè)計與應(yīng)用進行研究具有很強的現(xiàn)實意義。

1工程案例

八甫大橋位于南寧市馬山縣金釵鎮(zhèn)境內(nèi)忻城至大化二級公路五期K92+086處。此橋的主橋箱梁開始于8*墩，結(jié)束于11*墩。橋上部跨徑設(shè)計為59.98m+100.01m+59.98m。橋梁的寬度為25.9m，分為左右兩幅，中間空距僅有1m，每幅都為獨立的單箱單室直腹變截面箱梁，箱梁頂面寬度為12.49m，底寬為6.49m。翼沿板的懸臂長度各為2.99m，此板兩端的厚度是0.4-0.6m，與箱梁頂面齊平。主墩頂梁高度為6.4m，邊跨與中跨現(xiàn)澆梁段高度為2.5m，箱梁縱向高由底部向跨中依照二次拋物線進行變化。邊跨12*塊現(xiàn)澆段長度為8.940m，主橋箱梁0*塊使用支架現(xiàn)澆，1#-10*塊與此合龍段的11*塊都是使用支架掛籃懸臂現(xiàn)澆。整個大橋運用斜交正做，雙幅橋梁主跨錯位16m。全橋的箱梁使用豎、縱、橫三向預(yù)應(yīng)力體系：頂?shù)装蹇v向預(yù)應(yīng)力束使用高強低松馳的φ15.24mm鋼絞線，大噸位群錨體系;頂板橫向東運用高強低松馳φ12.70mm鋼絞線，扁錨體系，錨具為OVM.EM13-3，再設(shè)置扁波紋管配備成孔，單端單側(cè)張拉;腹板豎向預(yù)應(yīng)力筋運用高強度精軋螺紋鋼筋錨具（型號為φ15.YGM-25）。箱梁1*-4*塊長度為3.49m，箱梁5#-10*塊長度為4.49m，合龍之后的長度為2m左右，5*塊件為最重塊段，單塊混凝土體積為46.49m，重量大約為115.98t左右。

2 八甫大橋箱梁橋菱形掛籃設(shè)計思路

依據(jù)國內(nèi)當(dāng)前掛籃設(shè)計水平與加工能力，在本橋懸臂澆筑設(shè)計時要對本橋多方面因素加以考慮，比如梁段的重量、長度、斷面的形式與外形規(guī)格等。除此之外，還要求將掛籃的長期使用性、通用性，以及梁段施工B寸所承受的荷載等因素也融入其設(shè)計思路之中（見圖1）。具體思路如下：

（1）選擇一種比較合適的輕型結(jié)構(gòu)用來做掛籃的主桁，這種輕型結(jié)構(gòu)主要具有受力合理、剛度強與安全可靠等特性。

（2）掛籃選材要從國內(nèi)生產(chǎn)的高強輕質(zhì)鋼材方面進行選擇，同時還要選擇容易加工的材質(zhì)。如果國內(nèi)市場難以找到合適的材料，建議從國外采購進口材料。

（3）掛籃行走與模板降升等均使用液壓裝置，其目的主要是依靠自動化來提升生產(chǎn)效率，降低人工勞動強度。

（4）使用主桁架、內(nèi)模與外模分開行走，分二次行走到位的措施，從而使得后勾裝置的受力變小，平衡裝置不再進行設(shè)置。

（5）吊升系統(tǒng)使用吊帶與精軋螺紋鋼筋，使得錨固、拆裝與調(diào)整均較方便、簡單。

（6）走行系統(tǒng)中的滑道是完全憑借箱梁上的豎向預(yù)應(yīng)力筋進行錨固的，當(dāng)掛籃空載向前進行移動時，主要是依憑后勾裝置平衡傾覆力矩。

3 掛籃的設(shè)計與受力分析

3.1掛籃的結(jié)構(gòu)

掛籃屬于一種移動支架，其外觀、結(jié)構(gòu)形狀是多樣化的，既有三角形、斜拉式，又有桁架、菱形式與混合式。通過對箱梁節(jié)段重量與掛籃重量的對比，以及各種掛籃結(jié)構(gòu)特點進分析，工程案例中還是選擇了菱形掛籃。掛籃結(jié)構(gòu)受力分析采用有限元軟件Midos Civil2010進行計算，采用整體模型，除吊桿外均采用梁單元，吊桿采用桿單元模擬，主桁架各節(jié)點的連接釋放銷軸的自由度。計算模型如圖2所示：

