GL 改進型三角形掛籃結構設計探析

周 敏

( 中鐵十六局集團 第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

三角形掛籃是懸臂法施工的主要設備，采用掛籃懸臂施工，可以避免使用大量的支架和大型的垂直及水平運送機具。施工中受航道、公路交通和特殊地理位置等因素影響小，通?？梢猿浞掷糜邢薜目臻g跨河、跨路，而且稍作改裝可多次重復使用。結合嘉紹跨江公路通道南岸接線二標中心河大橋主橋變截面連續(xù)箱梁施工實例，根據(jù)工程特點和連續(xù)箱梁變截面結構要求，著重分析了結構受力情況，優(yōu)化三角掛籃設計，提出了GL 改進型三角掛籃設計理論依據(jù)，既保證了懸臂施工質量和進度，同時也為同類工程提供了技術支持。

1 概述

嘉紹跨江公路通道南岸接線二標中心河大橋主橋采用42 m+72 m+42 m 單箱雙室變截面預應力連續(xù)箱梁，跨中梁中心高2．0 m，支點梁中心高4．3 m，梁高采用二次拋物線規(guī)律變化，箱梁采用三向預應力體系，分為縱向預應力束、橫向預應力束和豎向力筋。單幅箱梁寬20．25 m，其中懸臂長3．5 m，箱梁底寬13．25 m;箱梁跨中截面腹板厚0．50 m，根部截面箱梁腹板厚0．70 m，在第5(5’) 號節(jié)段線性過渡;箱梁跨中截面底板厚0．28 m，根部截面箱梁底板厚0．85 m，底板采用二次拋物線規(guī)律變化;箱梁跨中截面至根部截面頂板厚均為0．28 m。橋面橫坡繞箱梁中心線形成，箱梁頂板設置成2%單向橫坡。截面見圖1 所示。

圖1 箱梁根部至跨中截面示意圖(單位:cm)

除了變截面箱梁0 號節(jié)段( 長9 m) 及邊跨10(10＇) 號節(jié)段采用支架現(xiàn)澆法施工和中、邊跨9(9＇) 合龍段( 長2 m) 采用在吊架上現(xiàn)澆法施工外，1(1＇) ～8(8＇) 號節(jié)段均采用掛籃懸臂澆注施工，其中1(1＇) ～3(3＇) 號節(jié)段長均為3．5 m，4(4＇) ～8(8＇) 號節(jié)段長均為4．0 m。

箱梁采用C55 鋼筋混凝土，0 號梁段砼體積287．969 m3，質量748 700 kg( 鋼筋砼密度按2 600 kg/m3考慮) ;1 ～8 號懸澆節(jié)段中，最重的為1 號節(jié)段，砼體積76．679 m3，質量199 400 kg，其中翼板質量28 600 kg( 每側翼板質量14 300 kg) ，箱體質量170 800 kg;4．0 m 長的懸澆節(jié)段中，最重的為4 號節(jié)段，砼體積73．889 m3，質量192 100 kg。

根據(jù)嘉紹公路中心河大橋主橋的特點，設置改進型三角形掛籃，以適應本橋單幅四車道單箱雙室變截面預應力連續(xù)箱梁懸臂施工的需要。具體作如下設計:

(1) 將底板分布梁由原來的單層22#槽鋼改為雙層22#槽鋼，充分利用舊分布梁。翼緣板3．5 m，由原來的單滑梁改為雙滑梁，增加其穩(wěn)定性。

(2) 前上橫梁原本是采用40#槽鋼，間隔1 m，用10 mm 鋼板斷續(xù)連接，現(xiàn)在改為40#槽鋼，用10 mm 鋼板上下全部連接。

(3) 三角架主梁采用28#槽鋼，斷續(xù)連接，改為全部連接。

(4) 由于中心河大橋為雙箱單室，橋面寬20．25 m，大梁由原來的12 m，加長到18 m，吊點由原來的2個改為4 個。三角架由原來的單邊2 個改為3 個。

掛籃的主承重架采用三角形桁架，桁架用熱軋型鋼組拼而成。掛籃底模架主要受力構件也采用剛度大的熱軋型鋼。掛籃各種桿件聯(lián)接點采用焊接及栓接( 以栓接為主) ，裝拆方便。外模采用組合鋼模，用角鋼或槽鋼焊接的外模架支撐。內模采用組合鋼模，用槽鋼焊接的內模架及鋼管支撐。

該掛籃由斜拉組合梁、吊架系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、后部臨時錨固系統(tǒng)、模板系統(tǒng)及張拉平臺等組成，見圖2 所示。

