覃冠華 廖梓材 何石鋒

摘要：文章以黑水河特大橋?yàn)檠芯勘尘埃罁?jù)橋梁節(jié)段施工作業(yè)要求進(jìn)行掛籃設(shè)計(jì)，并根據(jù)掛籃在懸臂澆筑過(guò)程中不同工況下的最不利狀態(tài)，采用Midas Civil軟件對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。通過(guò)對(duì)掛籃進(jìn)行加載預(yù)壓測(cè)試，驗(yàn)證其變形性能，結(jié)果表明該掛籃整體受力、變形性能滿(mǎn)足施工要求。

關(guān)鍵詞：掛籃；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析；預(yù)壓；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.4A270894

0引言

為適應(yīng)我國(guó)高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，大跨度橋梁也越來(lái)越多。連續(xù)剛構(gòu)橋作為大跨度橋梁之一，其施工方法包括懸臂拼裝法、懸臂澆筑法等，其中常用方法為懸臂澆筑法。掛籃是懸臂澆筑施工中主要的施工設(shè)備，需要承受橋梁節(jié)段自重、施工人員及機(jī)具等全部荷載作用，其結(jié)構(gòu)性能會(huì)直接影響橋梁施工質(zhì)量，所以需要對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力、最大變形進(jìn)行驗(yàn)算。因此，本文依托黑水河特大橋，對(duì)其施工掛籃進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用有限元軟件建立模型并分析掛籃在不同荷載組合下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。

1工程概況

黑水河特大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為80 m+150 m+80 m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。箱梁根部高9.3 m、底板厚140 cm、跨中高5.41 m、底板厚54.2 cm；箱梁頂寬12.75 m、底寬6.75 m，頂板懸臂長(zhǎng)3 m。主橋單墩上部結(jié)構(gòu)箱梁澆筑為8×4 m+5×3.5 m+6×3 m+13 m（0#段）+6×3 m+5×3.5 m+8×4 m，共39段，除0#段外，其余節(jié)段采用掛籃對(duì)稱(chēng)施工。全橋掛籃受力1#塊最重為188.8 t，長(zhǎng)3 m；對(duì)前吊點(diǎn)受力最大為12#塊，長(zhǎng)4 m，重151.8 t。橋面縱坡為-0.55%，橋面橫坡為2%。

2掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路

掛籃主要結(jié)構(gòu)包括菱形桁架、走行錨固系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、模板系統(tǒng)及操作平臺(tái)［1］（見(jiàn)圖1～2）。菱形桁架由菱形架前上弦梁、菱形架下底弦梁、菱形架前斜弦梁、菱形架后斜弦梁組成。菱形架下底弦梁落在已完成節(jié)段上，作為掛籃的承重點(diǎn)，在菱形架的中豎梁外側(cè)設(shè)有側(cè)門(mén)聯(lián)，并在后下橫梁上增加吊框，用以承吊外模板，減輕掛籃行走時(shí)前端重量。菱形架的中心距設(shè)置為6.5 m。懸吊系統(tǒng)采用PSB830 32 mm精軋螺紋鋼吊桿及Q355鋼吊帶，掛籃前、后端采用吊掛形式，前端吊掛設(shè)置5處吊點(diǎn)，腹板兩側(cè)由4根吊帶和中間1根精軋螺紋鋼組成；后端吊掛在箱梁底，附近設(shè)置5個(gè)吊點(diǎn)，側(cè)門(mén)聯(lián)設(shè)置2個(gè)吊點(diǎn)，共7個(gè)吊點(diǎn)，各吊點(diǎn)均采用精軋螺紋鋼。行走錨固系統(tǒng)由行走軌道、液壓行走系統(tǒng)、扁擔(dān)梁組成，解除后錨扁擔(dān)梁，啟動(dòng)液壓行走系統(tǒng)，即可使掛籃在行走軌道上移動(dòng)。模板系統(tǒng)包括底模、內(nèi)模和外側(cè)模，模板采用整體加工Q235鋼材制作。在梁高變化較大處，沿梁高將鋼模分為3塊左右，使模板隨梁高變化可拆裝調(diào)整。在菱形桁架的前端小懸臂梁上懸吊設(shè)置操作平臺(tái)，操作平臺(tái)主要作用為縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉及管道壓漿時(shí)提供施工平臺(tái)及作業(yè)人員站立行走等，其材料可采用方鋼或角鋼。掛籃桁架結(jié)構(gòu)材料數(shù)量見(jiàn)下頁(yè)表1。