（1）主桁架。主桁架屬于掛籃最重要的構(gòu)成部分之一，在掛籃中主要起著承重的作用，分兩塊直立于箱梁腹板位置之上，它們之間采用角鋼相互構(gòu)成平面進行聯(lián)結(jié)，每塊桁架都是采用槽鋼組焊起來的。槽鋼大小依照掛籃受力情況進行確定，連接點使用820結(jié)點板與m0螺栓進行連接。

（2）懸吊系統(tǒng)。懸吊系統(tǒng)主要包括前吊帶與后吊帶。前吊帶的功能就是把懸臂澆筑箱梁的多種板（底板、腹板與底模板等）與頂板混凝土的重量傳承給主桁架，具體使用鋼板材料依據(jù)橋梁設(shè)計需要進行確定。前吊帶底模架前橫梁與其下端進行連接，每組吊帶采用2臺30t的螺旋千斤頂與扁擔(dān)梁對其底模高程進行調(diào)節(jié)。后吊帶的作用是將底模模板荷載傳至已成箱梁底板，上部設(shè)置若干調(diào)節(jié)孔，以適應(yīng)梁底板厚度的變化。后吊帶底模架后橫梁與其下端進行焊接，上端穿過上箱梁底板上，該底板上還有預(yù)留孔，每個吊帶使用2臺螺旋千斤頂與扁擔(dān)對已經(jīng)安裝的箱梁上底板進行支撐。

（3）模板系統(tǒng)。箱梁外側(cè)模外框架主要由兩部分鋼材焊接組成，分別是角鋼與槽鋼。槽鋼主要用來做箱梁外側(cè)模的圍框，同時還使用了大塊鋼框與竹膠板組裝而咸，可根據(jù)梁段的高度和長度變化進行拆卸。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由角鋼制作。外側(cè)模支承在外模走行梁上，后端通過吊桿懸吊在已灌注好的箱梁頂板上，后吊桿與走行梁之間安裝了后吊架，后吊架上再設(shè)置滾動軸承，掛籃行走時，外側(cè)模與外側(cè)模走行梁一起沿著后吊帶向前滑行。

（4）錨固系統(tǒng)與走行系統(tǒng)。前者主要是指箱梁上的軌道是通過其豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋進行錨固，而軌道上的菱形桁架后節(jié)點是通過后扁擔(dān)梁進行錨固的。不過箱梁上進行錨固所需要的豎向預(yù)應(yīng)力筋的根數(shù)是依據(jù)計算算出的。后者主要是指在箱梁頂面設(shè)置兩根軌道，該箱梁頂面是位于兩塊桁架的下面，兩根軌道是使用鋼板焊接起來的。軌道再經(jīng)過短梁錨固在梁體的豎向預(yù)應(yīng)力筋上，桁架前端設(shè)置前支座，桁架后端設(shè)置后支座，后支座在不必增加平衡重的狀況下運用逆扣輪沿軌道下沿進行移動。主要采用2個5t重的手動葫蘆進行引領(lǐng)，掛籃在手動葫蘆的作用下才能向前移動，軌道的分節(jié)以梁段的長度作為依據(jù)進行制作。

3.2 施工工況計算

節(jié)段施工通常分咸以下幾個流程：

A掛籃空置走行到位→B立?！鶦綁扎鋼筋→D澆灌混凝土→E混凝土凝固達(dá)到設(shè)計強度后按順序張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼束→F拆模。

流程A、C、D給施工帶來不便，所以依據(jù)的設(shè)計圖紙的規(guī)定與掛籃施工工藝，對掛籃有關(guān)工藝進行計算，可分成三大計算工況：工況一，在對2*節(jié)進行施工時，L（梁長）為3m，混凝土重為140kN;工況二，在對5*節(jié)段進行施工時，L（梁段）為3.5m，混凝土重為132kN;工況三，掛籃空載行走，此掛籃只承受模板與施工時所承載的重量。

