長平臺牽索掛籃的總體設(shè)計與應(yīng)用

唐志俊，蔣紅偉

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

1 工程簡介

丹陽市北二環(huán)大橋改建搶修工程由主橋、引橋及引道3部分組成。其中主橋長200 m，為獨塔雙索面混凝土斜拉橋；主跨110 m，邊跨90 m，主橋橋面寬度35.8 m，橋塔處主橋?qū)挾?7.1 m。主梁為分離式現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，在拉索位置設(shè)置1道橫隔梁，箱梁中心高度2.7 m，節(jié)段長度均為6.5 m。根據(jù)設(shè)計要求及場地條件，除0號、1號及2號節(jié)段采用支架現(xiàn)澆外，自3號節(jié)段開始，混凝土主梁均采用牽索掛籃平衡雙伸臂懸臂法施工。

由于該工程橋面寬度達(dá)到35.8 m，單節(jié)混凝土質(zhì)量在400 t以上，普通掛籃無法適應(yīng)其懸澆施工，必須采用牽索掛籃進(jìn)行施工。牽索掛籃系利用待施工節(jié)段外側(cè)的兩根斜拉索，上端固定于主塔相應(yīng)設(shè)計位置，下端通過臨時拉桿與掛籃前端連接，形成施工時的臨時拉索。通過上述方法，拉索空間位置與設(shè)計位置相同，由于加設(shè)了臨時接長桿，拉索在施工階段可作為掛籃前端的支撐點（因此，該掛籃也稱為前支點掛籃），使掛籃受力由懸臂狀態(tài)變?yōu)楹喼顟B(tài)，大大降低了掛籃的內(nèi)力和撓度，有利于保持主橋線形。每節(jié)段混凝土澆筑完畢且預(yù)應(yīng)力體系張拉完畢后，通過在掛籃端張拉臨時接長桿，實現(xiàn)拉索拉力由掛籃轉(zhuǎn)移至主梁的體系轉(zhuǎn)換工作。

2 掛籃基本構(gòu)造

本工程主梁混凝土懸澆施工使用的主要設(shè)備是掛籃，根據(jù)工程實際情況，主梁采用長平臺牽索掛籃進(jìn)行施工。長平臺牽索掛籃由承重平臺、臨時拉索系統(tǒng)、止退系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、高程調(diào)節(jié)系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、模板系統(tǒng)等部分組成（見圖1）。

圖1 掛籃結(jié)構(gòu)圖

掛籃的承重系統(tǒng)是掛籃受力的主體，由兩側(cè)主縱梁、前橫梁、后橫梁、次縱梁、普通縱梁、平衡尾梁、模板拱形桁架等組成。

臨時牽索系統(tǒng)由施工中作為臨時拉索使用的永久性斜拉索和其梁下錨具以外的接長桿、錨具等組成，其作用是利用接長桿及附加錨具把拉索與掛籃連接起來，使索力暫時通過掛籃傳遞，構(gòu)成掛籃臨時受力系統(tǒng)。

掛籃止退系統(tǒng)是掛籃施工過程中抵抗臨時拉索水平分力的受力系統(tǒng)，由設(shè)置于掛籃主縱梁上的止退塊和預(yù)埋于已澆梁段的止退裝置組成。

掛籃的錨固系統(tǒng)由拉桿、下錨梁、分配梁和千斤頂?shù)冉M成，分為前錨和后錨兩部分，前、后錨各有4根，分布于兩側(cè)主縱梁上，前錨的主要作用是將主縱梁中部所受的豎向荷載傳給主梁，并用于掛籃的下放和提升；后錨桿位于掛籃尾部，其作用是將掛籃尾部與主梁錨固連接。

掛籃模板系統(tǒng)分邊箱模板、中箱模板和芯模。本工程主梁為分離式箱梁，考慮到掛籃下落高度及行走的方便等，中箱模板采用拱架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可在掛籃自身承重系統(tǒng)中自行升降。

3 掛籃設(shè)計

3.1 掛籃形式選擇

隨著橋梁工程設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，大跨度剛構(gòu)橋、斜拉橋的應(yīng)用日益廣泛，隨之而來的是掛籃的使用也日趨頻繁，掛籃結(jié)構(gòu)形式越來越多，并向?qū)嵱?、方便的方向上不斷發(fā)展。目前工程領(lǐng)域使用的掛籃主要有自承式結(jié)構(gòu)和牽索式結(jié)構(gòu)，前者可分為三角形、菱形等結(jié)構(gòu)；后者可分為長平臺形式和短平臺形式。

