三角輕型掛籃在斜拉橋懸臂施工中的應(yīng)用

劉華

（中交二航局第一工程有限公司，湖北 武漢 430012）

1 工程概述

浙江省舟山嵊泗三礁港大橋，位于浙江省舟山群島最東面，連接嵊山島和枸杞島，全橋長781m，由主橋和引橋組成。其中主橋長685m，橋面寬12m，采用跨徑為（120m+210m+210m+115m+30m）的三塔四跨部分預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，全橋共有3×12對斜拉索，斜拉索采用φs15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，本橋距最近的大陸上海蘆潮港約100 km，三礁港大橋立面圖見圖1。

圖1 三礁港大橋整體立面圖

主橋主梁為單箱單室截面，箱室為斜腹板斷面，箱室底板寬6.4～8.1m，腹板斜度為1∶2.941 2（箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖2）；箱梁根部高6m，跨中梁高3.5m，梁高按1.6次拋物線變化，箱梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，主梁從7號段開始設(shè)斜拉索。主梁最大分段長度5m，主梁梁段最大重量256.1 t。

圖2 箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

主梁設(shè)計(jì)為掛籃懸臂澆筑工藝，為保證施工工期，全橋共投入3對掛籃同時(shí)施工。

2 三角輕型掛籃的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

該橋位于外海，常年有7～9級大風(fēng)，每年7—9月為臺風(fēng)期，必須保證掛籃在7～9級風(fēng)的情況下能夠安全前移。根據(jù)國內(nèi)掛籃的主要構(gòu)造形式及三礁港大橋主梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在既節(jié)約成本又滿足施工的條件下，本橋主梁懸澆采用三角輕型掛籃，其主要特點(diǎn)是：簡潔、輕巧，其各部件的受力明確，施工簡便可靠。本橋掛籃結(jié)構(gòu)主要由主桁承重系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、底籃、模板系統(tǒng)、平臺系統(tǒng)五部分組成。掛籃總成見圖3。

圖3 掛籃結(jié)構(gòu)圖

1）主桁承重系統(tǒng)：由主梁、格構(gòu)式主柱、斜拉帶組成三角架，兩榀三角架由橫聯(lián)、前上橫梁、中橫梁以及主梁橫聯(lián)桿連結(jié)形成組合結(jié)構(gòu)。

此掛籃的主桁承重系統(tǒng)與其他類型掛籃的主承重系統(tǒng)相比，受力性能好，結(jié)構(gòu)輕巧、簡潔，降低了掛籃主承重系統(tǒng)的重量。

2）懸吊系統(tǒng)：包括側(cè)模前懸吊、內(nèi)外側(cè)前懸吊和外側(cè)后懸吊，主要由鋼吊桿、調(diào)整梁和千斤頂組成。

3）行走系統(tǒng)：主要由手拉葫蘆、行走小車、滑軌等組成。

掛籃主桁架前支點(diǎn)下方設(shè)置滑船，由手拉葫蘆牽引掛籃通過滑船在雙槽鋼滑軌上前移。雙槽鋼滑軌設(shè)計(jì)成兩段，分前移滑軌與行走滑軌。這樣更加便于裝拆，移動方便迅速。行走滑軌與前移滑軌通過壓在其上面的錨梁與箱梁預(yù)埋筋連接而錨固，這樣取消了掛籃尾部的配重，有效地減輕了掛籃自重，掛籃行走亦變得平穩(wěn)可靠。

4）錨固系統(tǒng)：主要包括主桁架的錨固與模板系統(tǒng)的錨固。在澆筑箱梁混凝土?xí)r，掛籃單榀三角架尾部采用4根標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為930MPa的φ32精軋螺紋鋼錨固。后錨采用預(yù)埋φ32精軋螺紋鋼通過連接器接長錨固。底籃后托梁共設(shè)置8個(gè)錨固點(diǎn)，均采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為930MPa的φ32精軋螺紋鋼錨固于已澆梁段前端。

