金仁貴

中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江湖州 313000

0 引言

我國社會經(jīng)濟的穩(wěn)定持續(xù)高速增長，交通面臨巨大壓力，快速交通、高等級公路寬幅化建設(shè)發(fā)展迅猛。矮塔斜拉橋兼具斜拉橋與梁橋的特點，具備主梁剛度大、施工方便、經(jīng)濟、景觀環(huán)境友好等優(yōu)勢，在中等跨徑橋梁中應(yīng)用趨勢廣泛。寬幅矮塔斜拉橋施工的控制關(guān)鍵之一是主梁的施工，經(jīng)常采取掛籃懸臂澆筑施工預(yù)應(yīng)力混凝土主梁。因此諸多學(xué)者及相關(guān)科技人員對掛籃進行了大量的試驗、實踐工作。張立家等［1-4］闡述了桁架式掛籃設(shè)計、施工方法及控制措施。楊維威等［5-6］設(shè)計應(yīng)用了大噸位節(jié)段掛籃施工滑移同步行走構(gòu)造。張洪斌等［7-8］對掛籃結(jié)構(gòu)空間應(yīng)力進行了仿真分析。王二強等［9-12］對掛籃進行載荷試驗，提出了掛籃變形及安全性能測試方法。張建國等［13-15］研究了掛籃結(jié)構(gòu)改進、設(shè)計優(yōu)化。但目前針對掛籃的研究大多只是停留在滿足本項目施工需要的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)構(gòu)造、荷載組合、載荷系數(shù)、安全儲備的系統(tǒng)化研究并不多見。鑒于此，依托高速公路雙塔單索面矮塔斜拉橋，設(shè)計了寬幅箱梁懸臂澆筑菱形掛籃，并對施工過程的掛籃結(jié)構(gòu)進行受力特性研究，旨在探明菱形掛籃在寬幅箱梁混凝土懸臂澆筑過程中主要構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)，分析評價掛籃設(shè)計應(yīng)用的安全性能，供掛籃設(shè)計相關(guān)系統(tǒng)化參數(shù)設(shè)定及施工應(yīng)用參考。

1 工程概況

東苕溪大橋位于浙江省湖州市，主橋為（84+140+84）m孔跨布置總長308 m的單主梁預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，設(shè)計為塔梁固結(jié)、墩梁分離的結(jié)構(gòu)體系，見圖1、圖2。主橋主跨跨越浙江東苕溪Ⅳ級航道，規(guī)定通航凈空為55 m×7 m，設(shè)計最高通航水位為2.66 m。單主梁為單箱五室變高度變厚度寬幅箱形截面；梁高由17#（18#）墩頂處的5.5 m變化到16#（19#）墩頂處及跨中處的3.0 m，單側(cè)變高段梁體長18.5 m，梁底曲線設(shè)計為2.0 次拋物線。箱梁頂部寬度為34.5 m，邊側(cè)設(shè)4.0 m長的懸臂端。外側(cè)腹板采用厚度45～70 cm的斜腹板，內(nèi)側(cè)腹板為厚度為45～70 cm 直腹板；底板厚度為20～25 cm；頂板厚28 cm（中室頂板厚50 cm）。箱梁分段為：12 m長的0號梁段、3 m長的1～5號梁段、4 m長的6～17號梁段及2.0 m 長的跨中合龍段。6號梁段質(zhì)量最大，重363 t。

圖1 實景圖

圖2 東苕溪大橋主橋

2 掛籃構(gòu)造設(shè)計

針對東苕溪大橋主梁截面大、整體性要求高的特征，從結(jié)構(gòu)受力、施工操作方便與否及經(jīng)濟條件等幾方面進行綜合比較［1-6］，選定菱形桁架組合式掛籃，并采用后錨點掛籃系統(tǒng)。主梁采用菱形組合結(jié)構(gòu)形式，大大減少了主梁承受的彎矩，能使鋼結(jié)構(gòu)用量降低，經(jīng)濟合理。六榀菱形桁架掛籃由主桁架體系、底籃體系、懸吊體系、錨固體系、走行體系、作業(yè)平臺和防護體系、模板體系等主要部分構(gòu)成，見圖3、圖4。