自承式普通懸臂掛籃無論是三角形還是菱形均為后支點形式，利用已澆節(jié)段作為錨固點，通過反吊實現(xiàn)后一節(jié)段的施工。這種掛籃為單懸臂受力，因懸臂結(jié)構(gòu)承受負(fù)彎矩較大，所以澆筑節(jié)段長度受限制。而牽索掛籃能充分利用斜拉索的作用變懸臂負(fù)彎矩受力為簡支正彎矩受力，其澆筑長度和承載力能較大提高。

牽索掛籃根據(jù)掛籃平臺長度不同分為長平臺牽索掛籃和短平臺復(fù)合型牽索掛籃。短平臺牽索掛籃由普通掛籃發(fā)展而來，在普通掛籃的基礎(chǔ)上增加了臨時拉索受力，從而形成復(fù)合受力結(jié)構(gòu)。短平臺復(fù)合型牽索掛籃一般由掛籃平臺、三角架和伺服系統(tǒng)三大部分組成。施工過程中掛籃主縱梁前端由臨時拉索支撐，后部則錨固于已完成施工的節(jié)段上，為減小橫梁撓度，增加掛籃橫向剛度，前橫梁中間位置則根據(jù)橋梁寬度通過三角架加設(shè)一定數(shù)量的吊桿。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是由于增加了三角吊架，因此前橫梁斷面可相對減小，撓度控制相對簡單；其缺點是：1）前橫梁受力較為復(fù)雜，因拉索與吊桿同時受力，施工過程中對索力的監(jiān)控較難，且吊桿與臨時拉索彈性模量相差較大，在受力分配、確定計算模式方面非常困難。2）該結(jié)構(gòu)由掛籃平臺和三角架兩套系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，重量較大。3）掛籃平臺較短，其橫向剛度較弱。

長平臺牽索掛籃基本脫離了普通掛籃的模式，其結(jié)構(gòu)由掛籃平臺及伺服系統(tǒng)兩大部分組成，由錨固點和臨時拉索共同固定掛籃平臺。此掛籃結(jié)構(gòu)簡單、受力明確，其荷載傳遞路徑為：待澆節(jié)段混凝土質(zhì)量及施工荷載通過掛籃平臺后部錨固點及拉索豎向分力承擔(dān)，拉索水平分力通過止退裝置由已澆節(jié)段主梁承擔(dān)。長平臺牽索掛籃在主梁下設(shè)置掛籃平臺，且已成梁段下掛籃平臺長度稍長于待澆梁段下的掛籃平臺長度，這樣方便了掛籃的行走并保證了掛籃在順橋向的剛度。但由于長平臺掛籃沒有三角吊架系統(tǒng)，因而橫梁撓度控制較難，特別是對于寬度較大的橋梁，前橫梁由于跨度較大，為減小前橫梁撓度，其截面需相對增大。

丹陽北二環(huán)大橋設(shè)計要求采用的掛籃質(zhì)量不得大于待澆節(jié)段混凝土質(zhì)量的45%，根據(jù)這一要求及長平臺牽索掛籃和短平臺牽索掛籃的特點，結(jié)合該工程主橋箱梁結(jié)構(gòu)形式及平面尺寸情況，本工程掛籃采用長平臺牽索掛籃進(jìn)行施工。

3.2 掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 設(shè)計荷載

根據(jù)牽索掛籃受力分析，牽索掛籃主要承受以下荷載：

1）牽索掛籃自重；

2）待澆節(jié)段混凝土質(zhì)量；

3）施工荷載，包括人群及必要的腳手架質(zhì)量等；

4）模板系統(tǒng)質(zhì)量；

5）其他荷載：包括水管、混凝土泵管、放纜索道質(zhì)量等。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

