金善長

摘要：為探明單索面混凝土斜拉橋前后支點(diǎn)組合式掛籃性能，本文首先對前后支點(diǎn)組合式掛籃的構(gòu)成及優(yōu)勢進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，通過工程實力對前后支點(diǎn)組合式掛籃的性能進(jìn)行了研究，力求對該掛籃施工進(jìn)行全面的掌握。

關(guān)鍵詞：單索面;混凝土斜拉橋;前后支點(diǎn)組合式掛籃;性能

混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)包括塔、梁主和斜拉索，其中斜拉索是橋梁跨的中間支撐，具有彈性，能夠降低主梁截面彎矩，減輕主梁自重，提高跨越能力，同時斜拉索還能夠增強(qiáng)主梁的承載力與抗裂能力。由于斜拉橋具有較理想的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，因此比懸索橋更加抗風(fēng)和抗震，穩(wěn)定性更好?；炷列崩瓨蛑髁旱氖┕ぶ饕捎脩冶蹪仓膾旎@施工。由于掛籃施工時，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有較多次數(shù)的超靜定，并且斜拉索的位置與各部分尺寸要求精確，因此在施工中需要對各階段的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析。

一、前支點(diǎn)掛籃與后支點(diǎn)掛籃

國內(nèi)斜拉橋主梁施工的掛籃施工根據(jù)受力形式分為前支點(diǎn)、后支點(diǎn)兩種，兩種方式具有各自的優(yōu)勢與不足之處。

（一）前支點(diǎn)掛籃

前支點(diǎn)掛籃是利用待澆筑節(jié)段的斜拉索為前支點(diǎn)的，它與已澆筑完成節(jié)段上的錨固點(diǎn)構(gòu)成了簡支體系，掛籃平臺和主要承重結(jié)構(gòu)位于橋梁下面。前支點(diǎn)提供了前端的斜拉索作用，有利于減少已澆筑節(jié)段的施工應(yīng)力，并調(diào)整混凝土節(jié)段無應(yīng)力標(biāo)高，便于施工控制。但是前支點(diǎn)掛籃的主桁布置受斜拉索位置的限制，尤其是單索面較寬的主梁斜拉橋，由于前支點(diǎn)斜拉索位于主梁中間，因此結(jié)構(gòu)傳力復(fù)雜，橫向穩(wěn)定性難設(shè)計，而橫向高差的調(diào)整也比較困難，掛籃行走系統(tǒng)復(fù)雜。

（二）后支點(diǎn)掛籃

后支點(diǎn)掛籃則不需要前端斜拉索，只是依靠掛籃主體結(jié)構(gòu)的剛度形成懸臂體系，掛籃底平臺，混凝土澆筑在底平臺上進(jìn)行。后支點(diǎn)掛籃的結(jié)構(gòu)較簡單，行走方便，受力明確，因此在斜拉橋上廣泛使用。但是后支點(diǎn)掛籃的自重與待澆筑混凝土的荷載對已澆筑完成的前一節(jié)段梁會產(chǎn)生較大的施工應(yīng)力，并且在梁重量較重、懸臂較大的節(jié)段后支點(diǎn)掛籃設(shè)計不夠經(jīng)濟(jì)。

二、前后支點(diǎn)組合式掛籃

前后支點(diǎn)組合式掛籃由重慶橋梁公司研究設(shè)計，并用于重慶雙牌嘉陵江大橋施工。前后支點(diǎn)組合式掛籃具有一套前支點(diǎn)掛籃和兩套后支點(diǎn)掛籃，前支點(diǎn)位于主梁中間，與單索面斜拉索的位置相對應(yīng)，用于承擔(dān)主梁中間與斜腹板的部分荷載，后支點(diǎn)掛籃位于主梁兩側(cè)，用于承擔(dān)斜腹板和翼板的部分荷載。前、后支點(diǎn)的組合由后支點(diǎn)掛籃平臺、前支點(diǎn)掛籃平臺、后支點(diǎn)掛籃平臺（掛籃底平臺橫向劃分）三部分鉸接連接而成。前后支點(diǎn)組合式掛籃與前支點(diǎn)掛籃、后支點(diǎn)掛籃相比其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面。

