張清川

（中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧沈陽 110136）

在國內(nèi)高速鐵路橋梁建設(shè)中，混凝土連續(xù)梁采用掛籃懸臂澆筑法施工已較為普遍，在懸臂施工過程中，掛籃承受新澆筑節(jié)段混凝土及施工設(shè)備的全部重量，因此掛籃的承載能力及施工的安全性尤為重要。掛籃反力架預(yù)壓的目的是檢驗(yàn)掛籃主桁的實(shí)際承載力和掛籃的安全與可靠性，并獲得彈性和非彈性變形參數(shù)，為懸臂梁施工提供數(shù)據(jù)，同時檢驗(yàn)掛籃加工質(zhì)量［1］。目前，傳統(tǒng)的掛籃預(yù)壓方法主要有混凝土預(yù)制塊、砂袋或水箱直接堆載法，耗時長、費(fèi)用高且難以模擬掛籃實(shí)際工作狀態(tài)，往往難以適應(yīng)菱形掛籃預(yù)壓的施工需要［2］。

結(jié)合杭長客運(yùn)專線外崗塢特大橋工程特點(diǎn)、菱形掛籃的結(jié)構(gòu)形式以及項目自身資源的情況，提出了用反力架的加載方法［3］，對菱形掛籃進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)。

1 工程概況

杭長高速鐵路外崗塢特大橋跨越規(guī)劃江郎山大道，主橋結(jié)構(gòu)為1 聯(lián)（58+90+58）m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室連續(xù)箱梁。箱梁頂寬12.1 m，箱梁底寬8 m，頂板厚40 cm，底板厚80～100 cm，腹板厚80～70 cm，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高2 m，其余梁段梁高按1.8 次拋物線變化。箱梁0#節(jié)段采用托架現(xiàn)澆施工，1#～13#節(jié)段采用菱形掛籃逐節(jié)懸臂澆筑，邊跨合龍段及12 m 邊跨段采用支架現(xiàn)澆法施工。其中，掛籃主桁架桿件均采用普通熱軋2［32c 槽鋼焊接組成，2［32c槽鋼截面積A=123 cm2，其軸向容許應(yīng)力［σ］＝240 MPa，容許最大應(yīng)力［σw］＝245 MPa；節(jié)點(diǎn)銷子（φ60 mm）的孔壁承壓應(yīng)力為310 MPa；吊帶采用寬度為15 cm、厚度為3 cm 的Q345 鋼材，其軸向容許應(yīng)力［σ］＝300 MPa，容許最大應(yīng)力［σw］＝310 MPa，節(jié)點(diǎn)銷子的孔壁承壓應(yīng)力為300 MPa；掛籃各構(gòu)件容許最大變形為30 mm；本橋各節(jié)段均采用反力架預(yù)壓技術(shù)對掛籃進(jìn)行預(yù)壓，掛籃預(yù)壓施工時選取混凝土最重的9#梁段作為掛籃預(yù)壓荷載，此時掛籃安裝在混凝土已澆筑段（7#，8#梁段）上，在8#梁段上設(shè)置反力架，利用千斤頂分級進(jìn)行加載。

2 反力架預(yù)壓工藝原理

根據(jù)菱形掛籃在施工中的實(shí)際受力，待9#節(jié)段菱形掛籃和箱梁底模安裝之后，將液壓千斤頂置于反力架與底模的預(yù)留空間內(nèi)，從已澆筑完成的箱梁體端部腹板混凝土中引出工字鋼反力架，利用其反向作用力通過液壓千斤頂、I32工字鋼支墊梁、I36工字鋼分配梁，分級傳到掛籃底板施加所需的預(yù)壓荷載，進(jìn)而傳遞到掛籃吊帶、前后上橫梁、主桁架及已澆筑梁段上，從而模擬掛籃在澆筑過程中的實(shí)際受力狀態(tài)，測量出掛籃在荷載作用下各部位的變形數(shù)據(jù)和規(guī)律，以達(dá)到掛籃預(yù)壓的目的［4］。

3 反力架預(yù)壓設(shè)計

菱形掛籃預(yù)壓是采用液壓千斤頂+反力架在底模板范圍內(nèi)建立受力體系，對掛籃進(jìn)行加載預(yù)壓，掛籃反力架加載預(yù)壓側(cè)視、正視圖見圖1。