長平臺牽索掛籃需要利用位于主梁兩側(cè)的永久拉索作為臨時支點，這就決定了其受力主梁為順橋向縱向梁，且需要位于兩側(cè)。其平面布置為兩側(cè)設(shè)置縱梁2根，連接縱梁的橫梁，一般分為前橫梁、中橫梁及平衡尾梁。為提高結(jié)構(gòu)整體性能及方便模板鋪設(shè)，在前橫梁與中橫梁之間根據(jù)主橋箱梁結(jié)構(gòu)需要增加次縱梁。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置，掛籃寬度稍大于主梁寬度，長度按照已成梁段下長度稍大于待澆段下長度以提高掛籃橫向剛度。根據(jù)上述布置原則，本工程掛籃平面尺寸為39.2 m×16.5 m。

本工程牽索掛籃采用鋼結(jié)構(gòu)，掛籃規(guī)模及承載能力均較大，對其主要受力構(gòu)件，如主縱梁、次縱梁、前橫梁、后橫梁、尾部斜撐（平衡尾梁）及吊耳等均采用矩形截面焊接鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

牽索掛籃的設(shè)計必須滿足構(gòu)件強度要求，并須保證其剛度。為保證混凝土主梁澆筑線形符合設(shè)計要求，掛籃構(gòu)件的剛度十分重要，其允許變形值往往比普通鋼梁設(shè)計要求高。普通鋼梁設(shè)計時，根據(jù)規(guī)范要求其撓度值可在1/400～1/700之間即能滿足使用及安全要求，而對于掛籃構(gòu)件，其變形要求在滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的同時必須滿足混凝土主梁線形的要求。如掛籃橫梁設(shè)計時，如取撓度為跨度的1/400，則對于本工程來說其橫梁撓度值將達(dá)到89 mm，即混凝土澆筑完成后，混凝土主梁撓度達(dá)到89 mm，大大超過了混凝土允許變形25 mm的要求。因此要滿足混凝土施工過程中允許的變形值，掛籃橫梁的撓度必須控制在1/1 780左右。以下是掛籃主要受力構(gòu)件主縱梁及橫梁設(shè)計要點。

主縱梁是掛籃的主要受力構(gòu)件之一，其受力狀態(tài)隨掛籃工況的不同而異，掛籃就位未安裝臨時拉索時，主縱梁后部由前、后錨固定，前部則為懸臂結(jié)構(gòu)，承受的荷載為掛籃自重荷載及施工荷載；臨時拉索安裝完畢后，主縱梁為由后錨、前錨及臨時拉索支撐的超靜定梁，其受力為掛籃自重、由橫梁傳遞的待澆節(jié)段混凝土質(zhì)量、施工荷載、臨時拉索傳遞的張拉力及止退塊抵抗拉索張拉力水平分力時對主縱梁產(chǎn)生的附加力矩。設(shè)計時需要分別對掛籃的不同工況進(jìn)行強度和剛度計算。對上述兩種工況分別進(jìn)行計算得知，主縱梁最大彎矩為4 932 kN·m，最大剪力1 239 kN。主縱梁截面采用鋼箱梁，根據(jù)計算結(jié)果，箱梁高度確定為2.0 m，寬度1.5 m。

長平臺牽索掛籃一般包括前、中、后橫梁，其中后橫梁和中橫梁在混凝土澆筑狀態(tài)可通過精軋螺紋鋼固定于已成梁段，而掛籃行走狀態(tài)時僅承受其自重荷載，因此其設(shè)計相對簡單。掛籃的前橫梁則是主要受力構(gòu)件之一，前橫梁可簡化為支撐于縱梁上的簡支梁結(jié)構(gòu)，承受的荷載主要為自重、通過次縱梁傳遞的待澆段主梁質(zhì)量、施工荷載等，由于其跨度大，對混凝土主梁橫向線形影響也大，因此在設(shè)計前橫梁時，在保證其強度的情況下，尤其要注意其剛度，在混凝土澆筑狀態(tài)下前橫梁的變形除滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求外，還應(yīng)控制由于其變形帶來的混凝土主梁變形不得大于混凝土結(jié)構(gòu)變形的要求。

本工程前橫梁計算受力為：彎矩2 353 kN·m，最大剪力1 525 kN。為減小橫梁截面，減輕掛籃質(zhì)量，前橫梁采用了組合結(jié)構(gòu)，上部為鋼箱梁結(jié)構(gòu)，底部則增加了鋼管式加強桁架。鋼箱梁斷面尺寸1.8 m×1.2 m，加強桁架由φ820 mm×10 mm鋼管焊接，高度2.0 m。在此情況下，前橫梁施工期計算撓度為46 mm，為滿足橫梁撓度不超過25 mm的要求，掛籃設(shè)計時，在前橫梁設(shè)置了30 mm預(yù)拱。掛籃的預(yù)壓試驗及實際施工中測得的橫梁平均撓度為35 mm，達(dá)到了預(yù)期效果。

