文∕郭斌、潘榮耀

1 前言

掛籃懸臂澆筑施工又稱迪維達克施工方法。自從20 世紀德國首用以來，至今為現(xiàn)代化大中橋梁主要的施工方法。日本曾做過一項統(tǒng)計，20 世紀70年代以來單跨跨度超過100m 的橋梁中，采用掛籃懸臂澆筑的占近80%。目前，根據(jù)施工需要演變而來的掛籃種類，至少有5 種；而菱形掛籃因其結(jié)構(gòu)受力簡明且適用性廣而較為普遍[1]。

近30年來，連續(xù)梁是工程上的主角，其基本以懸臂的掛籃施工為主。隨著社會的發(fā)展，橋梁越來越寬，懸臂施工的節(jié)段越來越長，隨之對掛籃也提出了更高的要求。不同的工程實際，掛籃的設(shè)計特點均有區(qū)別。面對超寬大懸臂同時存在的情況，計算分析涉及的工序和荷載轉(zhuǎn)換、支撐系統(tǒng)和吊桿受力模擬差異等均關(guān)乎掛籃系統(tǒng)的性能和安全，因此掛籃設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)探討就顯得尤為必要。

本文對一座大跨度連續(xù)梁的超寬大懸臂的掛籃設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)展開討論，以期對同類型掛籃設(shè)計提供借鑒。

2 結(jié)構(gòu)狀況簡述

沙潁河主跨上部采用4×141m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。箱梁斷面為4 道直腹室橫斷面。箱梁頂寬33.56m，底寬19.5m，翼緣板寬7.03m，根部梁高5.2m。箱梁0#塊梁段長度為12m，箱梁1#～5#塊段長3m，6#～15#塊段長4m，16#～17#塊段長4.25m，懸臂澆筑的箱梁中最重塊段為6#塊，重量為445.465t；最高塊段為1#塊，重量為408.9t；最長塊段為16#塊長4.25m，重量為352.45t。箱梁懸臂澆注采用菱形掛籃進行施工，每道腹板處設(shè)1 片掛籃主桁架，掛籃結(jié)構(gòu)布置如圖1所示[2]。

圖1 掛籃構(gòu)造圖（單位：mm）

3 菱形掛籃系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析

沙潁河大橋采用4 榀菱形掛籃，菱形掛籃系統(tǒng)體量龐大，其由桁架、梁頂軌道、鎖固、兜籃、吊索、作業(yè)平臺及臨時防護等協(xié)作系統(tǒng)組成，如上圖1 所示。

3.1 設(shè)計關(guān)鍵控制指標(biāo)分析

3.1.1 掛籃設(shè)計的主要控制指標(biāo)一般以K 表示，其是掛籃總體鋼材重量與節(jié)段最大重量比值。此K 值控制在0.3～0.5 之間，在平衡重取消的情況下主要利用豎向吊桿平衡傾覆彎矩。另外，掛籃的材料剛度較大，一般采用現(xiàn)有的型材組拼便于復(fù)用。

3.1.2 掛籃系統(tǒng)涉及4 個安全系統(tǒng)：上部水平限位系統(tǒng)、斜拉水平限位系統(tǒng)、自錨固系統(tǒng)、抗傾覆系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全系數(shù)均須大于2。

3.1.3 一般情況下，掛籃的最大變形總量（含吊桿自身伸縮變形）≤20mm。

3.2 掛籃系統(tǒng)構(gòu)造及工作原理

3.2.1 桁架系統(tǒng)