5）掛籃模板系統(tǒng)：包括底籃、外模、內(nèi)模、端模等。模板設(shè)計(jì)均按全斷面一次性澆筑箱梁混凝土考慮，整個(gè)模板系統(tǒng)均隨主桁行走一次到位。整個(gè)系統(tǒng)操作簡便，有效地縮短了模板移動和安裝周期，保證了混凝土的外觀質(zhì)量。

3 掛籃設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

懸澆箱梁梁段最大重量256.1 t；懸澆箱梁梁段最大分段長度5.0m；懸澆箱梁梁段高度變化5.807～3.5m；掛籃自重74 t；掛籃經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)75/256.1=0.29；掛籃最大撓度＜20mm；工作縱坡3.0%。

3.2 掛籃設(shè)計(jì)荷載參數(shù)

梁段混凝土重量2.6 t/m3；施工機(jī)具及人群荷載2.5 kPa；懸澆箱梁梁段設(shè)計(jì)最大重量256.1 t；考慮澆筑混凝土?xí)r動力因素和掛籃施工安全方面的重要性，控制設(shè)計(jì)最大荷載307.3 t，掛籃抗12級臺風(fēng)。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

三角掛籃為一個(gè)空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，主桁架可以簡化為平面靜定結(jié)構(gòu)，是一個(gè)平面三角桿系結(jié)構(gòu)。

所有計(jì)算均根據(jù)不同的計(jì)算圖式與荷載組合，求得各構(gòu)件的最大應(yīng)力，在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，經(jīng)多次調(diào)整結(jié)構(gòu)幾何尺寸，以達(dá)到在滿足規(guī)范要求的前提下，使結(jié)構(gòu)材料最省，重量最輕。

4 掛籃主要構(gòu)件計(jì)算

經(jīng)荷載分析，對本掛籃承重架中承重主桁、前后橫梁及掛籃的整體抗傾覆，計(jì)算在最不利工況時(shí)的受力情況，采用結(jié)構(gòu)分析程序電算。

1）承重主桁計(jì)算。工況III為承重主桁最不利工況，掛籃定位并錨固好，混凝土質(zhì)量256.1 t，澆筑但未凝固，風(fēng)垂直向下F=729.4 kN（風(fēng)速17.2m/s），計(jì)算模型如圖4。

圖4 承重主桁計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果見圖5。最大應(yīng)力為62.2MPa，滿足規(guī)范要求。承重主桁前吊點(diǎn)處撓度值為14.3mm。

圖5 承重主桁計(jì)算結(jié)果

2）前上橫梁計(jì)算（箱型梁）。工況III為前上橫梁最不利工況，計(jì)算荷載為底籃工作狀態(tài)前托梁上的吊桿反力。

計(jì)算結(jié)果：最大應(yīng)力98.3MPa；最大應(yīng)變10.7mm；支反力729.4 kN。

3）中橫梁計(jì)算。工況I為中橫梁最不利工況，掛籃受水平力牽引前移，風(fēng)垂直向下（風(fēng)速17.2m/s），桿件采用箱型梁截面。計(jì)算荷載為底籃行走狀態(tài)上的吊桿反力。

計(jì)算結(jié)果：最大應(yīng)力89.3MPa；最大應(yīng)變8.5mm。

5 掛籃整體抗傾覆計(jì)算

1）工況II，掛籃行走至新澆梁段最外沿處（迎風(fēng)面積最大），風(fēng)垂直向上吹（風(fēng)速28.5m/s），計(jì)算掛籃行走狀態(tài)穩(wěn)定性。

總傾覆力矩M傾=477 kN·m；抗傾覆力矩M抗傾=1 375 kN·m；抗傾安全系數(shù)k=M抗傾/M傾=3.09。

2）工況IV，掛籃行走至新澆梁段最外沿處（迎風(fēng)面積最大），風(fēng)垂直向下吹（風(fēng)速28.5m/s），計(jì)算掛籃行走狀態(tài)穩(wěn)定性。