反力架預(yù)壓方案設(shè)計步驟如下：

1）在8#梁段端面兩側(cè)腹板施工中，預(yù)埋反力架預(yù)埋鋼板（單側(cè)2塊預(yù)埋鋼板）。

2）在預(yù)埋鋼板上安裝2 個反力架（每個反力架由2根I36a工字鋼和2根I20工字鋼組成三腳架）。

3）在反力架與掛籃底模平臺上的預(yù)留空間內(nèi)安裝4 臺200 t 液壓千斤頂（等間距布置在反壓墊梁上），千斤頂與底模板間設(shè)置鋼墊梁（4 根I20工字鋼），千斤頂和工字鋼反力架間設(shè)置分配梁（1根I36工字鋼）［5］。

4）通過千斤頂、分配梁、墊梁傳到掛籃底板施加所需的預(yù)壓荷載，從而根據(jù)9#梁段實(shí)際受力情況模擬掛籃后錨、吊帶及主桁架實(shí)際受力狀況，測出在液壓千斤頂逐級加載作用下掛籃結(jié)構(gòu)變形與強(qiáng)度。

為了防止預(yù)埋件處腹板混凝土在加載試驗(yàn)過程中開裂，在預(yù)埋件腹板全斷面范圍內(nèi)設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)（三層φ16@10×10 cm）。

4 掛籃預(yù)壓荷載及構(gòu)件強(qiáng)度計算

4.1 荷載確定與計算

菱形掛籃在澆筑混凝土期間，大部分荷載在底板位置由底板模板傳至底籃前后橫梁，再由吊帶、分配梁傳遞到橋面主桁架及底籃后錨，最終作用于已澆筑梁段混凝土上。菱形掛籃承受的荷載包括梁段的混凝土自重、掛籃及模板自重、施工荷載（施工機(jī)具、人員、材料等）及預(yù)壓荷載［6］。

4.1.1 箱梁混凝土自重荷載計算

各梁段混凝土重量不同，其中9#梁段混凝土自重最大，長度為4 m，頂板厚度為40 cm，底板厚度為80～100 cm，腹板厚度為70～80 cm。因此，選取最重的9#梁段進(jìn)行加載預(yù)壓，只要能保證該段澆注時掛籃的強(qiáng)度及剛度符合要求，其他梁段亦能保證。在澆注時，不同部分的混凝土自重傳遞給不同的掛籃構(gòu)件，為模擬掛籃實(shí)際受力狀態(tài)，將9#梁段兩端截面分割成7塊，分別計算其單位重量，計算示意圖見圖2，計算結(jié)果見表1。

圖2 9#梁段自重荷載計算示意

表1 分塊單位自重荷載計算

圖2中，A1，A2的重量由外模滑梁承擔(dān)，A4，A5的重量由內(nèi)模滑梁承擔(dān)，A3，A6，A7 的重量由底模板下縱梁承擔(dān)，通過底模板下橫梁、掛籃吊帶傳遞給前上橫梁，最終傳遞給主梁桁架上承重系統(tǒng)?；炷猎跐沧r，由于混凝土跌落時的沖擊和澆注的不均勻性，對掛籃的受力更為不利，反力預(yù)壓須考慮1.2 倍安全系數(shù)［7］。

4.1.2 施工荷載計算

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合該橋的實(shí)際情況，施工荷載取2.5 kN/m2，計算面積取澆注段底板的面積32 m2，澆注混凝土期間的施工荷載為80 kN。

4.1.3 預(yù)壓荷載計算

反力架預(yù)壓在菱形掛籃底模上進(jìn)行，其掛籃及模板自重已施加，所以掛籃預(yù)壓荷載主要模擬最重9＃梁段的底板、腹板、頂板的自重及施工荷載，荷載計算如下。

計算時混凝土的沖擊系數(shù)取1.2，施工荷載80 kN。假設(shè)預(yù)壓加載點(diǎn)1，4 模擬9＃梁段腹板及翼緣板混凝土的自重；預(yù)壓加載點(diǎn)2，3 模擬9＃梁段底承受底板、頂板混凝土的自重及施工荷載，即每臺千斤頂單位延米預(yù)壓荷載為：q1＝q4=207.10 kN/m，q2＝q3=157.57 kN/m；9#梁段長度4 m，則千斤頂承受的集中預(yù)壓荷載為：預(yù)壓加載點(diǎn)1，4 為828.40 kN，預(yù)壓加載點(diǎn)2，3 為630.28 kN。由以上可知，9#梁段預(yù)壓總荷載為2 917.36 kN。