圖3 掛籃側(cè)立面

圖4 掛籃斷面

2.1 掛籃參數(shù)

掛籃工作狀態(tài)及走行狀態(tài)傾覆穩(wěn)定系數(shù)大于2.0；其錨固系統(tǒng)、限位系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于2.0；主桁梁最大變形小于20 mm；主桁梁前支點及底籃后吊點與梁端距離大于500 mm。其基本適用參數(shù)見表1。

表1 掛籃適用參數(shù)

2.1.1 主桁架體系

六榀菱形桁架及相關(guān)橫向聯(lián)結(jié)系組合成主桁架體系。六榀主桁架中心間距分別為5.8、4.9、4.2、4.9、5.8 m，主桁中心高度為3.5 m，總長度為9.35 m，桁架前節(jié)點與后節(jié)點之間的間隔距離為4.05 m。主桁架A1～A5主桿件為格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，利用2［32a槽鋼拼裝組焊而成，采取銷軸聯(lián)結(jié)并通過箱體的節(jié)點。橫向聯(lián)結(jié)體系由2［14a 及［10槽鋼組成，接頭采用M22高強螺栓連接，固定在兩榀主桁架的豎桿上。后錨平聯(lián)采用［20a槽鋼。

2.1.2 底籃體系

底模平臺由大塊鋼模板拼裝的底模板、單根HN350×175 型鋼承擔(dān)的縱梁和采用2HN400×200 型鋼組合的前后橫梁加工組成?？v梁、橫梁之間采用焊接連接，前后橫梁的中心距離長5.3 m。

2.1.3 懸吊體系

懸吊體系的底模前下橫梁及后下橫梁各設(shè)置12個吊位，全部采用Φ32精軋螺紋鋼筋作為吊位吊桿，利用Q345B 鋼板加工制作成截面為20 mm×200 mm鋼吊帶，吊帶分結(jié)處的連接方式為銷軸銷接。底模平臺的前部端頭利用吊桿與掛籃桁架前上橫梁連接，由墊梁、扁擔(dān)梁和液壓螺旋千斤頂構(gòu)成的位置控制設(shè)施也設(shè)置在前上橫梁上，便于調(diào)整底模的標(biāo)高。底模平臺的后部端頭利用吊桿固定于完成混凝土澆筑的梁段底板及翼緣板上。包括外模和內(nèi)模走行梁的前后吊桿在內(nèi)的所有懸吊吊桿均為單根Φ32精軋螺紋鋼筋。

2.1.4 錨固體系

4根預(yù)埋于箱梁混凝土中的精軋螺紋鋼筋，2根后錨上型鋼扁擔(dān)梁加上4根后錨吊桿一起組成一組的掛籃錨固體系。每個掛籃共設(shè)2組掛籃錨固體系，位置均設(shè)在2榀主桁架的后節(jié)點。

2.1.5 走行體系

掛籃走行必須平穩(wěn)可靠，首選雙軌自錨式。利用豎向預(yù)埋鋼筋及壓梁對走行軌道進行錨固，每片主桁下設(shè)2組雙拼大型鋼整體式軌道，2組后錨反扣輪。后錨處設(shè)置利用上下反壓梁和精軋螺紋鋼錨固于走行軌道上的保險裝置。軌道前移采用千斤頂頂起掛籃主桁架前支座后拖動再錨固。掛籃支座完全作用于軌道上后，解除后錨，反扣輪作用于軌道上，用穿心千斤頂拖動掛籃走行，見圖5。采用一進六出液壓同步分流閥，用同一臺泵站來控制6臺牽引千斤頂，智能數(shù)控液壓頂進牽引系統(tǒng)確保六榀主桁架同步精準(zhǔn)前移。

2.1.6 防護體系

施工作業(yè)人員操作通道的安全防護體系主要包括操作平臺、通道平臺、上下通道等。

2.1.7 模板體系

外模采用全定制現(xiàn)場組合拼裝整體式鋼模板，內(nèi)模采用加肋框格木模，利用桁架及鋼管支架進行加固。

2.2 主要計算參數(shù)