首先，前支點(diǎn)掛籃兩側(cè)增設(shè)兩套后支點(diǎn)掛籃，掛籃底平臺擁有三個支撐點(diǎn)，橫向穩(wěn)定性增強(qiáng);其次，兩套后支點(diǎn)掛籃的前吊標(biāo)高均可進(jìn)行調(diào)整，避免了橫向的標(biāo)高差異與不平衡;再次，前支點(diǎn)與后支點(diǎn)掛籃之間受力相互協(xié)同，掛籃結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，增強(qiáng)了長節(jié)段、寬主梁、大噸位和單索面的適應(yīng)性，并且掛籃的自重得到了控制;最后，前支點(diǎn)與后支點(diǎn)掛籃平臺采用鉸接連接，翼板受力明確，不會因溫度的變化受到影響，并且掛籃的裝卸比較方便。但是這種組合式掛籃也存在一定的缺點(diǎn)，盡管采用鉸接連接減輕了掛籃自重，但組合體系的橫向剛度和橫向整體性變差。

三、前后支點(diǎn)組合式掛籃性能研究——以重慶雙牌嘉陵江大橋為例

重慶雙牌嘉陵江大橋主橋標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度7m，重量為461t，橋面寬32.5m，橫向懸臂長約12m，由于節(jié)段較長、重量較大、寬橋面，因此橋型設(shè)計較為困難。為解決前、后支點(diǎn)施工中的不利因素，減少自重和材料浪費(fèi)，避免錨點(diǎn)反力超過上限，重慶橋梁公司設(shè)計研究了前后支點(diǎn)組合式掛籃，并在重慶雙牌嘉陵江大橋施工中應(yīng)用。為了探明前后支點(diǎn)組合式掛籃的可行性，需要對其各項性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行研究。本研究通過理論上的分析與試驗掌握掛籃的性能能夠更好的對該組合式掛籃進(jìn)行掌握。這里對組合式掛籃進(jìn)行空間應(yīng)力的分析，采用的方法為有限元分析軟件Midas Civil，通過掛籃三維模型的構(gòu)建，進(jìn)行理想約束與模擬施工，對掛籃在各個工況下的受力與變形情況進(jìn)行分析。

（一）研究分析步驟：

第一步，參數(shù)設(shè)置。主梁混凝土強(qiáng)度為C50，預(yù)應(yīng)力鋼筋為φs15.24 的鋼絞線，精軋螺紋鋼筋為JL32的粗鋼筋。

第二步，構(gòu)件模型。采用有限元法求解需要從實際結(jié)構(gòu)出發(fā)，在滿足準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化。簡化的模型需要符合雙牌嘉陵江大橋的實際結(jié)構(gòu)受力，同時也要對重點(diǎn)部位進(jìn)行突出。

第三步，劃分懸臂澆筑掛籃施工工況。在理論計算中對澆筑調(diào)索工況劃分依次為：空載、節(jié)段荷載施加25%、節(jié)段荷載施加50%、節(jié)段荷載施加50%并進(jìn)行所里的調(diào)整、節(jié)段荷載施加75%、節(jié)段荷載施加100%;澆筑不調(diào)索工況依次為：空載、節(jié)段荷載施加25%、節(jié)段荷載施加50%、節(jié)段荷載施加75%、節(jié)段荷載施加100%。

