張建福

(福建第一公路工程集團有限公司，泉州 362000)

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國公路交通網(wǎng)日趨發(fā)達?？绾?、跨山谷的高墩大橋不斷涌現(xiàn)，其中，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋是最常見的一種橋梁形式。 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的施工方法有很多種，而懸臂澆筑法在節(jié)約工期，加快施工進度方面體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，因此得到廣泛應(yīng)用。

目前， 掛籃懸臂施工相關(guān)研究主要集中于掛籃的施工工藝方面[1-4]，對掛籃的空間受力性能分析研究相對較少。 王先宏等[5]以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為例，通過有限元分析了三角掛籃在三種工況下的受力性能， 并對不合理的構(gòu)件參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。田昱峰[6]針對一公路特大橋懸灌施工掛籃結(jié)構(gòu)主桁架的強度、 剛度及穩(wěn)定性進行驗算，確保施工過程的安全問題。 覃錕等[7]采用有限元軟件分析了某連續(xù)剛構(gòu)橋舊三角掛籃，對其進行性能評估。韓春光[8]針對大風(fēng)區(qū)域橋梁施工過程情況，量化了三角掛籃在14 級和16 級臺風(fēng)荷載作用下的力學(xué)性能， 并提出了相應(yīng)的加固措施， 提高了三角掛籃在強風(fēng)荷載下的工作性能。徐暢[9]以京石鐵路客運專線跨盧溝橋南路橋為工程背景，對施工用三掛籃進行力學(xué)分析，并對施工過程中橋梁線性監(jiān)控進行了探討。

掛籃作為懸臂澆筑施工的主要設(shè)備， 其受力性能和施工質(zhì)量關(guān)系到橋梁施工過程的安全問題， 當(dāng)采用新的掛籃形式時，有必要根據(jù)實際工程情況進行分析。本文以龍海市某城市跨江橋梁為研究背景，通過建立數(shù)值模型，對三角掛籃施工進行分析，降低施工過程風(fēng)險，并為同類型橋梁施工提供參考。

1 工程概況

本工程為龍海市某跨江大橋，左右幅按等孔設(shè)計，起訖里程樁號為K0+302.5～K1+058.5，全長756 m；其孔跨布置為[5×30+5×30+(35+2×55+35)+5×30+4×30]m， 其中(35+2×55+35)m 四跨為PC 變截面連續(xù)剛構(gòu)主橋， 由上、下行分離的兩個單箱單室箱型截面組成。其余30 m 跨為裝配式預(yù)制預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。

主橋上部結(jié)構(gòu)為(35+2×55+35)m 四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁， 左右幅采用單箱單室變截面箱梁連續(xù)結(jié)構(gòu)，0# 節(jié)段長11 m，1～6# 節(jié)段每段長3.5 m，邊、中跨合攏段長2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長6.5 m。箱梁根部梁高3.5 m，跨中及邊跨直線段梁高2.0 m， 箱梁根部底板厚60 cm，跨中底板厚28 cm，箱梁高度及箱梁底板厚度按2.0 次拋物線變化，箱梁頂板厚度28 cm；箱梁腹板根部厚70 cm，跨中厚40 cm， 箱梁腹板厚度從根部至跨中在兩個節(jié)段內(nèi)按直線段變化，由根部厚70 cm 變至跨中厚40 cm；箱梁頂板寬13.75 m， 底板寬7.0 m， 兩側(cè)翼緣板懸臂長度3.375 m，懸臂板端部厚18 cm、根部厚70 cm，箱梁頂設(shè)有2%的橫坡，箱梁底板保持水平，腹板保持鉛垂，通過調(diào)整兩腹板的高差，實現(xiàn)頂板的單向橫坡。

2 三角掛籃受力分析

2.1 三角掛籃組成

本橋懸臂段采用的三角掛籃是根據(jù)橋梁設(shè)計特點和掛籃噸位限制(掛籃+模板不得超過80 t)的要求進行選用的。 單個掛籃自重40.512 t，內(nèi)、外模板系統(tǒng)自重10.34 t。其中中跨1 號塊長3.5 m，重112.92 t，為掛籃施工的檢算控制因素和施工重點。本三角掛籃由三角形主構(gòu)架、底模平臺、內(nèi)外模板、懸吊系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)及走行系統(tǒng)6 大部分組成。 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 掛籃正面圖