本掛籃主桁架系統(tǒng)主要是采用現(xiàn)有成熟的產(chǎn)品，主梁腹板頂設(shè)置1 榀桁架，共計4 榀桁架共同構(gòu)成了主要的受力體系。榀字桁架間距布置分兩種分別為4m和7.45m，每榀桁架的錨固節(jié)點間距一致為5.3m，榀字桁架中心高設(shè)置為4m，全長達到10.3m。全體桁架系統(tǒng)均為鋼結(jié)構(gòu)（主桁架采用□40 槽鋼、橫向連接采用2[14a 及[10、后錨平聯(lián)采用[20a 或2[14a）焊接而成，節(jié)點采用銷子拴結(jié)。榀字桁架支架設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)，以增強橫向整體剛度和行走系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2.2 兜籃系統(tǒng)

兜籃系統(tǒng)主要由平臺、立模、縱橫梁等構(gòu)成，為鋼筋綁扎和混凝土澆筑提供了承重等作業(yè)平臺。縱梁和后下橫梁格構(gòu)體系分別采用型鋼HN400 和2HN600 焊接，而前上橫梁為主受力構(gòu)件，規(guī)格較大，主要采用2HN700。橫梁間距優(yōu)化設(shè)置為5.3m。

3.2.3 吊索系統(tǒng)

吊索支撐系統(tǒng)主要由精軋螺紋粗鋼筋、模板系統(tǒng)、千斤頂構(gòu)成，吊索有后錨點和前吊索，底部籃平臺共計8 處吊點，后錨端設(shè)置14 處吊點，吊索用的是直徑Φ32高強熱軋螺紋粗鋼筋。底部籃吊點用Q345 型鋼，尺寸在120×40mm，而后滑梁與底部籃的錨點用的是直徑Φ32 高強熱軋螺紋粗鋼筋。為避免吊桿自身不均勻伸縮變形造成桁架多次超靜定體系引起次內(nèi)力，可以調(diào)節(jié)前后橫梁、吊索系統(tǒng)、墊梁及軌道梁之間的銷子，使得模板的標(biāo)高符合懸臂澆筑時的梁體標(biāo)高。

3.2.4 錨固系統(tǒng)

錨固系統(tǒng)設(shè)在4 榀主桁架的后節(jié)點上，共4 組，每組錨固系統(tǒng)包括3 根后錨上扁擔(dān)梁、6 根后錨桿及6 根預(yù)埋精軋螺紋鋼筋。其作用是平衡澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生的傾覆力矩，確保掛籃施工安全。錨固系統(tǒng)的傳力途徑為：主桁架后節(jié)點→后錨上扁擔(dān)梁→后錨桿→預(yù)埋精軋螺紋鋼筋→已澆混凝土。

3.2.5 防護系統(tǒng)

防護系統(tǒng)用于施工時人員操作上下通道，包括前上橫梁操作平臺、底籃通道平臺、上下通道等。

4 掛籃關(guān)鍵工況力學(xué)性能分析及規(guī)范化驗證

采用梁單元和索單元形成空間有限元分析模型，如圖2 所示。模型中對傳力做了如下的假定：施工完且已達到預(yù)定強度的混凝土箱梁結(jié)構(gòu)及錨固在此段箱梁上的前上橫梁系統(tǒng)承擔(dān)了后澆混凝土箱梁的側(cè)向內(nèi)外模板重量、頂板混凝土濕重、底板及腹板混凝土濕重、底部兜籃的平臺重量及箱梁翼緣板的重量。根據(jù)梁段長度、重量、梁高等表現(xiàn)的三個關(guān)鍵工況的剛度、強度及穩(wěn)定性進行研討及驗證。三個工況分別闡述如下：