2.2.1 材料特性

鋼材密度γ=78.5 kN/m3，彈性模量E=206 GPa?；炷寥葜卅?26.5 kN/m3。

2.2.2 允許設(shè)計值

1）材料允許應(yīng)力

Q235B 鋼材：［σ］=190 MPa，［τ］=110 MPa；

Q345B 鋼材：［σ］=275 MPa，［τ］=160 MPa；

45#調(diào)質(zhì)鋼：［σ］=280 MPa，［τ］=160 MPa；

30CrMnTi鋼（貝雷銷）：［σ］=1 040 MPa，［τ］=600 MPa；

40Si2MnV精軋螺紋鋼：［σ］=625 MPa.

2）受彎部件的撓度容許值

主梁或桁架：（永久+可變荷載）1/400、（可變荷載）1/500；

其他：（永久+可變荷載）1/250、（可變荷載）1/300。

3）荷載參數(shù)

人群及機具荷載：2.5 kN/m2；

混凝土超載系數(shù)：1.05；

振動荷載：4.0 kN/m2；

行走動力系數(shù)：1.3；

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：2.0；

風(fēng)荷載：按工作時遭遇6級風(fēng)荷載作用于結(jié)構(gòu)最不利位置考慮。

3 結(jié)構(gòu)性能驗證

3.1 掛籃有限元模型

采取橋梁工程專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析軟件MIDAS Civil 創(chuàng)建掛籃有限元模型，進行主要布局空間桿系分析［7-9］。掛籃結(jié)構(gòu)有限元模型見圖6，包含六榀主桁架、立柱間橫向聯(lián)接設(shè)施、前端上橫梁、底籃及導(dǎo)梁等承重體系；吊桿體系模擬方案為桁架單元，其他構(gòu)件模擬方案為梁單元，整個模型設(shè)置了785個節(jié)點、915個單元。掛籃錨點邊界條件設(shè)置約束6個自由度，吊架體系模擬方案為縱橫梁相交。模型傳力假定：前一梁段已施工完的箱梁翼板和掛籃主桁的前上橫梁承擔(dān)澆筑施工的箱梁翼緣板混凝土+側(cè)模重量，由外滑梁傳遞；前一階段已施工完的箱梁和掛籃主桁的前上橫梁承擔(dān)澆筑施工的箱梁底板、腹板、頂板混凝土及內(nèi)模支架、內(nèi)模、底籃平臺重量。

圖6 掛籃有限元模型

3.2 施工工況及荷載計算

1）綜合相關(guān)因素考慮施工過程掛籃結(jié)構(gòu)受力情況，按以下3種工況進行核算，主要考慮梁段長度、重量、梁高等影響參數(shù)［10-12］。

工況一：掛籃澆筑1號梁段混凝土施工工況。此工況梁段長3 m，高4.65 m（最高），混凝土重339 t。

工況二：掛籃澆筑6號梁段混凝土施工工況。此工況梁段長4 m（最長），高3 m，混凝土重363 t（最大）。

工況三：最長梁段澆筑完成，掛籃由最長梁段（6號）向下一梁段（7號）區(qū)位移動走行工況。此工況下掛籃移動走行距離相對長度大，走行姿勢及受力狀態(tài)掌控，校核移動走行狀態(tài)下的外模及配套底模相關(guān)走行梁的強度和剛度及掛籃抗傾覆穩(wěn)定性能。

2）根據(jù)六榀桁架掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計，底縱梁承受底板相關(guān)荷載，翼緣板相關(guān)荷載由外滑梁和外導(dǎo)梁承擔(dān)，采用細化條分法將箱梁底板、腹板、頂板、翼板的荷載轉(zhuǎn)化為線荷載。條分區(qū)域見圖7，加載情況見表2。

表2 掛籃加載

圖7 箱梁荷載轉(zhuǎn)化條塊分區(qū)域

3）荷載組合

①承載能力極限狀態(tài)

