金仁貴

中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江湖州 313000

0 引言

我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定持續(xù)高速增長(zhǎng)，交通面臨巨大壓力，快速交通、高等級(jí)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(diǎn)，具備主梁剛度大、施工方便、經(jīng)濟(jì)、景觀環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，在中等跨徑橋梁中應(yīng)用趨勢(shì)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(duì)掛籃進(jìn)行了大量的試驗(yàn)、實(shí)踐工作。張立家等［1-4］闡述了桁架式掛籃設(shè)計(jì)、施工方法及控制措施。楊維威等［5-6］設(shè)計(jì)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(duì)掛籃結(jié)構(gòu)空間應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析。王二強(qiáng)等［9-12］對(duì)掛籃進(jìn)行載荷試驗(yàn)，提出了掛籃變形及安全性能測(cè)試方法。張建國(guó)等［13-15］研究了掛籃結(jié)構(gòu)改進(jìn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化。但目前針對(duì)掛籃的研究大多只是停留在滿(mǎn)足本項(xiàng)目施工需要的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、荷載組合、載荷系數(shù)、安全儲(chǔ)備的系統(tǒng)化研究并不多見(jiàn)。鑒于此，依托高速公路雙塔單索面矮塔斜拉橋，設(shè)計(jì)了寬幅箱梁懸臂澆筑菱形掛籃，并對(duì)施工過(guò)程的掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guò)程中主要構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)，分析評(píng)價(jià)掛籃設(shè)計(jì)應(yīng)用的安全性能，供掛籃設(shè)計(jì)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?yàn)椋?4+140+84）m孔跨布置總長(zhǎng)308 m的單主梁預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，設(shè)計(jì)為塔梁固結(jié)、墩梁分離的結(jié)構(gòu)體系，見(jiàn)圖1、圖2。主橋主跨跨越浙江東苕溪Ⅳ級(jí)航道，規(guī)定通航凈空為55 m×7 m，設(shè)計(jì)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(zhǎng)18.5 m，梁底曲線設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)的0號(hào)梁段、3 m長(zhǎng)的1～5號(hào)梁段、4 m長(zhǎng)的6～17號(hào)梁段及2.0 m 長(zhǎng)的跨中合龍段。6號(hào)梁段質(zhì)量最大，重363 t。

圖1 實(shí)景圖

圖2 東苕溪大橋主橋

2 掛籃構(gòu)造設(shè)計(jì)

針對(duì)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(jì)條件等幾方面進(jìn)行綜合比較［1-6］，選定菱形桁架組合式掛籃，并采用后錨點(diǎn)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(jì)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(tái)和防護(hù)體系、模板體系等主要部分構(gòu)成，見(jiàn)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(diǎn)及底籃后吊點(diǎn)與梁端距離大于500 mm。其基本適用參數(shù)見(jiàn)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(zhǎng)度為9.35 m，桁架前節(jié)點(diǎn)與后節(jié)點(diǎn)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(xiāo)軸聯(lián)結(jié)并通過(guò)箱體的節(jié)點(diǎn)。橫向聯(lián)結(jié)體系由2［14a 及［10槽鋼組成，接頭采用M22高強(qiáng)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(tái)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(zhǎng)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(gè)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(xiāo)軸銷(xiāo)接。底模平臺(tái)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(tái)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(gè)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(diǎn)。

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(duì)走行軌道進(jìn)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(xiǎn)裝置。軌道前移采用千斤頂頂起掛籃主桁架前支座后拖動(dòng)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(dòng)掛籃走行，見(jiàn)圖5。采用一進(jìn)六出液壓同步分流閥，用同一臺(tái)泵站來(lái)控制6臺(tái)牽引千斤頂，智能數(shù)控液壓頂進(jìn)牽引系統(tǒng)確保六榀主桁架同步精準(zhǔn)前移。

2.1.6 防護(hù)體系

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

2.1.7 模板體系

外模采用全定制現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行加固。

2.2 主要計(jì)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(jì)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(xiāo)）：［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(jī)具荷載：2.5 kN/m2；

混凝土超載系數(shù)：1.05；

振動(dòng)荷載：4.0 kN/m2；

行走動(dòng)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(shí)遭遇6級(jí)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(yàn)證

3.1 掛籃有限元模型

采取橋梁工程專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件MIDAS Civil 創(chuàng)建掛籃有限元模型，進(jìn)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(jiàn)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?jiǎn)卧?，整個(gè)模型設(shè)置了785個(gè)節(jié)點(diǎn)、915個(gè)單元。掛籃錨點(diǎn)邊界條件設(shè)置約束6個(gè)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(tái)重量。

