黃 璜

（湖南省第四工程有限公司，湖南 長沙 410119）

掛籃懸臂現(xiàn)澆法是大跨度橋梁工程施工中最常見且成熟的重要施工技術(shù)，且菱形掛籃結(jié)構(gòu)是其中最常見的結(jié)構(gòu)形式之一，具有受力合理、剛度高和強(qiáng)度大的特點(diǎn)。但在施工中由于人為因素的影響，往往導(dǎo)致菱形掛籃結(jié)構(gòu)存在施工缺陷，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性?；诖?，為細(xì)化菱形掛籃現(xiàn)澆施工技術(shù)，探究結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性及相關(guān)措施。該文依托東北某大橋工程主橋菱形掛籃施工，從菱形掛籃結(jié)構(gòu)施工工藝及抗傾覆穩(wěn)定性方面，通過綜述、現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元模擬的方法介紹了掛籃施工技術(shù)，研究了菱形掛籃抗傾覆穩(wěn)定性及相關(guān)措施[1]。

1 工程概況

東北某大橋工程主橋?yàn)? 跨大跨徑變截面連續(xù)箱梁橋，長度為380m，跨徑布置為70+120+120+70=380m。主橋采用懸臂澆筑法和支架現(xiàn)澆法結(jié)合施工。主橋每個(gè)墩懸臂現(xiàn)澆段共分為16 個(gè)節(jié)段，共使用12 個(gè)掛籃同時(shí)施工。

2 菱形掛籃懸臂現(xiàn)澆技術(shù)

2.1 菱形掛籃施工

橋梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，橋面寬1850cm，橋梁結(jié)構(gòu)采用菱形掛籃懸臂現(xiàn)澆成型，掛籃主體結(jié)構(gòu)由菱形主桁架、走行及錨固系統(tǒng)、吊桿系統(tǒng)、底托系統(tǒng)和模板系統(tǒng)等部分組成。由于橋梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，橫橋向設(shè)置3 道腹板，為保證掛籃穩(wěn)定性及承載能力，單側(cè)菱形掛籃設(shè)置為3 幅主桁架結(jié)構(gòu)[2]。

梁體0#塊施工完成后，通常沿梁體縱橋向的中軸線放樣出3 幅主桁架，并根據(jù)中軸線位置安裝軌道墊梁、走行梁。在安裝走道梁墊梁前，應(yīng)先將后走行輪安裝在走道梁上，精確設(shè)置3 根走行梁間距，確保3 幅主桁架對稱布置，降低側(cè)翻傾覆風(fēng)險(xiǎn)，并利用豎向精軋螺紋鋼壓緊走道梁，具體參數(shù)見表1。

表1 走行梁安裝控制參數(shù)

將底模平臺系統(tǒng)、外側(cè)模及內(nèi)模吊掛于相應(yīng)導(dǎo)梁上，頂起前支點(diǎn)滑座，使其與走道梁分離1～2cm 距離，解除主桁后錨固螺栓，使后錨反力滑輪勾于走道梁上，檢查滑輪和走道梁咬合是否嚴(yán)密，走行時(shí)不能存在咬邊情況，然后同時(shí)開起6組走行牽引千斤頂油泵，使主桁架連同底模平臺系統(tǒng)、外側(cè)模及內(nèi)模緩慢同步前行，走行至下一節(jié)段施工位置后停止。掛籃走行至下一施工節(jié)段就位后，落下前支點(diǎn)滑座千斤頂，使滑座與走道梁面密貼，重新錨固主桁后錨固端螺栓。

2.2 現(xiàn)澆曲線橋梁線形控制

2.2.1 彈性變形監(jiān)測

2.2.1.1 預(yù)壓點(diǎn)位布置

為有效消除掛籃非彈性變形，準(zhǔn)確確定立模標(biāo)高，保證結(jié)構(gòu)線形滿足施工控制預(yù)期要求，須對懸臂現(xiàn)澆掛籃進(jìn)行預(yù)壓施工。在掛籃靜載預(yù)壓前，預(yù)壓監(jiān)測點(diǎn)布置在前橫梁和前吊桿下橫梁左右，主要監(jiān)測預(yù)壓過程中前支點(diǎn)和后錨點(diǎn)的沉降變形，監(jiān)測斜拉桿和主桁架梁內(nèi)側(cè)的應(yīng)力變化。