總傾覆力矩M傾=1 852 kN·m；抗傾覆力矩M抗傾=7 210 kN·m；抗傾安全系數(shù)k=M抗傾/M傾=3.89。

3）工況V，掛籃行走至新澆梁段最外沿，風(fēng)橫向吹（風(fēng)速28.5m/s），計(jì)算掛籃行走狀態(tài)穩(wěn)定性。

總傾覆力矩M傾＝356.4 kN·m；總抗傾覆力矩M抗傾＝1 630.6 kN·m；抗傾覆安全系數(shù)k=M抗傾/M傾=1 630.6/356.4=4.58。

6 掛籃的安裝與預(yù)壓

6.1 掛籃的安裝

待主墩0號塊澆筑完成，預(yù)應(yīng)力施工完畢后，即可進(jìn)行掛籃的安裝。掛籃安裝采用主墩承臺上的塔吊（型號125 t·m）協(xié)助安裝，安裝時(shí)要求兩側(cè)掛籃對稱安裝。

掛籃安裝工藝流程如下：

行走軌道鋪設(shè)調(diào)平錨固→主梁安裝、錨固→拼裝三角架→安裝三角架與中間聯(lián)系梁→前、中、后上橫梁安裝→安裝前后吊桿→安裝底籃前后托梁→安裝底籃及底模板→安裝側(cè)模系統(tǒng)→安裝內(nèi)模系統(tǒng)→安裝操作平臺→掛籃安裝完成。

6.2 掛籃的預(yù)壓

掛籃的預(yù)壓是對掛籃設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的一種檢驗(yàn)，測量掛籃的彈性變形并消除掛籃的非彈性變形，為掛籃模板提供可靠的立模標(biāo)高。

由于掛籃懸臂澆筑時(shí)，荷載全部作用在掛籃底籃上，而底籃后托梁上的荷載直接由錨桿傳遞給箱梁，對掛籃主桁的變形及掛籃的傾覆基本上沒有影響，所以此掛籃的預(yù)壓荷載按作用在底籃前托梁上荷載的1.1倍進(jìn)行預(yù)壓。

壓載：靜載預(yù)壓分三級進(jìn)行加載，分別為33%、66%、100%，前兩級加載持荷3 h，然后觀測主桁與下托梁的變形量，最后一級加載完成后，要求持荷12 h，然后測量主桁與下托梁的變形量。

卸載：第三級荷載測量完成后，即可以卸載，卸載分為三級，每級卸載后，觀測變形量。

數(shù)據(jù)處理：根據(jù)測量的數(shù)值繪制變形與荷載曲線，分析非彈性變形的最大值和彈性變形的最大值。經(jīng)分析掛籃非彈性變形最大值為8mm，單個(gè)構(gòu)件彈性變形最大值為14mm，與掛籃結(jié)構(gòu)計(jì)算的理論變形量相符，說明掛籃的設(shè)計(jì)、加工與安裝達(dá)到了預(yù)期目的。

7 掛籃懸臂施工

掛籃預(yù)壓完成后，根據(jù)預(yù)壓所測數(shù)據(jù)由橋梁監(jiān)控單位來計(jì)算掛籃底模的立模標(biāo)高，固定掛籃，復(fù)測各部分的尺寸，進(jìn)行下一節(jié)段施工。

每節(jié)段施工步驟：調(diào)整底籃標(biāo)高、側(cè)模調(diào)整→綁扎底籃板、腹板鋼筋→安裝底板及腹板預(yù)應(yīng)力管道→安裝內(nèi)頂?！惭b頂板鋼筋→安裝頂板預(yù)應(yīng)力管道及預(yù)埋管道→混凝土澆筑→養(yǎng)護(hù)→鋼絞線穿束→張拉→壓漿→落模掛籃前移→下一節(jié)段施工。

箱梁混凝土采用一次澆筑，并在底板混凝土初凝前全部澆筑完畢，以避免裂紋的產(chǎn)生?；炷翝仓r(shí)兩側(cè)掛籃要求對稱澆筑，兩側(cè)混凝土方量最大允許偏差5m3。

由于主梁從7號節(jié)段開始有斜拉索，設(shè)計(jì)要求在混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后，即安裝斜拉索并要求張拉一部分預(yù)應(yīng)力，然后移動掛籃到下一節(jié)段進(jìn)行施工。施工時(shí)要注意斜拉索與掛籃之間的關(guān)系，安裝斜拉索時(shí)不能與掛籃相沖突，可以適當(dāng)移動掛籃位置。