2.2有限元分析驗(yàn)算

2.2.1建立模型

利用Midas Civil軟件對(duì)掛籃實(shí)現(xiàn)了有限元模擬及計(jì)算分析。利用空間桁架結(jié)構(gòu)單元模擬鋼吊桿，空間線結(jié)構(gòu)單元模擬后聯(lián)桿，空間梁結(jié)構(gòu)單元模擬掛籃其他型鋼構(gòu)件，在掛籃與各單元構(gòu)件之間連接設(shè)置節(jié)點(diǎn)彈性結(jié)構(gòu)，在后錨壓梁、主桁架底部及各吊桿頂設(shè)置固定連接，添加施工過(guò)程中的混凝土荷載、模板荷載及風(fēng)荷載，對(duì)掛籃施工、前移進(jìn)行穩(wěn)定性分析。掛籃模型如圖3所示。

2.2.2施工荷載工況

最大節(jié)段為72.6 m3（1#梁段），最長(zhǎng)節(jié)段為58.4 m3（12#梁段），最小節(jié)段為46 m3（19#梁段），混凝土容重取26 kN/m3，模板荷載取0.45 N/m2。橋梁施工過(guò)程中應(yīng)考慮風(fēng)荷載、施工荷載共同作用，其荷載計(jì)算時(shí)應(yīng)參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）［2］。

掛籃自重為31.5 t，模板自重為22.8 t；在施工中及運(yùn)行時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均≥2.0；掛籃靜荷載系數(shù)為1.2；動(dòng)荷載系數(shù)為1.4。

掛籃結(jié)構(gòu)鋼材等級(jí)為Q355，容重為78.5 kN/m3，彈性模量Es=2.06×105MPa，極限應(yīng)力［σ］=210MPa，［τ］=145MPa。

工況1：1.2×掛籃結(jié)構(gòu)自重+1.2×最大節(jié)段鋼筋混凝土自重+1.2×模板自重+1.4×施工荷載+1.4×風(fēng)荷載，最大節(jié)段混凝土澆筑。

工況2：1.2×掛籃結(jié)構(gòu)自重+1.2×最長(zhǎng)節(jié)段鋼筋混凝土自重+1.2×模板自重+1.4×施工荷載+1.4×風(fēng)荷載，最長(zhǎng)節(jié)段混凝土澆筑。

工況3：1.2×掛籃結(jié)構(gòu)自重+1.2×最小節(jié)段鋼筋混凝土自重+1.2×模板自重+1.4×施工荷載+1.4×風(fēng)荷載，最小節(jié)段混凝土澆筑。

工況4：1.2×掛籃結(jié)構(gòu)自重+1.2×模板自重+1.4×風(fēng)荷載，掛籃行走。

2.2.3各荷載工況下計(jì)算結(jié)果（表2～3）由表2可知，在各種工況下，掛籃精軋螺紋鋼構(gòu)件最大抗拉應(yīng)力為550.6MPa，均不超過(guò)精軋螺紋鋼最大抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值705MPa；Q355鋼構(gòu)件的最大拉應(yīng)力為157.1MPa，均不超過(guò)Q355鋼最大抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值305MPa；Q355鋼構(gòu)件的最大剪應(yīng)力為61.9MPa，均不超過(guò)Q355鋼材最大抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值175MPa。掛籃上所有結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力均不超過(guò)鋼強(qiáng)度的設(shè)計(jì)上限值，掛籃強(qiáng)度滿(mǎn)足要求［3］。