強度計算：1.2×（混凝土重量+掛籃自重）+1.4×（人群機具荷載+振動荷載）；

錨固、抗傾覆穩(wěn)定計算：k=結(jié)構(gòu)抗力組合/荷載效應(yīng)組合≥2。

②正常使用極限狀態(tài)

剛度計算：混凝土重量+掛籃自重+人群機具荷載。

3.3 計算結(jié)果及分析

相關(guān)工況條件下，六榀菱形桁架掛籃在箱梁混凝土懸澆施工過程中主要構(gòu)造桿件的最大應(yīng)力見表3。

表3 掛籃主要構(gòu)造桿件最大應(yīng)力

由表3可知，懸臂澆筑階段，掛籃各主要構(gòu)件受力符合設(shè)計狀態(tài)，安全儲備為2.1，均在規(guī)范容許范圍之內(nèi)；懸臂澆筑施工過程中，工況一（梁高最大）決定內(nèi)外模走行梁的強度，工況二（梁段最重）決定其他部件的強度、剛度；工況三掛籃走行階段，各主要受力部件應(yīng)力符合設(shè)計狀態(tài)，安全儲備2.5在規(guī)范容許范圍之內(nèi)。

通過模型計算，掛籃最大結(jié)構(gòu)變形出現(xiàn)在箱梁懸臂澆筑施工階段的最外側(cè)腹板下的底籃縱梁中間部位，最大值為16.8 mm<規(guī)范容許值20 mm，掛籃各主要構(gòu)造桿件撓度Δf均小于規(guī)范撓度容許值，滿足要求。

對掛籃機構(gòu)的反扣輪、平衡梁、軌道梁、主桁架銷軸、高強螺栓等受力狀態(tài)進行全面校核，安全儲備在2.0及以上，均滿足要求。

3.4 抗傾覆穩(wěn)定計算

掛籃主桁架的受力簡化見圖8。

圖8 掛籃主桁前端受力簡圖

1）工況二

工況二中前上橫梁傳遞給單片主桁的最大荷載為431 kN。單片主桁自重為35.7 kN。

由4根Φ32精軋螺紋鋼筋承擔(dān)的一片主桁的抗拉力為：N=4×625×804÷1 000=2 008 kN

則抗傾覆系數(shù)為：

2）工況三

工況二中主桁僅受底平臺及內(nèi)外模自重荷載作用，單片主桁受到前上橫梁荷載為122 kN。

一根Φ32 精軋螺紋鋼筋的抗拉力為502 kN，則抗傾覆系數(shù)為：

根據(jù)掛籃受力狀態(tài)，抗傾覆穩(wěn)定只需校核工況二、工況三，抗傾覆均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本項目菱形掛籃主桁架構(gòu)造簡潔，各桿件為拉壓構(gòu)件，受力明確。在不改變構(gòu)件截面尺寸、材料等參數(shù)下，通過改變主桁的結(jié)構(gòu)形式來提高主桁架的承載能力及變形能力，主要通過改變桁架懸臂仰角θ的角度對主桁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化［13-15］，見圖9。當(dāng)水平桿CD平行于底平桿AB時，是菱形掛籃，此時θ為33°；當(dāng)θ為0°時，是標(biāo)準(zhǔn)三角形掛籃。

圖9 主桁仰角變化示意

利用有限元軟件對不同仰角參數(shù)下的掛籃主桁在工況二荷載情況下進行受力及變形分析，計算結(jié)果見表4。

表4 掛籃主桁架仰角變化下相關(guān)主桿件的應(yīng)力及變形

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)得到傾角角度變化與主桁架各桿件的應(yīng)力及變形關(guān)系見圖10、圖11。

圖10 主桁架仰角與相關(guān)桿件的應(yīng)力關(guān)系

圖11 主桁架仰角與相關(guān)桿件的變形關(guān)系

通過對其關(guān)系圖表的分析，可知：無論仰角如何變化，主桁架A1（AB）、A2（AC）、A5（AD）桿為受壓桿，A3（BC）、A4（CD）桿為受拉桿；隨著仰角的增大，A1、A2的應(yīng)力一直在減小，A3的應(yīng)力不斷增加，其增加幅度較小，A4在0°～24°時應(yīng)力值緩緩下降，24°～45°之間其應(yīng)力值增加幅度較大；當(dāng)仰角在0°～24°變化時，主桁架變形逐漸變?。?4°～45°時，變形在增加。