2.2.1.2 預(yù)壓荷載計(jì)算

為模擬混凝土澆筑對掛籃系統(tǒng)的影響，利用沙袋模擬混凝土澆筑過程中荷載的分布變化進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓荷載分布計(jì)算見表2。

表2 預(yù)壓荷載

2.2.1.3 預(yù)壓方案實(shí)施

由于采用1.5t/袋重沙袋進(jìn)行預(yù)壓，根據(jù)上節(jié)所得預(yù)壓荷載計(jì)算可知，須用沙袋148 袋。后根據(jù)箱梁橫橋向截面質(zhì)量分布規(guī)律可得：底腹板橫橋向擺4 層，須用砂袋132 袋；翼緣板須用砂袋16 袋[3]?，F(xiàn)澆掛籃預(yù)壓荷載采用分級加載方式按20%→40%→60%→80%→100% 5 級加/卸載的方式進(jìn)行，并分別取小里程、大里程記錄每級加載后各測點(diǎn)標(biāo)高，得到菱形掛籃沉降量變化曲線如圖1所示。

圖1 沉降量變化曲線

2.2.1.4 高程線形控制

懸臂現(xiàn)澆箱梁高程線形控制，主要通過在計(jì)算各節(jié)段立模標(biāo)高過程中考慮菱形掛籃彈性變形、預(yù)拱度、成橋節(jié)段總體撓度來進(jìn)行控制。由圖1可知，菱形掛籃在預(yù)壓過程中的沉降變化曲線規(guī)律基本一致：隨加載沉降增加，隨卸載沉降減少，且卸載完成均存在沉降殘余量，即為非彈性變形量。小里程端掛籃產(chǎn)生的最大預(yù)壓變形量為33.1mm，卸載后殘余量為2.6mm；大里程端掛籃產(chǎn)生的最大預(yù)壓變形量為31.6mm，卸載后殘余量為1.4mm。根據(jù)圖1 記錄數(shù)據(jù)，掛籃的彈性變形量計(jì)算如公式 （1）所示。

連續(xù)梁橋施工預(yù)拱度控制是通過立模標(biāo)高實(shí)現(xiàn)的，其主要設(shè)置目的是為了削弱各種施工荷載對橋梁豎向線形的影響，本懸臂現(xiàn)澆曲線大橋各施工節(jié)段立模標(biāo)高如公式（2）所示。

式中：Hsi為立模標(biāo)高；Hi為設(shè)計(jì)高程；fyi為預(yù)拱度；fni為成橋累計(jì)撓度；β為根據(jù)撓度觀測結(jié)果，分析統(tǒng)計(jì)出的撓度折減系數(shù)；?fi為根據(jù)實(shí)測撓度結(jié)果選取的撓度調(diào)整值。Δ彈性為掛籃彈性壓縮變形。

2.2.1.5 平面線形控制

簡支箱梁可根據(jù)“曲線直作”原理，將曲線線路化為一段簡支直梁，而現(xiàn)澆連續(xù)梁則須在原位進(jìn)行“曲線曲作”施工，與簡支箱梁相比，現(xiàn)澆連續(xù)梁在曲線線路上的平面線形受橋梁偏距、偏角的影響更大，線性控制難度更大。因此在進(jìn)行橋梁平面線形控制過程中，引入灰色預(yù)測理論進(jìn)行曲線橋梁平面線形控制。當(dāng)建立平面線形控制模型時(shí)，首先，實(shí)測上一階段單側(cè)線形控制坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并與控制坐標(biāo)點(diǎn)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比求差值。以此為依據(jù)來預(yù)測下一節(jié)段平面線形偏差并進(jìn)行順延糾偏。