從表3可以看出，在不同工況下，掛籃變形以豎向變形為主，其在最不利荷載工況作用下發(fā)生的最大變形位移為14.3 mm，對(duì)應(yīng)在Q355鋼材主桁片懸臂端前上橫梁位置，兩菱形架之間的距離為6.5 m，最大位移處的容許位移［δ］=L/400=6 500/400=16.3 mm。最大位移值未超過(guò)容許位移值，掛籃系統(tǒng)總變形為14.9 mm，＜20 mm（《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）要求），掛籃剛度滿(mǎn)足要求［3］。

2.2.4掛籃穩(wěn)定性分析

（1）屈曲穩(wěn)定性分析（圖4和表4）

（2）掛籃抗傾覆分析（表5）

單側(cè)后錨點(diǎn)采用直徑32 mm的精軋螺紋鋼6根，容許最大拉力為：

［N］=6A［σ］＝6×3.14×322/4×930×10-3＝4 485.4 kN

利用Midas Civil軟件計(jì)算可知掛籃實(shí)際最大拉力N。

通過(guò)驗(yàn)算所得結(jié)果可知，在荷載因素綜合影響下，掛籃構(gòu)件的屈曲穩(wěn)定性系數(shù)最小值為6.931，＞4，而且掛籃構(gòu)件的抗傾覆安全系數(shù)最小值為4.20，＞2，因此掛籃的穩(wěn)定性各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3掛籃預(yù)壓測(cè)試

整套掛籃設(shè)備牽涉到的系統(tǒng)構(gòu)件和機(jī)械裝置較多，本文通過(guò)測(cè)試整套裝置在不同荷載情況下的構(gòu)件承載力和機(jī)械裝置的工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)在安裝階段的絕對(duì)安全和正常工作，并得到經(jīng)過(guò)加載測(cè)試的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)以指導(dǎo)今后的施工。

3.1加載試驗(yàn)方案

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工要求，掛籃預(yù)壓試驗(yàn)是對(duì)掛籃構(gòu)件進(jìn)行加載測(cè)試，以驗(yàn)算其在荷載作用情況下的強(qiáng)度和剛度穩(wěn)定性。通過(guò)在0#塊腹板處預(yù)埋預(yù)壓用的反力牛腿焊接件，用作后續(xù)反頂架安裝施工，利用液壓千斤頂加載進(jìn)行掛籃構(gòu)件的預(yù)壓。千斤頂荷載采用計(jì)算最大節(jié)段鋼筋混凝土重量模擬，0#塊兩端各1臺(tái)千斤頂同步加載預(yù)壓。

3.2預(yù)壓荷載確定

預(yù)壓重量以最大梁重1#塊的重量188.8 t加上模板重量22.8 t進(jìn)行模擬加載，通過(guò)后下橫梁的力矩平衡，結(jié)合預(yù)壓作用點(diǎn)的位置，計(jì)算出預(yù)壓荷載為211.6×10=2 116 kN，每個(gè)千斤頂所施加的最大荷載為：120%預(yù)壓荷載2 116×120%÷2=1 269.6 kN。

3.3分級(jí)預(yù)壓及卸載

3.3.1分級(jí)加載數(shù)值確定

按節(jié)段的最大重量計(jì)算出的預(yù)壓荷載逐級(jí)加載，每個(gè)千斤頂加載值分別為10%（105.8 kN）、50%（529 kN）、100%（1 058 kN）、120%（1 269.6 kN）［4］。每級(jí)預(yù)壓結(jié)束后6 h，對(duì)所有斷面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并錄入變形信息，確定變形情況。在荷載預(yù)壓完成12 h內(nèi)，對(duì)所有斷面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并確定標(biāo)高數(shù)值，24 h內(nèi)沒(méi)有變動(dòng)為穩(wěn)定，可進(jìn)行卸載。在卸載工作完成后，要及時(shí)對(duì)所有斷面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行末次測(cè)量，并記錄標(biāo)高數(shù)值。