2.2 數(shù)值模型的建立

采用MIDAS 軟件建立空間有限元模型，桁架構(gòu)件及橫梁等均采用梁單元模型，吊桿采用僅受拉梁單元模擬。

(1)荷載取值

澆筑梁段的最大重量112.92 t； 施工機具及人群荷載：2.5 kN/m2； 振搗系統(tǒng)產(chǎn)生的振搗荷載：2.5 kN/m2；掛籃+模板自重荷載：50.572 t；風(fēng)荷載：風(fēng)荷載取1 kN/m2(設(shè)計風(fēng)速25 m/s，按10 級風(fēng)力考慮)。

(2)荷載系數(shù)

混凝土超載系數(shù)：k1=1.05； 澆筑砼時的動力系數(shù)k2=1.2；掛籃空載走行時的沖擊系數(shù)k3=1.3；混凝土澆筑和掛籃走行時的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為2.0。

(3)荷載工況

荷載組合共分為四種情況， 分別用于不同構(gòu)件的強度、剛度及穩(wěn)定性驗算。 荷載分析工況見表1。

表1 荷載分析工況

2.3 掛籃組成構(gòu)件受力分析

2.3.1 底?？v梁

底?？v梁包括腹板下縱梁和底板下縱梁。 兩者均采用單根I40a 型工字鋼， 按簡支梁均布荷載進行計算，計算跨徑取下橫梁間距5.6 m。 其中，腹板下縱梁兩端支撐在底橫梁上，按間距50 cm 布設(shè)，每側(cè)鋪設(shè)2 根；底板下縱梁按間距93 cm、94 cm、98 cm、98 cm、94 cm、93 cm 布設(shè)5 根。 由于底板受力較小， 文中僅給出腹板下縱梁MIDAS 分析結(jié)果，如圖2 所示。

圖2 腹板下縱梁分析結(jié)果

從圖中可以看出， 梁中最大彎矩為130.65 kN·m，計算得最大應(yīng)力119.86 MPa，小于容許應(yīng)力215 MPa；最大剪力為84.66 kN， 計算最大剪應(yīng)力為23.44 MPa， 小于125 MPa，滿足強度要求。 同時計算得最大撓度為5.3 mm，小于l/400(14 mm)，剛度滿足要求。

2.3.2 底模下橫梁

底模下橫梁包括前下橫梁和后下橫梁， 均采用2 根I45a 型工字鋼組焊而成，受底模縱梁傳遞的集中荷載，且前下橫梁受力小于后下橫梁。因此，文中圖3 僅給出后下橫梁計算結(jié)果。

圖3 后下橫梁分析結(jié)果

根據(jù)圖中最大彎矩和剪力分別計算得到下橫梁中最大的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為48.9 MPa、22.7 MPa，均小于容許應(yīng)力值。 同時計算得到最大撓度為1.68 mm，小于l/400(19 mm)，剛度滿足要求。

2.3.3 外滑梁

外模滑梁共兩根，采用2 根[36a 型槽鋼，頂面用20 mm 厚鋼板連接， 中間設(shè)50 mm 吊縫， 形成組合矩形截面，長度12 m；箱梁左右翼板下各設(shè)1 道，承受箱梁翼板砼及施工荷載， 并以主桁前上橫梁吊帶和梁側(cè)錨固吊環(huán)為支撐。 計算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 外滑梁分析結(jié)果

根據(jù)圖中最大彎矩和剪力計算得到外滑梁中最大的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為203.05 MPa、31.72 MPa， 均小于容許應(yīng)力值，但正應(yīng)力值接近于容許值，施工中應(yīng)密切監(jiān)測。 同時，由Midas Civil 計算得到x=4.0 m 時撓度最大，數(shù)值為13 mm 小于l/400(14 mm)，雖然滿足要求，但施工中同樣應(yīng)予以重視。

2.3.4 內(nèi)滑梁

內(nèi)滑梁共兩根，采用2 根2[32a 槽鋼雙拼，每根長12 m。 以主桁前上橫梁吊桿和梁體錨固吊環(huán)為支撐的簡支梁計算結(jié)果見圖5。

圖5 內(nèi)滑梁分析結(jié)果

根據(jù)圖中最大彎矩和剪力計算得到內(nèi)滑梁中最大的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為188.04 MPa、26.31 MPa，均小于容許應(yīng)力值。同時計算得到最大撓度為8.2 mm，小于l/400(14mm)，剛度滿足要求。