當(dāng)利用灰色系統(tǒng)理論控制曲線橋梁平面線形時(shí)，過程中將各節(jié)段控制坐標(biāo)點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)序列看作是隨施工時(shí)間進(jìn)程變化的灰色過程，通過累加生成多節(jié)段曲線橋梁實(shí)測數(shù)據(jù)，歸納出線形變化的有序數(shù)列規(guī)律，從而建立一個(gè)基于已施工節(jié)段數(shù)據(jù)變化規(guī)律來預(yù)測后續(xù)曲線線形變化的Grey model模型，確定曲線橋梁平面線形在后續(xù)節(jié)段的發(fā)展變化趨勢，以提前進(jìn)行干預(yù)控制，并對橋梁線形進(jìn)行順延調(diào)整。

在控制模型中，設(shè)x（0）（t）為原始實(shí)測數(shù)據(jù)樣本，通過對各節(jié)段實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行累加生成運(yùn)算得到生成新的時(shí)間序列x（1）（t），將x（1）（t）擬合成一階線形白化微分方程其形式如公式（3）所示。

式中：a為發(fā)展系數(shù)；b為灰色作用量。

該曲線橋梁采用懸臂現(xiàn)澆法進(jìn)行橋梁施工，在曲線橋梁平面線形控制過程中，基于灰色系統(tǒng)理論利用各節(jié)段線形控制坐標(biāo)點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)偏差值來建立殘差GM（1，1）模型來預(yù)測平面線形變化，對后期各節(jié)段平面控制指標(biāo)點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，可以更精確的反映整個(gè)施工期間曲線橋梁平面線形的變化趨勢，后以預(yù)測數(shù)據(jù)為參照，在控制指標(biāo)點(diǎn)理論數(shù)據(jù)上進(jìn)行順延調(diào)整，以保證曲線橋梁線形的平順過渡。

但預(yù)測精度與預(yù)測點(diǎn)和數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)間間隔距離相關(guān)，為消除這種精度差，采用等維灰數(shù)遞補(bǔ)數(shù)據(jù)處理技術(shù)來對GM（1，1）模型進(jìn)行改進(jìn)。即每當(dāng)預(yù)測出下一橋梁節(jié)段的平面偏差值時(shí)，則將最早的數(shù)據(jù)樣剔除，以保證在序列維數(shù)不變的前提下，每新增一個(gè)節(jié)段線形數(shù)據(jù)則進(jìn)行一次預(yù)測，周而復(fù)始直至完成所有懸臂現(xiàn)澆節(jié)段，采用改進(jìn)的GM（1，1）模型法使預(yù)測值精度有很大的提高。

3 掛籃抗傾覆控制研究

現(xiàn)澆箱梁掛籃施工過程中，現(xiàn)澆狀態(tài)及走行狀態(tài)下掛籃發(fā)生傾覆的風(fēng)險(xiǎn)最大，因此該文利用Midas 軟件主要模擬主桁架在這2 種狀態(tài)下的受力情況，以針對性地制定抗傾覆措施，模型如圖2 所示[4]。

圖2 掛籃主桁架模型

3.1 現(xiàn)澆狀態(tài)抗傾覆分析

現(xiàn)澆掛籃結(jié)構(gòu)在混凝土澆筑過程中，主要受到混凝土自重產(chǎn)生的豎向荷載及混凝土澆筑沖擊荷載影響。在此工況下，模擬得出掛籃結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)云圖如圖3 所示：當(dāng)澆筑方量達(dá)到最大時(shí)，由于受到豎向荷載作用，上橫梁前端產(chǎn)生最大豎向沉降變形約為32.3mm，與預(yù)壓結(jié)果相近。在下橫梁后錨處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，約為310.2MPa；在下橫梁前錨處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，約為294.65MPa。后錨采用2 組4 根φ32mm精軋螺紋鋼進(jìn)行錨固，其單根屈服強(qiáng)度約為830MPa，后錨安全儲備系數(shù)[5]計(jì)算如公式（4）所示。