3.3.2卸載

卸載與加載過(guò)程相同，采用與加載相反程序，同樣分為四個(gè)階段120%→100%→50%→10%→0。卸載過(guò)程中測(cè)量變形情況并記錄。

3.3.3測(cè)量時(shí)間及頻率

在預(yù)壓過(guò)程中，必須注意所加荷載大小和加載速度，不要在上一級(jí)加載沉降速度未穩(wěn)定的狀況下，施加下一級(jí)荷載。若不控制加載速率，會(huì)造成掛籃總體和局部區(qū)域的加載量過(guò)大、過(guò)快而使掛籃發(fā)生剪切損傷，尤其是在加載后期更容易出現(xiàn)。在預(yù)壓工作開(kāi)始之前需要先對(duì)掛籃底模高程進(jìn)行一次測(cè)量，在以后的每一級(jí)加載預(yù)壓工作過(guò)程中平均每6 h進(jìn)行一次測(cè)量，直至下降速度＜0.5 mm/d。在卸載過(guò)程中，按預(yù)壓荷載與增加速度相反級(jí)別對(duì)掛籃底模標(biāo)高再進(jìn)行一次測(cè)量，并通過(guò)預(yù)壓所得標(biāo)高，測(cè)算出施工時(shí)所要求的預(yù)拱度，根據(jù)預(yù)拱度調(diào)整掛籃底模標(biāo)高。通過(guò)記錄對(duì)各級(jí)加載、卸載等過(guò)程中的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，對(duì)各種情況下的數(shù)據(jù)和理論數(shù)值進(jìn)行比較、分析，從而計(jì)算出掛籃預(yù)壓過(guò)程中彈性變形與非彈性變形，為掛籃立模標(biāo)高調(diào)整基礎(chǔ)資料及依據(jù)（見(jiàn)表6）。計(jì)算公式為：

非彈性變形=加載0高程-卸載0高程

彈性變形=卸載0高程-加載120%高程

通過(guò)表6掛籃預(yù)壓沉降觀測(cè)記錄可知，預(yù)壓最大彈性變形為15 mm，與掛籃整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中的豎向位移14.3 mm相差不大，證明掛籃整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析可靠。

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2021年10月至2022年10月，在黑水河特大橋采用菱形掛籃懸臂澆筑施工，對(duì)箱梁線形、掛籃變形、截面尺寸、合龍相對(duì)高差等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在施工過(guò)程中掛籃變形基本穩(wěn)定，與計(jì)算值基本一致，均滿(mǎn)足規(guī)范要求；混凝土澆筑過(guò)程，各節(jié)段箱梁撓度變化正常，現(xiàn)澆箱梁沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)裂縫；合龍段兩側(cè)測(cè)點(diǎn)高差均滿(mǎn)足規(guī)范要求；截面尺寸符合設(shè)計(jì)規(guī)范限值要求。

5結(jié)語(yǔ)

黑水河特大橋懸臂現(xiàn)澆段施工按照本文所述的方法對(duì)掛籃進(jìn)行設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，效果良好。掛籃的質(zhì)量、剛度和性能的設(shè)計(jì)研究結(jié)論、施工預(yù)壓結(jié)果都符合施工規(guī)定，同時(shí)在施工中沒(méi)有發(fā)生其他事故，安全、質(zhì)量、工期等各方面都達(dá)到了理想的要求。

參考文獻(xiàn)［1］ 左少華.清溪西路橋異步掛籃設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.世界橋梁，2022，50（2）：44-50.

［2］GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［3］JTG/T 3650-2020，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］CJJ/T 281-2018，橋梁懸臂澆筑施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

作者簡(jiǎn)介：覃冠華（1978—），高級(jí)工程師，主要從事道路與橋梁施工工作。