4.2 掛籃構(gòu)件受力與頂力計算

將以上荷載及掛籃數(shù)據(jù)輸入MIDAS/Civil軟件，建立三維仿真模型。選取9#梁段各桿件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，掛籃底模預(yù)壓總荷載為2 917.36 kN，由MIDAS/Civil軟件計算可知，承重前吊帶承受的拉力為1 017.6 kN，其余拉力均由底模后錨下橫梁及承重后吊帶系統(tǒng)承受。由于千斤頂加載預(yù)壓點(diǎn)均設(shè)置在9#梁段掛籃前下橫梁底模上，其預(yù)壓反作用力直接施加于掛籃前橫梁、掛籃吊帶、主桁架上，因此模擬9#梁段掛籃實(shí)際受力和變形情況，從而測量出掛籃各部位的變形參數(shù)，以達(dá)到掛籃預(yù)壓的目的。后吊帶、后下橫梁、外模桁架、外?；?、內(nèi)?；旱冉Y(jié)構(gòu)直接錨固于7#，8#梁段箱梁頂板、翼緣板和腹板混凝土上，不作為荷載分析對象。偏安全考慮，每個吊點(diǎn)增加51 kN 荷載，掛籃底模前端4 臺千斤頂預(yù)壓力為1 323.6 kN。在澆筑9#梁段混凝土作用下，計算得到掛籃單吊帶承受的最大拉應(yīng)力發(fā)生在前下橫梁底模吊帶上，最大組合應(yīng)力σ＝23.56 MPa＜［σw］=310 MPa，滿足施工要求。由于菱形掛籃反力架加載預(yù)壓直接作用于掛籃底模上，進(jìn)而傳遞到掛籃吊帶、前后橫梁桁架上，因此將底模平臺、掛籃吊帶、桁架建立模型，底模荷載分布見圖3，吊帶拉力見圖4。

圖3 菱形掛籃底模荷載分布（單位：kN·m）

圖4 菱形掛籃桁架吊帶拉力（單位：kN）

由MIDAS/Civil 軟件計算可知，9#梁段在澆筑混凝土作用下，掛籃主桁架支反應(yīng)力最大發(fā)生在主桁架最后端兩個桿件處，最大組合應(yīng)力σ＝P/A=84.08 MPa＜［σw］＝245 MPa；9#梁段底模前端在1 323.6 kN 荷載的作用下，掛籃桁架桿件最大彈性變形發(fā)生在桁架前支點(diǎn)上橫梁位置處，fmax=-0.024 m＜0.030 m。因此，掛籃各桿件強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)應(yīng)力均能滿足施工要求。綜合考慮實(shí)際掛籃安裝存在非彈性變形因素，本掛籃底模預(yù)抬量為2.4 cm。掛籃底模前端加載1 323.6 kN，桁架及吊帶變形見圖5。

圖5 桁架及吊帶變形（單位：m）

5 現(xiàn)場預(yù)壓與變形觀測

根據(jù)外崗塢特大橋連續(xù)梁菱形掛籃的拼裝完成情況，將反力架設(shè)置在8#梁段腹板端面上，即在8#梁段4個腹板內(nèi)各預(yù)埋1個型鋼三角架作為預(yù)壓反力點(diǎn)，對9#梁段的菱形掛籃進(jìn)行預(yù)壓。在掛籃桁架前下橫梁前端底模上采用4臺液壓千斤頂及配套油泵逐級同時進(jìn)行加載預(yù)壓，觀測每級加載前后掛籃前后上橫托梁和主桁架各桿件變形數(shù)據(jù)和承載力。預(yù)壓完成后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)線性回歸分析加載與變形之間的關(guān)系，由此可推出掛籃前后上橫托梁和主桁架桿件的豎向位移，為施工控制提供可靠依據(jù)。

5.1 變形測點(diǎn)布置

為了充分測量掛籃的變形，在千斤頂反力架預(yù)壓過程中，菱形掛籃布置6個變形觀測點(diǎn)，主桁架后上橫梁設(shè)置2個（H2，H'2），后錨系統(tǒng)設(shè)置2個（H3，H'3），前上橫梁布置2個（H1，H'1），觀測點(diǎn)用紅油漆對已布設(shè)的點(diǎn)做好標(biāo)記。菱形掛籃變形觀測點(diǎn)布置見圖6。

5.2 預(yù)壓與變形觀測

圖6 菱形掛籃變形觀測點(diǎn)布置

利用液壓千斤頂+反力架對掛籃前端進(jìn)行加載預(yù)壓，首先對預(yù)壓加載點(diǎn)1，2，3，4 的千斤頂逐級按計算荷載的20%，40%，60%，80%，100%同步施加荷載，再分別按計算荷載的80%，40%，同步卸除荷載直至全部卸載，每級停留30 min。采用精密水準(zhǔn)儀對掛籃主桁架、掛籃底模、后錨、前后上橫梁等部位進(jìn)行變形位移測量；預(yù)壓結(jié)束后，將觀測數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，得出掛籃在實(shí)際荷載作用下前后橫托梁和掛籃主桁架各桿件結(jié)構(gòu)的變形情況，繪制荷載與位移變形的關(guān)系曲線，以判定掛籃的受力狀況能否滿足安全性及施工變形控制要求。當(dāng)現(xiàn)場變形數(shù)據(jù)與掛籃主桁架設(shè)計計算變形數(shù)據(jù)一致時，即可確定掛籃的強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足施工要求［8-10］。掛籃反力預(yù)壓加載分級見表2。