圖3 現(xiàn)澆狀態(tài)掛籃結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)云圖

式中：λ1為現(xiàn)澆安全儲備系數(shù)；fσs為屈服強(qiáng)度；fmax 為最大拉應(yīng)力。

由公式（4）可知：現(xiàn)澆狀態(tài)下下橫梁后錨安全系數(shù)足以滿足抗傾覆要求。應(yīng)力分布云圖如圖3所示，除下橫梁錨固點(diǎn)外，桁架其余部分應(yīng)力為-129.69～200.23MPa，滿足穩(wěn)定性要求。同時(shí)上述分析可知，為保證現(xiàn)澆狀態(tài)下掛籃主桁架的抗傾覆穩(wěn)定性，可針對下橫梁錨固點(diǎn)采取針對性地加強(qiáng)措施或者增加錨固點(diǎn)數(shù)量[6]。

3.2 走行狀態(tài)抗傾覆分析

除現(xiàn)澆狀態(tài)外，掛籃走行狀態(tài)也是易發(fā)生傾覆的穩(wěn)定性薄弱環(huán)節(jié)。在掛籃走行，主要靠液壓油頂提供推動力使掛籃勻速平穩(wěn)向下一階段前進(jìn)。在此過程中，由于前后錨固已拆除，掛籃主要靠錨固點(diǎn)處與走行梁接觸的自錨輪組提供錨固力。掛籃走行過程中，前端支架模板體系自重荷載通過精軋螺紋鋼吊桿向自錨系統(tǒng)傳遞拉力。因此在走行過程中，自錨系統(tǒng)須提供足夠的反力來抵消拉力以保證抗傾覆穩(wěn)定性。基于此工況對桁架系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析得到走行狀態(tài)自錨系統(tǒng)反力分析圖，如圖4 所示。

圖4 走行狀態(tài)自錨系統(tǒng)反力

因此自錨系統(tǒng)須提供不小于235.25kN 的反力來保證走行抗傾覆穩(wěn)定性，由于在走行過程中，自錨系統(tǒng)是通過走行反扣輪來進(jìn)行錨定，而反扣輪與主桁架是通過φ80mm 的40Cr 鋼銷軸銷接。其提供的自錨反力計(jì)算如公式（5）所示。

反力安全儲備系數(shù)為12.17，足以提供保證掛籃在走形過程中的抗傾覆穩(wěn)定性。走行安全儲備系數(shù)計(jì)算如公式（6）所示。

式中：λ2為走行安全儲備系數(shù)；N為自錨系統(tǒng)提供的支反力；σ為鋼銷抗剪強(qiáng)度；A為鋼銷截面積。

4 結(jié)論

通過該文對大跨度橋梁現(xiàn)澆掛籃施工技術(shù)及抗傾覆穩(wěn)定性的模擬研究，得出以下3點(diǎn)結(jié)論：1）現(xiàn)澆掛籃拼裝預(yù)壓施工質(zhì)量是影響掛籃結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素，應(yīng)嚴(yán)格按照方案及設(shè)計(jì)要求嚴(yán)控現(xiàn)澆掛籃拼裝預(yù)壓工序，以降低人為因素對現(xiàn)澆掛籃結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性的影響。2）通過建立合理的有限元模型，分析現(xiàn)澆狀態(tài)及走行狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性安全儲備系數(shù)可知：現(xiàn)澆抗傾覆安全儲備系數(shù)λ1為11.26，走行抗傾覆安全儲備系數(shù)λ2為12.17，均完全滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。3）通過模擬分析過程中的數(shù)據(jù)分布可知：加強(qiáng)現(xiàn)澆狀態(tài)下后錨精軋螺紋鋼數(shù)量及安裝垂直度、加強(qiáng)主桁架各連接點(diǎn)位強(qiáng)度可有效提供現(xiàn)澆狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性；走行狀態(tài)下，通過控制掛籃走行速度、控制各桁架走行進(jìn)度、增加反扣輪組數(shù)可有效提高走行狀態(tài)抗傾覆穩(wěn)定性。