作為超重施工設(shè)備，掛籃在施工階段其自重主要由已成梁段及臨時拉索承擔(dān)，在掛籃設(shè)計過程中還需充分考慮掛籃與已成梁段間的連接方式及局部強度，防止掛籃施工過程對主梁的損傷。掛籃與已成梁段之間的連接主要通過錨固螺桿、吊耳及行走滾輪（反頂支撐）完成，分兩種工況，一是掛籃在下落及提升狀態(tài)，二是掛籃行走狀態(tài)。

掛籃在下落及提升狀態(tài)，掛籃自重通過設(shè)置于掛籃主縱梁中部的吊桿等錨固件作用于混凝土主梁上。錨固件由吊桿、扁擔(dān)梁、千斤頂、墊板等組成。因掛籃為偏心結(jié)構(gòu)，在此階段掛籃主縱梁尾部還需要通過反頂來保持掛籃下落及提升過程中的平衡。由于掛籃質(zhì)量大，因此提升及下落過程中需要對受力支點部位局部混凝土強度進(jìn)行驗算，如支點作用于腹板位置，尚需對腹板整體強度進(jìn)行驗算。掛籃在行走狀態(tài)主要通過吊耳與行走滾輪與主梁固定，需要驗算吊耳作用位置的混凝土強度。

4 掛籃懸澆施工工藝

長平臺牽索掛籃施工包括掛籃設(shè)計、加工、運輸、現(xiàn)場拼裝、安裝及使用等階段。下面介紹長平臺牽索掛籃的施工工藝及施工要點。

當(dāng)掛籃試驗完成后，掛籃即投入初次使用，施工工序包括：

1）掛籃就位，調(diào)整模板高程及平面位置；

2）安裝拉索系統(tǒng)，包括臨時拉索；

3）按照設(shè)計（監(jiān)控）指令第一次張拉斜拉索；

4）鋼筋綁扎、預(yù)應(yīng)力管道安裝、混凝土第一次澆筑至總方量的50%；

5）按照監(jiān)控指令第二次張拉斜拉索；

6）第二次澆筑混凝土至完成；

7）等待混凝土強度；

8）張拉精軋螺紋鋼、預(yù)應(yīng)力鋼絞線；

9）按照監(jiān)控指令第三次張拉斜拉索；

10）在掛籃端張拉臨時拉索，完成體系轉(zhuǎn)換；

11）拆除模板、掛籃下落、掛籃移動至下一節(jié)段、掛籃就位進(jìn)入下一節(jié)段循環(huán)施工。

在上述施工步驟中，應(yīng)注意的是掛籃就位及模板調(diào)整應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際試驗結(jié)果，進(jìn)行高程設(shè)置，該高程與設(shè)計圖紙給出的高程往往不一致；每次拉索的拉力應(yīng)根據(jù)監(jiān)控指令執(zhí)行，因為施工過程中由于線形、內(nèi)力等與原設(shè)計圖紙會有不同，因此每次張拉的拉力應(yīng)該是根據(jù)前面已施工節(jié)段的情況計算所得。

5 結(jié)語

丹陽市北二環(huán)大橋改建搶修工程利用長平臺牽索掛籃進(jìn)行主梁施工，目前邊跨已順利實現(xiàn)合龍，主跨部分即將實施合龍。節(jié)段施工周期從15 d縮短到預(yù)期的10 d，監(jiān)控結(jié)果顯示，主梁線形及應(yīng)力均滿足設(shè)計要求。

在本工程掛籃實際使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些有待改進(jìn)的地方，比如掛籃后部的行走機構(gòu)，雖然采用了滾輪的形式，但實際使用時，滾輪其實是滑行，沒有達(dá)到滾動的目的，對混凝土的外觀造成了一定的影響，可改為在滾輪與混凝土表面間加墊四氟板的方式進(jìn)行改進(jìn)。

[1]余善榮，李永軍.超寬牽索式預(yù)應(yīng)力掛籃設(shè)計與施工[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009（17）.

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