2.3.5 前上橫梁

前上橫梁由2 根I45a 型工字鋼組焊而成， 長度12.0 m，支撐在主梁上，受前下橫梁、內(nèi)、外?；旱鯒U傳遞的集中力。 計算結(jié)果見圖6。

根據(jù)圖中最大彎矩和剪力計算得到前上橫梁中最大的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為73.01 MPa、31.38 MPa，均小于容許應(yīng)力值。 同時由軟件計算得到最大撓度為3.3 mm，遠小于l/400(21.25 mm)，剛度滿足要求。

圖6 前上橫梁分析結(jié)果

2.3.6 吊桿

該掛籃吊桿均采用PSB785 級φ32 精軋螺紋鋼筋。經(jīng)上述計算可知，后吊桿處拉力最大，故只對該處進行驗算。經(jīng)計算得知，吊桿最大應(yīng)力為502.9 MPa，小于容許應(yīng)力785 MPa；安全系數(shù)為1.561，大于規(guī)范規(guī)定的1.5，滿足要求。

2.3.7 主桁架

主桁架是掛籃的主要承重結(jié)構(gòu)，包括主梁、斜拉帶、立柱、上前橫梁、上中橫梁及主梁平聯(lián)。 單片掛籃的主要承載結(jié)構(gòu)由1 根主梁、1 根立柱和2 側(cè)斜拉帶組成。 主梁和立柱均采用2 根I56a 工字鋼， 斜拉帶材料采用16Mn鋼300 mm×20 mm 的鋼帶，單個三角桁架每側(cè)布置2 根。內(nèi)力計算結(jié)果見圖7。

圖7 主桁架內(nèi)力計算結(jié)果

經(jīng)計算可知，立柱所受壓力為33.33 MPa，斜拉帶最大拉應(yīng)力為118.4 MPa，均小于215 MPa，強度滿足要求；且立柱長細(xì)比為21，小于150 規(guī)范限值，穩(wěn)定性滿足要求。

2.4 主桁架前支點局部承壓驗算

混凝土澆筑后，前支點處最大支承反力為870.4 kN，均勻分布于兩個鋼枕上，鋼枕采用2 根[14a 型槽鋼制作，每個鋼枕的底面積為A=1400×116=162400 mm2。 由于梁體頂面不平，枕墊與梁體頂面接觸面積考慮50%。梁體采用C55 混凝土， 抗壓強度設(shè)計值為35.3 MPa。 經(jīng)軟件計算得局部壓應(yīng)力為5.36 MPa，滿足要求。

2.5 掛籃施工抗傾覆驗算

掛籃行走時為空載， 后部錨固力主要由行走小車承受，取單片主桁架進行驗算。 掛籃行走時，滑道頂部鋪設(shè)四氟板并涂抹黃油，摩擦系數(shù)取0.06。根據(jù)荷載組合Ⅳ得傾覆力為220.12 kN。 傾覆彎矩為1232.67 kN·m。 該傾覆彎矩由行走小車頂部2 個銷軸承受， 銷軸直徑φ40 mm，材質(zhì)40Cr 調(diào)質(zhì)處理硬度HB≥260， 軸頸表面HB≥320；則銷軸能承受的最大剪力彎矩為4825.5 kN·m。 據(jù)此，可計算得安全系數(shù)為3.9，大于規(guī)范規(guī)定的2.0，滿足要求。

3 三角掛籃在施工中的控制要點分析

由于本橋所用掛籃結(jié)構(gòu)較大，承受荷載也較大，其加工質(zhì)量是確保施工安全和施工質(zhì)量的關(guān)鍵， 本項目掛籃擬采用新的掛籃。掛籃的加工選擇質(zhì)量過關(guān)的專業(yè)廠家。對底模前后橫梁上的吊帶、 三角形桁架等重要部位的焊接質(zhì)量，逐一進行探傷檢查并加載試驗，合格后方可出廠。