3.3 有關(guān)計算參數(shù)設(shè)定

（1）γs=26.49kN/m為混凝土的容重，鋼材容重γs=78.49kN/m。

（2）Es=210kPa為鋼材彈性模量。

（3）材料容許應(yīng)力為：Q235鋼材，其[σ]彎曲力，[σ]抗拉、抗壓軸向力以及[τ]剪應(yīng)力分別為：145kPa、140kPa與85kPa;Q345鋼材，其[σ]彎曲力，[σ]抗拉、抗壓軸向力以及[τ]剪應(yīng)力分別為：210kPa、200kPa與120kPa;45#鋼材，其[σ]彎曲力[σ]抗拉、抗壓軸向力以及[τ]剪應(yīng)力分別為：220kPa、210kPa與125kPa;32mm的精軋螺紋鋼筋[F]為550kN。

3.4 掛籃澆筑混凝土階段結(jié)果分析

如圖3所示，為掛籃澆筑混凝土過程中，其結(jié)構(gòu)的組合應(yīng)力分布，側(cè)模吊帶上為最強的組合應(yīng)力。同時掛籃結(jié)構(gòu)變形，其中最大變形值位于底膜縱梁之間，如圖4所示。最終主要部件受力計算結(jié)果如表1所示。可以得知，每個桿件強度和剛度都符合規(guī)范要求。

（1）底?？v梁使用的材料為140工字鋼，總共11支，兩端簡單地支架在后橫梁之上。底模前后橫梁屬于連續(xù)梁，它的支座剛好處于懸吊點的位置。底模板依照相關(guān)設(shè)計圖紙要求，使用材質(zhì)為鋼模板，其結(jié)構(gòu)屬于縱橫格體系，該板是雙向板。此種模式在很多掛籃上使用效果較佳，因此無須再進行驗算。

（2）前、后橫梁與前上橫梁的結(jié)構(gòu)均是使用2140工字鋼組裝形成的。

（3）掛籃的主要重量由主構(gòu)架承載，是掛籃最為重要的位置，主構(gòu)架的穩(wěn)固性對掛籃安全性通常起著決定性的作用。所以，在設(shè)計主構(gòu)架時務(wù)必要加強其強度與穩(wěn)定[生。其結(jié)構(gòu)受力情況如圖5所示。從圖5中可知，桿件最大的拉應(yīng)力為109kPa，最大壓應(yīng)力為103kPa，還需要對受壓構(gòu)件承載能力的穩(wěn)定性進行計算。

受壓桿橫截面積A為0.0009505m，其構(gòu)件計算長度為ι=4.94m，此構(gòu)件截面對主軸X與Y的回轉(zhuǎn)半徑X為0.1128m，Y為0.1127m，整個構(gòu)件對X、Y的實、虛軸的長細(xì)比，分別為λ=43.79，λ=43.79，都低于允許值[λ]=149.98。兩者相鄰的兩綴板之間的中心距ι=0.493m，分肢繞與它虛軸方向形心軸平行的回轉(zhuǎn)半徑ι=0.0228m，分肢對最小剛度軸的長細(xì)比λ=21.7，i=21.7。格構(gòu)式的軸心受壓構(gòu)件的換算長細(xì)比為：

（4）它的內(nèi)模滑梁使用的槽鋼為2[30。

（5）外?；哼\用槽鋼，且在它上部與下部均貼上厚度為0.0001m的鋼板。

（6）掛籃所有工序流程中最為關(guān)鍵的受力環(huán)節(jié)就是后錨，而且此工序還是實施掛籃安全施工最為重要的方法之一。后錨對于掛籃施工的安全性有著決定性的作用，所以，后錨的牢固性與安全性長期以來受到設(shè)計人員與施工人員的高度重視。后錨的安全系數(shù)通常超過2.5。從主構(gòu)架的計算結(jié)果知道，主構(gòu)架后錨力大小為460kN。從相關(guān)設(shè)計資料可知，后錨是采用四支后錨扁擔(dān)經(jīng)過B支φ32mm的精扎螺紋鋼與梁體錨固在一起，其行走的軌道則是由混凝土梁的豎向預(yù)應(yīng)力筋錨固在箱梁之上，所有后錨荷載的力均由后錨扁擔(dān)進行承載，總共高達(dá)460kN，共由四支后錨扁擔(dān)承載，每支后錨扁擔(dān)承載力均為115kN，再乘以不均勻系數(shù)1.3，就得到每支后錨扁擔(dān)承載重量為149.5kN。最高應(yīng)力為31kPa，<140wPa，與要求相符。單支φ32mm的精軋螺紋鋼筋F=550kN，則后錨精軋螺紋鋼承受的最高拉力是149.5/2=75kPa，<140kPa，它的顛覆穩(wěn)固系數(shù)超過2.5，所以，與其要求基本相符。