圖6 掛籃有限元模型

3.2 施工工況及荷載計(jì)算

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

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

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

工況三：最長(zhǎng)梁段澆筑完成，掛籃由最長(zhǎng)梁段（6號(hào)）向下一梁段（7號(hào)）區(qū)位移動(dòng)走行工況。此工況下掛籃移動(dòng)走行距離相對(duì)長(zhǎng)度大，走行姿勢(shì)及受力狀態(tài)掌控，校核移動(dòng)走行狀態(tài)下的外模及配套底模相關(guān)走行梁的強(qiáng)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(jì)，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(xì)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(jiàn)圖7，加載情況見(jiàn)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(qiáng)度計(jì)算：1.2×（混凝土重量+掛籃自重）+1.4×（人群機(jī)具荷載+振動(dòng)荷載）；

錨固、抗傾覆穩(wěn)定計(jì)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(jì)算：混凝土重量+掛籃自重+人群機(jī)具荷載。

3.3 計(jì)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(guò)程中主要構(gòu)造桿件的最大應(yīng)力見(jiàn)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(jì)狀態(tài)，安全儲(chǔ)備為2.1，均在規(guī)范容許范圍之內(nèi)；懸臂澆筑施工過(guò)程中，工況一（梁高最大）決定內(nèi)外模走行梁的強(qiáng)度，工況二（梁段最重）決定其他部件的強(qiáng)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(jì)狀態(tài)，安全儲(chǔ)備2.5在規(guī)范容許范圍之內(nèi)。

通過(guò)模型計(jì)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(mǎn)足要求。

對(duì)掛籃機(jī)構(gòu)的反扣輪、平衡梁、軌道梁、主桁架銷(xiāo)軸、高強(qiáng)螺栓等受力狀態(tài)進(jìn)行全面校核，安全儲(chǔ)備在2.0及以上，均滿(mǎn)足要求。

3.4 抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

掛籃主桁架的受力簡(jiǎn)化見(jiàn)圖8。

圖8 掛籃主桁前端受力簡(jiǎn)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(tái)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(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本項(xiàng)目菱形掛籃主桁架構(gòu)造簡(jiǎn)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(guò)改變主桁的結(jié)構(gòu)形式來(lái)提高主桁架的承載能力及變形能力，主要通過(guò)改變桁架懸臂仰角θ的角度對(duì)主桁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化［13-15］，見(jiàn)圖9。當(dāng)水平桿CD平行于底平桿AB時(shí)，是菱形掛籃，此時(shí)θ為33°；當(dāng)θ為0°時(shí)，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(duì)不同仰角參數(shù)下的掛籃主桁在工況二荷載情況下進(jìn)行受力及變形分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)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(guò)對(duì)其關(guān)系圖表的分析，可知：無(wú)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(shí)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(shí)，主桁架變形逐漸變??；24°～45°時(shí)，變形在增加。

綜合考慮掛籃施工作業(yè)平臺(tái)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(jì)的最優(yōu)夾角為仰角θ=24°。

以24°為最優(yōu)夾角，通過(guò)有限元分析軟件研究立柱AC、懸臂桿CD、橫聯(lián)等參數(shù)對(duì)主桁架結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)優(yōu)化掛籃，應(yīng)用掛籃對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 掛籃優(yōu)化對(duì)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(jì)、合理。

5 整體性試驗(yàn)

考慮現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間有限，采取在0號(hào)塊箱梁混凝土中預(yù)埋精軋螺紋鋼筋進(jìn)行反拉加載，實(shí)施掛籃結(jié)構(gòu)的整體性能檢驗(yàn)［16-17］。加載時(shí)利用有限元分析軟件計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，采取修正剪力法對(duì)掛籃預(yù)壓加載位置進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，然后按確定掛籃部位進(jìn)行反力預(yù)壓，獲得相對(duì)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(yàn)證結(jié)構(gòu)的整體可靠穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

針對(duì)東苕溪大橋主橋箱梁現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的六榀菱形掛籃整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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^(guò)程中，東苕溪Ⅳ級(jí)航道安全通航，未受到影響；施工監(jiān)測(cè)得到的掛籃最大彈性變形為16.0 mm，與設(shè)計(jì)計(jì)算吻合度高，滿(mǎn)足規(guī)范要求，安全可靠。

1）菱形桁架掛籃結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔且受力特性明確，承載能力相對(duì)較強(qiáng)，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(duì)掛籃內(nèi)外模的走行梁強(qiáng)度要求更高，節(jié)段最重的梁段施工對(duì)其他主要構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度要求更高。

2）按工作時(shí)遭遇6 級(jí)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(jì)總質(zhì)量約130 t，施工最高梁段高4.65 m，最長(zhǎng)梁段長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)單，對(duì)主梁線形及外觀質(zhì)量控制有利。

4）走行機(jī)構(gòu)反扣輪銷(xiāo)軸采用30CrMnTi貝雷銷(xiāo)，吊帶主銷(xiāo)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(qiáng)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(qiáng)度支配。

5）采用滑行軌道進(jìn)行掛籃走行，安裝簡(jiǎn)單；掛籃移動(dòng)走行操作方便，移動(dòng)走行經(jīng)過(guò)4 m 長(zhǎng)的梁段，完全就位的時(shí)間為2 h，工序轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短約50%。