3.1 施工過程控制要點

3.1.1 0#塊施工要點

0# 塊是橋梁主墩墩頂箱梁段，為掛籃拼裝提供工作面， 在懸臂澆筑過程中作為控制橋梁的軸線和高程的標(biāo)準(zhǔn)的首塊梁段，在澆筑完成時，在該梁段上設(shè)置軸線和標(biāo)高的控制點。 0# 塊采用在墩頂預(yù)埋型鋼板及精軋螺紋鋼， 鋼板上焊接型鋼形成三角托架， 在托架上鋪設(shè)I36b縱橫梁拼組而成0#塊工作平臺。 外模采用掛籃鋼模板，兩端懸臂端內(nèi)底模采用掛籃底模， 兩端變截面箱梁段由底模標(biāo)高調(diào)整，平臺兩側(cè)底部用3 cm 厚木板拼裝組成施工作業(yè)平臺。

墩身施工最后兩節(jié)塊時，須按要求預(yù)埋好預(yù)埋件，拆除墩身模板，安放外吊托架施工工作平臺，焊接工字鋼斜撐，安裝縱橫分配梁，鋪設(shè)木板，安底模，然后進行0# 塊托架預(yù)壓。 托架預(yù)壓目的是為了測出托架的彈性變形和消除托架的非彈性變形，驗證托架剛度、強度、穩(wěn)定性，以利于設(shè)置托架的預(yù)拱度指導(dǎo)施工。 本托架預(yù)壓采用千斤頂加載施壓，預(yù)壓荷載為計算荷載的1.2 倍。 預(yù)壓荷載分六級進行。

3.1.2 掛籃拼裝施工要點

0# 塊施工完成后，即可進行掛籃安裝工作，掛籃在工廠加工完成，運到現(xiàn)場，在橋下地面先將前后斜桿、立柱拼組成主三角桁架；桁架拼好后，模擬現(xiàn)場對三角桁架進行預(yù)壓， 然后用吊車把三角桁架裝到0# 塊橋面上，用鋼絲繩和φ32 精軋螺紋鋼將主三角固定于支承墊塊上，并用鋼絲繩纜風(fēng)臨時保護，以防傾覆；再吊裝第二片主三角構(gòu)架，同樣做好固定和臨時保護，吊裝橫梁，把兩片主三角桁架連接一起，以保證橫向穩(wěn)定，拆除鋼絲繩臨時保護，安裝前后上橫梁；安裝底模前、后橫梁(橫梁保證豎直狀態(tài)，不能發(fā)生傾斜)、底?？v梁、用方木搭設(shè)底模組裝平臺； 將加工分塊的底模板橫向用螺栓拼組成底模平臺；底模平臺就位，掛籃的主要部件安裝完畢后，根據(jù)1# 塊的設(shè)計位置調(diào)整掛籃的中線、水平位置和各點標(biāo)高，進行檢查， 確保主桁架系統(tǒng)與底模系統(tǒng)通過懸吊系統(tǒng)是否組成一穩(wěn)定的承重結(jié)構(gòu)。

3.1.3 掛籃預(yù)壓施工要點

掛籃三角桁架安裝好后必須通過試壓測得掛籃的彈性變形和消除的非彈性變形，驗證掛籃剛度、強度、穩(wěn)定性， 以利于設(shè)置掛籃的安裝標(biāo)高抬高值以指導(dǎo)施工。 掛籃預(yù)壓模擬三角桁架受力狀況，采用千斤頂頂壓方法進行。

在三角承重架之間，設(shè)置一支點，一端用精軋螺紋鋼鎖定，另一端安放一臺YDC1500N 型千斤頂，千斤頂最大頂壓力為474.59 kN，為最大梁段1# 塊的重量、內(nèi)外模重量及施工荷載的1.2 倍。 掛籃按5 級進行加載預(yù)壓，即0%、50%、80%、100%、120%， 加載完成24 h 后再進行卸載，卸載順序為120%、100%、80%、50%、0%，每臺千斤頂具體頂壓數(shù)值是：19.78 t、31.64 t、39.55 t、47.46 t，每加載一級測量一次觀測點數(shù)值。 數(shù)據(jù)的采集方式采用鋼卷尺進行觀測，加載前采集一次端頭變形，以后每加載一次采集一次端頭變形，加載完成后24h 再采集一次數(shù)值。計算出桁架端頭的變形值。

3.1.4 掛籃施工監(jiān)控措施

對采用懸臂澆筑施工的預(yù)應(yīng)力混凝土的箱梁結(jié)構(gòu)，通過對掛籃施工真實結(jié)構(gòu)進行仿真分析， 確定每個懸臂澆筑階段的立模高程， 并在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測結(jié)果對誤差進行分析，對下一立模高程進行調(diào)整，確保成橋后橋面的線型及受力符合設(shè)計要求。