表2 菱形掛籃液壓反力預(yù)壓分級加載

5.3 外觀檢查測點(diǎn)

在加載預(yù)壓過程中，各級加載和卸載的間隔時間為30 min，除了對掛籃進(jìn)行后錨點(diǎn)、支點(diǎn)處、主桁架、前后橫梁處的變形測量監(jiān)測外，還要對其外觀進(jìn)行檢查，檢查掛籃受力后各桿件有無剛度不夠產(chǎn)生變形、焊縫有無脫焊、連接銷有無松動等異常情況，及時判斷是否需要繼續(xù)加載。若發(fā)現(xiàn)異常情況，立即停止預(yù)壓，進(jìn)行掛籃各構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的外觀檢查［11］。

6 預(yù)壓記錄及成果分析

在預(yù)壓中做好原始數(shù)據(jù)的記錄與分析，同時結(jié)合外觀檢查情況，驗(yàn)證掛籃的安全性及可靠度，得出掛籃主桁架在各級荷載預(yù)壓下的掛籃受力變形與荷載的線性關(guān)系，為設(shè)置掛籃預(yù)拱度提供依據(jù)。連續(xù)梁千斤頂加（卸）載預(yù)壓變形觀測數(shù)據(jù)見表3，可見預(yù)壓加載和卸載過程中，觀察各受力部件無異常狀況，實(shí)際受力狀況安全，最大變形量在施工中可控，可以投入使用。掛籃變形與荷載的線性關(guān)系曲線見圖7。

表3 連續(xù)梁千斤頂加（卸）載預(yù)壓觀測數(shù)據(jù)

圖7 掛籃變形與荷載的線性關(guān)系曲線

由表3、圖7 可知，6 個觀測點(diǎn)中最大累計變形為56 mm，最小為-2 mm；6 個觀測點(diǎn)中最大累計彈性變形為-26 mm＜30 mm，最小為4 mm。最大彈性變形位置均發(fā)生在掛籃主桁架前上橫梁處，因此取主桁架H1，H'1點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到前上橫梁線性回歸方程分別為y=0.0171x+12.695，R2=0.793＞0.5 與y=0.0181x+10.002，R2=0.789＞0.5，均為合格的回歸方程。

7 結(jié)論與建議

1）利用MIDAS/Civil 空間分析軟件在加載前分析了反力架預(yù)壓掛籃構(gòu)件受力，通過現(xiàn)場的實(shí)際預(yù)壓驗(yàn)證了其合理性和安全性，消除了非彈性變形，獲得了立?？刂茦?biāo)高所需數(shù)據(jù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果，從而為今后的掛籃設(shè)計及驗(yàn)算提供了可靠的依據(jù)。

2）對掛籃的預(yù)壓觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出掛籃主桁架前上橫梁變形觀測點(diǎn)的變形與荷載的線性關(guān)系曲線及線性回歸方程，在混凝土荷載作用下，其他梁段菱形掛籃桿件結(jié)構(gòu)的前上橫梁撓度值可根據(jù)回歸方程計算得出。

3）掛籃整體加載至9#梁體的自重及施工荷載后，掛籃前上橫梁最大變形在10～56 cm，產(chǎn)生最大變形的主要原因在于吊帶連接器安裝不垂直，而導(dǎo)致掛籃前上橫梁產(chǎn)生的變形偏大。

實(shí)踐證明，反力架的預(yù)壓方法不僅克服了傳統(tǒng)預(yù)壓的缺點(diǎn)，還能更好地模擬懸臂澆筑施工中掛籃在等效荷載作用下的實(shí)際受力情況，得出掛籃各結(jié)構(gòu)桿件的變形數(shù)據(jù)與彈性變形。該方法具有預(yù)壓設(shè)施簡單、加載和卸載快、無須對稱預(yù)壓、費(fèi)用低、可重復(fù)預(yù)壓、節(jié)約勞動力、與掛籃實(shí)際受力狀態(tài)比較相近、分級施加荷載容易把握、預(yù)壓精度高等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。