第四步，對模型進(jìn)行簡化處理。主要包括單元處理、坐標(biāo)系假定、邊界約束、載荷簡化、橫向預(yù)拉架預(yù)拉力模擬。

（二）前后支點(diǎn)組合式掛籃剛度分析

對前后支點(diǎn)組合式掛籃剛度分析是通過對各工況下掛籃的位移變化來進(jìn)行的，本研究中掛籃驗算荷載取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段（節(jié)段數(shù)量最多）為掛籃計算的載荷取值，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段載荷的劃分并模擬，進(jìn)而掌握掛籃的性能。調(diào)索在混凝土澆筑一半時進(jìn)行，只調(diào)索一次，并與不調(diào)索進(jìn)行對比。掛籃變形觀測點(diǎn)共計9個點(diǎn)，均為變形最大截面。調(diào)索與不調(diào)索下各工況掛籃控制部位位移值見表1、表2。根據(jù)表1 和表2 的結(jié)果顯示，在混凝土澆筑一半時調(diào)索，使前支點(diǎn)掛籃前端中間標(biāo)高抬高了6mm，其余部位也相應(yīng)抬高約6mm，由于混凝土索力的調(diào)整，重量朝上下游轉(zhuǎn)移，后支點(diǎn)掛籃的最大撓量為3mm。當(dāng)荷載增大到100%，前支點(diǎn)變形量最大為18mm，后支點(diǎn)為30mm?？傮w上來看，各點(diǎn)的位移變換量較小，無突變點(diǎn)，這有利于主梁線性控制。不進(jìn)行調(diào)索前支點(diǎn)最大位移24mm、后支點(diǎn)最大位移32mm，當(dāng)荷載為100%時，位移量與調(diào)索時一致;但是在荷載25%時存在后支點(diǎn)結(jié)合處的位移突變，位移量變化很大（4、5、6點(diǎn)），這主要是空載時掛籃下拉所所里較小造成的。

表1 調(diào)索下掛籃位移

工況

荷載施加

理論情況下的位移mm

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

空載

-24

-7

5

18

19

18

5

-7

-24

2

25%

-19

-11

-3

8

11

8

-3

-11

-19

3

50%

-24

-22

-17

1

5

1

-17

-19

-24

4

50%調(diào)索

-27

-22

-13

7

11

7

-13

-22

-27

5

75%

-21

-23

-18

-4

2

-4

-18

-23

-21

6

100%

-41

-32

-25

-5

1

-5

-25

-32

-41

表2 不調(diào)索下掛籃位移

工況

荷載施加

理論情況下的位移mm

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

空載

-27

-7

7

24

25

24

7

-7

-27

2

25%

-22

-11

1

-14

17

-14

1

-11

-22

3

50%

-27

-22

-15

7

11

7

-15

-19

-27

4

75%

-21

-23

-16

-4

2

-4

-16

-23

-21

5

100%

-40

-32

-25

-5

1

-5

-25

-32

-40

（三）前后支點(diǎn)組合式掛籃強(qiáng)度、反力分析

研究分析發(fā)現(xiàn)，調(diào)索與不調(diào)索兩種情況下吊桿反力值基本相同，盡管初始情況下，弧形梁由于斜拉索的作用產(chǎn)生負(fù)值，這是預(yù)抬的作用效果。在荷載100%時，調(diào)索與不調(diào)索工況下中吊桿力值相同，這表明，在初始索力一致、荷載數(shù)相同的情況下，調(diào)索與不調(diào)索的吊桿受力情況相同，并且均在極限值之內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計的要求。而施加荷載100%時，掛籃的受力最大，對此時荷載的應(yīng)力值進(jìn)行計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)調(diào)索與不調(diào)索下掛籃主要構(gòu)件的應(yīng)力值相同，最大應(yīng)力在后支點(diǎn)三角桁架主縱梁處，最大應(yīng)力值為140MPa<345MPa，符合應(yīng)力要求;最大應(yīng)力在后支點(diǎn)三角桁架主縱梁外行走主梁吊桿處，最大應(yīng)力值為127MPa<345MPa，符合應(yīng)力要求.

（四）前后支點(diǎn)組合式掛籃的穩(wěn)定性分析

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定包括了分支點(diǎn)失穩(wěn)與極值點(diǎn)失穩(wěn)，實際工程中場出現(xiàn)極值點(diǎn)

失穩(wěn)情況，由于分支點(diǎn)失穩(wěn)計算方便，并且計算臨界值與極值點(diǎn)失穩(wěn)接近，因此常根據(jù)分支點(diǎn)失穩(wěn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的求解。Midas Civil有限元求解，一定變形狀態(tài)下結(jié)構(gòu)靜力平衡方程為：