兩側(cè)掛籃為相對獨(dú)立并對稱平衡的工作系統(tǒng)，掛籃移動時(shí)要求兩側(cè)對稱移動，具體步驟為：

1）拆除側(cè)模對拉螺桿，放松外側(cè)模前后吊桿，放松外側(cè)模底部支撐桿，確保側(cè)模板前后牛腿已支承于底籃托梁之上，拆除外模后吊桿與后錨。

2）放松底籃5根后錨，放松并下降底籃前吊桿，拆除底籃后錨。

3）在兩榀主桁架前支點(diǎn)各置2臺32 t千斤頂，并將前支點(diǎn)頂起5～10 cm左右，擰緊支撐桿螺母，使掛籃穩(wěn)定。

4）將滑軌前移至已澆節(jié)段混凝土前端，并將滑軌錨固于已澆節(jié)段上。

5）下降主桁架，使其與滑軌接觸。

6）安裝并檢查行走小車、反壓滾輪及內(nèi)模行走滾輪使其分別與滑軌及滑梁可靠接觸，安裝兩個(gè)手拉葫蘆，操作手拉葫蘆牽引掛籃前移就位。

7）掛籃拆除：主梁合攏完成，鋼絞線張拉完成后，掛籃即可拆除。主桁架采用吊車拆除，底籃采用2臺10 t卷揚(yáng)機(jī)配合滑輪整體下放，掛籃正下方停一艘800 t運(yùn)輸船，底模板整體下放到船上，掛籃三角桁架和前后橫梁由25 t汽車吊在橋面上直接拆除。

8 三角掛籃優(yōu)缺點(diǎn)

三角掛籃比其它的菱形、桁架式、斜拉自錨式掛籃有以下優(yōu)點(diǎn)：整體簡潔，各部件的受力明確，安裝簡便，自重輕，自身移動速度快，掛籃重心低行走穩(wěn)定，安全系數(shù)高，掛籃通用性強(qiáng)，稍做改裝即可用于其它幅寬和梁高的橋上。

缺點(diǎn)：主桁架加工精度要求高，由于本掛籃按抗12級臺風(fēng)設(shè)計(jì)，部分桿件比較笨重，在起重能力有限的條件下，人工操作不方便。

9 結(jié)語

三礁港大橋上部結(jié)構(gòu)施工受海上大風(fēng)、遠(yuǎn)離大陸、自然條件差等因素影響，表現(xiàn)出與內(nèi)地同類型橋梁施工不同的特點(diǎn)。

掛籃選型與設(shè)計(jì)要求抗風(fēng)能力強(qiáng)，三角掛籃迎風(fēng)面積小，在外海常年伴有7～9級大風(fēng)的海域，安全穩(wěn)定性比較好，掛籃空載可以安全前移。

受風(fēng)浪影響，懸臂前端擺幅大，9級風(fēng)時(shí)，箱梁軸線及標(biāo)高顫動3～5 cm，無法進(jìn)行精確測量，采取措施為在零號塊左右用8根直徑1m的鋼管混凝土進(jìn)行剛性支撐，以減小懸臂擺幅?；炷翝仓仨氃?級風(fēng)以下施工。

三角輕型掛籃在三礁港大橋懸臂澆筑施工中的成功應(yīng)用表明，它不僅可以在連續(xù)剛構(gòu)混凝土橋中使用，同樣也可在斜拉混凝土箱梁橋施工中應(yīng)用，在使用中合理設(shè)計(jì)掛籃，既可減輕掛籃自重，又可以在循環(huán)作業(yè)中加快施工進(jìn)度，保證混凝土箱梁澆筑質(zhì)量。

[1] JTJ041—2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 張繼堯，王昌將.懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 吳信彪.三角形掛籃在懸澆梁上的應(yīng)用[J].福建建設(shè)科技，2005（6）：40-42.

[4] 李金勝.三角輕型掛籃施工技術(shù)在懸澆梁橋中的應(yīng)用[J].科技資訊，2008（03）：71.