綜合考慮掛籃施工作業(yè)平臺凈空等各層面元素，掛籃主桁架桿件受力、變形的綜合性能較佳的設(shè)計的最優(yōu)夾角為仰角θ=24°。

以24°為最優(yōu)夾角，通過有限元分析軟件研究立柱AC、懸臂桿CD、橫聯(lián)等參數(shù)對主桁架結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)分析結(jié)果進行精細化設(shè)計優(yōu)化掛籃，應(yīng)用掛籃對比見表5。

表5 掛籃優(yōu)化對比

相比原掛籃，優(yōu)化后的掛籃主桁各桿件應(yīng)力及變形值略有增加，但均在規(guī)范許可范圍內(nèi)，總重量減少2 550 kg，結(jié)構(gòu)模型安全、經(jīng)濟、合理。

5 整體性試驗

考慮現(xiàn)場作業(yè)空間有限，采取在0號塊箱梁混凝土中預(yù)埋精軋螺紋鋼筋進行反拉加載，實施掛籃結(jié)構(gòu)的整體性能檢驗［16-17］。加載時利用有限元分析軟件計算與現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比對，采取修正剪力法對掛籃預(yù)壓加載位置進行優(yōu)化計算，然后按確定掛籃部位進行反力預(yù)壓，獲得相對準(zhǔn)確的菱形桁架掛籃結(jié)構(gòu)彈性變形、非彈性變形數(shù)據(jù)，從而驗證結(jié)構(gòu)的整體可靠穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

針對東苕溪大橋主橋箱梁現(xiàn)場施工特點，設(shè)計的六榀菱形掛籃整體結(jié)構(gòu)簡單合理，不增加配重，自重較輕，作業(yè)空間寬敞，成功應(yīng)用于大墩位、變高度、單箱五室34.5 m 寬的單主梁矮塔斜拉橋?qū)挿淞菏┕ぁＪ┕み^程中，東苕溪Ⅳ級航道安全通航，未受到影響；施工監(jiān)測得到的掛籃最大彈性變形為16.0 mm，與設(shè)計計算吻合度高，滿足規(guī)范要求，安全可靠。

1）菱形桁架掛籃結(jié)構(gòu)簡潔且受力特性明確，承載能力相對較強，作業(yè)空間大，整體穩(wěn)定性高，安裝走行方便，不侵占橋下通航空間；在混凝土澆筑狀態(tài)，梁高最大且節(jié)段較重的梁段施工對掛籃內(nèi)外模的走行梁強度要求更高，節(jié)段最重的梁段施工對其他主要構(gòu)件的強度和剛度要求更高。

2）按工作時遭遇6 級風(fēng)荷載作用于結(jié)構(gòu)最不利位置考慮，菱形桁架掛籃設(shè)計總質(zhì)量約130 t，施工最高梁段高4.65 m，最長梁段長4 m，最大梁段重363 t，工作系數(shù)K為0.358。

3）采取菱形桁架組合成的掛籃主桁構(gòu)造采用24°傾角，減小了主桁長度，降低了掛籃重量；用桁架支撐外側(cè)模、底模，模板整體一次安裝到位，偏差控制簡單，對主梁線形及外觀質(zhì)量控制有利。

4）走行機構(gòu)反扣輪銷軸采用30CrMnTi貝雷銷，吊帶主銷軸采用直徑80 mm的45#調(diào)質(zhì)鋼，橫梁采用雙拼H400型鋼，接頭采用M22高強螺栓；反扣輪及接頭連接的受拉螺栓的承載能力受其彎曲強度支配。

5）采用滑行軌道進行掛籃走行，安裝簡單；掛籃移動走行操作方便，移動走行經(jīng)過4 m 長的梁段，完全就位的時間為2 h，工序轉(zhuǎn)換時間縮短約50%。