4.1 節(jié)段梁體最高的工況I：零號塊緊鄰的1 號節(jié)段，在混凝土澆筑完，節(jié)段鋼筋綁扎張拉完后，此時梁體高度最大。

4.2 節(jié)段混凝土梁體濕重最大工況II：對于本橋的6 號梁段濕重上來后，此時節(jié)段梁混凝土重量最大。

4.3 節(jié)段長度最長工況III∶16 號梁段澆筑完成后基本處于最大懸臂狀態(tài)，此時的節(jié)段梁長度最大。

關(guān)鍵工況力學(xué)分析結(jié)果分別如表1～表3 所示。

圖2 四榀掛籃空間有限元模型

表2 工況II 力學(xué)分析及規(guī)范驗證結(jié)果

表3 工況III 力學(xué)分析及規(guī)范驗證結(jié)果

此類菱形掛籃的承重分配為：箱梁的翼緣板由外導(dǎo)梁和滑梁擔(dān)配、底板所有外荷載和重量由底板上的縱梁和橫梁擔(dān)配、箱梁頂板由內(nèi)縱橫梁擔(dān)配。通過表1～表3 關(guān)鍵工況力學(xué)分析結(jié)果可知，底籃縱梁（HN400×200）、前下橫梁（2HN600×200）、后下橫梁（2HN600×200）、外滑梁（2[40）的用材一致，容許正應(yīng)力[σ]為190MPa，容許剪應(yīng)力[σ]為110MPa。最大組合狀態(tài)下正應(yīng)力最小的安全系數(shù)為1.1，最大安全系數(shù)為6.8；最大剪應(yīng)力時的最小安全系數(shù)為3.4，最大安全系數(shù)為7.9。一系列的橫梁基本以受彎為主，剪切影響較小。吊桿的安全系數(shù)保持在1.2～1.8 之間，豎向撓度安全系數(shù)保持在4.3～31.6 之間。驗證掛籃的設(shè)計符合規(guī)范性控制要求。

經(jīng)結(jié)論研討和分析，節(jié)段混凝土處于濕重狀態(tài)時，工況II 控制內(nèi)外模板的強度和剛度，工況I 基本控制了其余構(gòu)件的強度和剛度。對于抗傾覆穩(wěn)定性，工況Ⅰ中單片主桁受到前上橫梁傳遞的最大力為696.5kN，工況Ⅱ為961.42kN，工況Ⅲ為1049.8kN；工況Ⅲ所產(chǎn)生的荷載效應(yīng)占最大值，并對抗傾覆穩(wěn)定性設(shè)計起到了控制作用。每道榀字桁架的重量為70kN，吊索的豎向張拉力分配給前上橫梁，再傳遞給四榀主桁架。經(jīng)分析可知抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為2.68＞2，滿足規(guī)范控制要求。

潁河大橋的掛籃約為174t，最大節(jié)段塊體重量為445.465t，掛籃的總重量/最大節(jié)段重量之比K 為0.39。以上分析結(jié)果表明掛籃系統(tǒng)設(shè)計合理，使用材料較節(jié)省。

5 結(jié)語

超寬兼大懸臂節(jié)段的連續(xù)梁的掛籃設(shè)計宜選擇剛度大、輕型化構(gòu)件，盡量縮短構(gòu)件跨徑和簡化構(gòu)件受力模式。通過對超寬大懸臂的掛籃設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)造及力學(xué)分析得出如下結(jié)論：

5.1 外滑梁（2[40）的工況I 和工況II 下，節(jié)段梁高最大、體量最重，以受彎為主，應(yīng)力安全系數(shù)均為1.1，故施工中應(yīng)重點監(jiān)測2 種工況下外滑梁跨中應(yīng)變及撓度，避免局部桿件變形及應(yīng)力過大引起的結(jié)構(gòu)線形失調(diào)和出現(xiàn)初始缺陷而導(dǎo)致變形差累計。

5.2 為避免吊桿系統(tǒng)受力不均而導(dǎo)致錨固失效的情況，應(yīng)重點關(guān)注掛籃后錨桿縱向間距，及時調(diào)整以避免因縱向布置不合理而導(dǎo)致其對受力的不均衡。

5.3 超寬且大懸臂的掛籃體系，應(yīng)從受力和結(jié)構(gòu)宜操控的角度合理選擇掛籃形式與型材，必要時采取系統(tǒng)的力學(xué)分析和規(guī)范化驗證，不可盲目依經(jīng)驗取舍。