控制點布置： 在每個0# 塊上布置9 個高程控制測點，4 個平面控制測點，作為T 構(gòu)控制的局部控制點。 每個施工節(jié)段的高程觀測點布置4 個點， 節(jié)塊測點離待澆塊件前端15 cm。 局部高程測點用以控制板頂設(shè)計高程，同時作為以后各懸澆梁段撓度觀測點和后視點。 通過平面控制網(wǎng)和高程控制點來精確測定局部控制點的平面位置和高程。 局部控制點在施工完成一定數(shù)量梁段或重要環(huán)節(jié)時經(jīng)過校準(zhǔn)，以保證局部控制點能滿足精度要求，同時觀測承臺控制點標(biāo)高變化， 監(jiān)測基礎(chǔ)沉降和墩柱壓縮變形。定期對各控制點進行聯(lián)測，防止控制點在施工期間發(fā)生位移，從而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不真實，最后不能判斷數(shù)據(jù)虛實影響懸臂施工。

數(shù)據(jù)收集觀測時間：每節(jié)塊掛籃移動、就位后，節(jié)塊混凝土澆筑后和預(yù)應(yīng)力張拉后觀測高程數(shù)據(jù)。

應(yīng)力及溫度觀測：應(yīng)力及溫度測點布置，一般選擇箱梁具有代表性的斷面預(yù)埋應(yīng)力計、箱體溫度傳感器，以觀測應(yīng)力、位移相對應(yīng)的大氣溫度及主跨箱體溫度，為控制分析服務(wù)。 應(yīng)力及溫度數(shù)據(jù)盡量選擇早晨太陽出來前進行觀測，應(yīng)力及溫度數(shù)據(jù)同時收集。

通過數(shù)據(jù)收集、整理，確定掛籃下一節(jié)段施工標(biāo)高。 一般懸澆箱梁控制各項指標(biāo)如下： 成橋后線型標(biāo)高±50 mm，合攏相對高差±30 mm，軸線偏位符合橋規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 施工質(zhì)量保證措施

為確保工程項目掛籃施工的質(zhì)量問題， 根據(jù)掛籃的特點應(yīng)加強以下幾個方面管理：(1)T 構(gòu)梁段兩端要求做到均衡對稱作業(yè)，掛籃應(yīng)嚴(yán)格按圖紙及鋼結(jié)構(gòu)施工規(guī)范要求進行施工，橫梁及內(nèi)、外模外形尺寸必須準(zhǔn)確，組合構(gòu)件應(yīng)先焊接成形，然后組裝。 (2)對掛籃位置、前后吊帶、吊架及后錨桿等關(guān)鍵部位，及時檢查，及時解決問題，不得留有隱患。(3)模板與已成梁段混凝土必須密貼，避免出現(xiàn)錯臺；模板采用無色專用脫模劑，保證澆筑混凝土面光滑。 并注意預(yù)留吊帶孔洞及其它預(yù)留孔洞，應(yīng)保證其位置正確并垂直。 (4)混凝土入模過程中，嚴(yán)格控制混凝土坍落度，振搗時要振搗充分，防止過振和漏振；隨時注意掛籃及模板變形情況，做到及時調(diào)整，以便于施工的順利進行。混凝土表面覆蓋土工布進行養(yǎng)生，經(jīng)常灑水，保持混凝土表面濕潤。(5)按規(guī)定時間、部位、工況及時進行測量，收集標(biāo)高、中軸線及撓度的信息數(shù)據(jù)，并做好記錄。

4 結(jié)論

通過對本工程項目采用的新掛籃進行空間受力性能分析可知， 組成掛籃的主要構(gòu)件腹板下部縱梁、 后下橫梁、外滑梁、內(nèi)滑梁、前上橫梁、主桁架各桿件的應(yīng)力及變形滿足規(guī)范要求。但外滑梁的應(yīng)力及變形較接近限值，施工中應(yīng)予以重點監(jiān)測。 本掛籃懸吊系統(tǒng)中，吊帶、吊桿及銷軸安全系數(shù)1.561 均大于規(guī)范要求的1.5。 掛籃走行狀態(tài)時，抗傾覆系數(shù)3.9＞2，滿足規(guī)范要求。 同時，根據(jù)本工程特點，給出了掛籃施工過程控制要點、質(zhì)量保證措施，為類似工程項目提供參考。