3.5 掛籃行走階段結(jié)果分析

因為掛籃行走時沒有承載混凝土的重量，所以對于掛籃各組成部分，如菱形架、底模平臺每個桿件等部件不必進行相關(guān)強度與剛度的繁瑣的驗算。但因掛籃內(nèi)外模一切荷載均由滑梁與內(nèi)?？v梁所承載，因此不但要對掛籃行走時的穩(wěn)定性進行驗算，而且還要對內(nèi)模支撐縱梁與滑梁的應(yīng)力進行驗算，其計算模型詳見圖6。

（1）外?；?/p>

在掛籃行走過程中，外?；河嬎憧缍茸畲?，其中需要計算強度是否符合規(guī)范范圍。如圖7所示，最大應(yīng)力為129kPa，<140kPa，與要求相符。

（2）內(nèi)?；?/p>

在掛籃行走時，計算跨度最大的為內(nèi)?；?，所以應(yīng)對內(nèi)?；簭姸仁欠襁_(dá)到規(guī)范要求進行計算，其相應(yīng)的應(yīng)力詳見圖8，最高應(yīng)力為67.4kPa，<140kPa，與要求相符。

（3）后支點反掛輪計算

掛籃的后支撐點的反向力R=28130N。行走期間，后支撐點運用反掛輪的形式，所以，后支腿每個掛輪耳板所承受的偏心荷載是N=28130N，再取掛輪至耳板中心距為0.098m，那么耳板所受到的力矩就是M=-2.756740N/m。耳板的厚度為0.025m，貼板厚度為0.016m，其對拉處寬度為0.29m，貼板的總寬度為0.1m。經(jīng)查詢有關(guān)資料可知，截面形狀特點值I=856942mm，從形心至上頂面的距離y=24.5mm，A=7643mn2。因此，通過計算，對拉處彎曲正應(yīng)力、軸向力引起的正向應(yīng)力分別為σ=78.8kPa、σ=82.5kPa。而軸向力引起的正向應(yīng)力σ<210kPa，其安全系數(shù)為210kPa除以正向應(yīng)力82.5kPa得到2.5。

（4）有關(guān)掛籃的行走軌道計算分析

關(guān)于P荷載：后支撐點傳遞荷載P為113kN，通過計算，彎矩、抗彎模量、彎應(yīng)力分別為M=181kN·m、Wx=0.002383m、σ=76kPa。彎應(yīng)力σ=76kPa，<140kPa。當(dāng)縱行軌道后錨點離后支點>1.6m時，與抗彎要求相符。

（5）主構(gòu)架間橫聯(lián)計算

在掛籃行走與空置時，橫向風(fēng)力對其影響不大。在此時計算荷載通常是幾個方面荷載與重量集合，如施工機械、行走沖擊、風(fēng)的荷載以及內(nèi)外模與提升裝置的重量。其計算模型見圖9，組合應(yīng)力見圖10。最高構(gòu)成應(yīng)力為44kPa，<140kPa，與其要求相符。

4施工注意事項

4.1模板安裝

掛籃施工對于模板安裝要求非常高，其技術(shù)要求嚴(yán)格：（1）要做到堅固;（2）要能預(yù)防混凝土澆筑出現(xiàn)傾覆;（3）還需控制好模板的高度。由于模板的高度與澆筑混凝土有著最為密切的關(guān)系，所以關(guān)于模板的標(biāo)高務(wù)必要依據(jù)橋梁設(shè)計的預(yù)拱度與掛籃預(yù)壓之后所形成的撓度進行設(shè)定。

4.2 大橋菱形掛籃制造安裝

菱形掛籃主要是采用鋼筋進行制作與安裝的。其技術(shù)要求較高，在制作與安裝過程中還關(guān)系到箱梁澆筑強度與質(zhì)量。同時還要對鋼筋的位置嚴(yán)格把控。在搭建鋼管支架之后，開始綁扎掛籃腹板鋼筋，此外還要把腹板鋼筋的傾斜度控制好?？刂品椒ㄊ峭ㄟ^模板對其進行控制，保證模板與鋼筋傾斜于同一方向，同時還確保兩側(cè)腹板鋼板對稱綁扎同步進行，不能出現(xiàn)一前一后的狀況，其作用主要是預(yù)防鋼管支架向一邊傾斜。一方面控制好標(biāo)高，此標(biāo)高主要指掛籃底板上層的鋼筋標(biāo)高，而且還要使用鋼筋對其進行焊接，使其更加穩(wěn)固，主要防止在澆筑過程中上層鋼筋出現(xiàn)下沉現(xiàn)象;另一方面還要使底板保持干凈，當(dāng)?shù)讓愉摪褰壴Y(jié)束之后，應(yīng)該對其進行沖洗干凈。

4.3掛籃的預(yù)壓

掛籃的預(yù)壓是保證其安全使用的前提，因此掛籃施工過程的預(yù)壓應(yīng)引起相關(guān)人員高度重視。掛籃施工存在的最大安全隱患就是容易發(fā)生傾覆，導(dǎo)致人員傷亡與設(shè)備損壞等事故的發(fā)生。預(yù)壓是掛籃施工安全中最為重要的內(nèi)容之一。預(yù)壓前，要緊固后錨系統(tǒng)受力拉桿，特別是后壓系統(tǒng)和前橫梁系統(tǒng)的拉桿，使各拉桿能受力均勻。在進行預(yù)壓時，運用等級為10t，兩個掛籃左右對稱同時預(yù)壓，每個掛籃一起加載100t，每進行加載一次，均務(wù)必要對導(dǎo)梁標(biāo)高認(rèn)真細(xì)致地觀測，而且還要密切關(guān)注掛籃系統(tǒng)是否有較明顯變化。通過預(yù)壓，能夠為立模設(shè)定標(biāo)高提供比較可靠的依據(jù)。

4.4 預(yù)埋鋼筋與垂直預(yù)留孔

在掛籃的后錨系統(tǒng)預(yù)埋32條（鋼筋為精軋螺絲）鋼筋時，要進行垂直預(yù)埋。在施工過程中對這32條鋼筋進行認(rèn)真細(xì)致的檢查。檢查主要包括兩方面內(nèi)容：（1）保證每一條鋼筋在同一軸線上;（2）保證頂板鋼筋與預(yù)埋的鋼筋焊接穩(wěn)固，不容易脫落。此外，掛籃中預(yù)留孔設(shè)計也要注意幾方面的檢查：（1）保證孔位正確。（2）預(yù)留孔具有垂直度。（3）孔內(nèi)管道還要使用鋼筋進行焊接，保證焊接穩(wěn)固;管內(nèi)塞上海綿進行填充，以便防止混凝土進入管道里。

4.5 張拉要達(dá)到設(shè)計強度90%后才可以施工

在掛籃施工過程中，張拉必須要達(dá)到90%以上才可以施工，同時還要依照腹板束→頂板縱向東→橫束交叉的順序進行施工。在張拉完成后，可以馬上進行壓漿。壓漿完成之后，才能進行掛籃前移，進入下一個箱梁段面的施工。

5 結(jié)語

菱形掛籃由于具有較多的優(yōu)點，如節(jié)點少、重量輕、行走方便、拼裝簡單等，能夠在很大程度上提高施工效率，因此廣泛地應(yīng)用于混凝土連續(xù)梁懸澆施工中。此掛籃運用在八甫大橋主橋工程實踐中取得了很大成功，在正常施工條件下10-13d就完成了一個節(jié)段，在此大橋梁工程中提前1-2個月完成施工，在橋梁工程建設(shè)施工單位中贏得良好的聲譽，同時也創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益與社會效益，為類似工程提供了很好的參考經(jīng)驗。