圖2 GL 改進型三角形掛籃立面示意圖(單位:m)

2 三角形掛籃檢算

對掛籃主要構件按《公路橋涵施工技術規(guī)范》的要求，需進行強度、剛度和穩(wěn)定性的檢算。三角形掛籃承重主構架由三片三角形主桁架梁組成，相鄰之間靠橫向桁架聯(lián)結系聯(lián)結。經(jīng)查施工設計圖，最大懸灌重量梁段為1#塊，質量199 400 kg，掛籃試壓為1．3 倍的最大懸灌節(jié)段重量，再加上試壓時端模重量以及二分之一的底模、側模重量等，則取1．4 倍的系數(shù)，即G =1．4 ×199 400 ≈279 000 kg。掛籃試壓狀態(tài)時受力最大，為最不利因素，為此將這一狀態(tài)作為檢算的依據(jù)。

2．1 掛籃檢算簡化計算模式

為簡化計算及偏于安全方面考慮，側模吊桿分擔翼板試壓荷載的作用，合力擬定為離翼板跟部三分之一處( 即離翼板跟部350 cm/3 =117 cm) ，且前后吊桿受力相同。每側翼板試壓荷載重力為200．2 kN，其中后吊桿傳遞至已澆灌的梁段上，不對主桁架發(fā)生作用;前吊桿通過前上橫梁將力傳遞至主構架上的D點位置。每側翼板試壓荷載作用在前上橫梁的合力為: F4= 100．1 kN，相應得箱體試壓荷載為239．0 t。

同時擬定箱體試壓荷載均布在底模EF 范圍內( 由于懸灌梁節(jié)段最長為4．0 m，故預壓長度也按4．0 m 考慮) ，則箱體縱向均布荷載為597．5 kN/m。其中后端作用力相繼通過縱梁、后橫梁、后吊帶及后輔助吊桿傳遞至已澆灌的梁段上，不對主桁架發(fā)生作用;前端經(jīng)縱梁、前下橫梁、前吊帶及前輔助吊桿、前上橫梁將力傳遞至主構架上的D 點位置。三角形掛籃主構架簡化結構圖式為一個桿件僅受軸向力作用的標準三角桁架。對底模系統(tǒng)進行受力分析: FD= 1 195 kN，F(xiàn)G= 1 195 kN，掛籃箱體( 不含翼板) 簡化計算模型見圖3 所示。

圖3 掛籃箱體(不含翼板)檢算簡化計算模式(單位:m)

2．2 前吊帶、前輔助吊桿及其作用在單片主桁架上D 點位置的受力計算

前吊帶、前輔助吊桿共計受力為1 195．0 kN。為簡化計算，前吊帶、前輔助吊桿可按橫向箱梁底寬13．25 m 均布荷載考慮。則橫向均布荷載: q = 90．2 kN/m。

利用掛籃的對稱性，經(jīng)計算得出前吊帶作用力F1= 333．7 kN，F(xiàn)2= 242．7 kN，前輔助吊桿的作用力F3= 21．1 kN。相應得出作用在單片主桁架上D 點位置的作用力F4= 100．1 kN。見圖4 所示。

圖4 GL 改進型三角形掛籃懸吊系統(tǒng)受力分析圖(單位:cm)

2．3 后吊帶、后輔助吊桿的受力計算

由前面可知，后吊帶、后輔助吊桿共計受力為FG= 1 195．0 kN。為簡化計算，后吊帶、后輔助吊桿可按橫向箱梁底寬13．25 m 均布荷載考慮。則橫向均布荷載: q = FG/B = 90．2 kN/m。

利用掛籃的對稱性，經(jīng)計算得出后吊帶作用力F1= 398．8 kN、F2= 254．0 kN，后輔助吊桿的作用力F3= 44．8 kN，見圖5 所示。

2．4 主桁架桿件內力計算

主桁架桿件Bz-Az 桿拉應力為989．9 kN，Bz-Dz 桿拉應力為960．6 kN，Bz-Cz 桿件壓應力為1 043．3 kN，Az-Cz 和Dz-Cz 桿壓應力均為823．7 kN。桿件內力計算結果見圖6 所示。

2．5 掛籃結構檢算分析

圖5 GL 改進型三角形掛籃后吊帶、后輔助吊桿受力分析圖(單位:cm)

掛籃主梁、前吊帶及其銷軸、前輔助吊桿、前下橫梁、前上橫梁、后吊帶及其銷軸、后輔助吊桿、后橫梁、縱梁、底模加固槽鋼、滑梁及側模吊桿等均采用Q235 組合型鋼，《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》( JTJ025—86) 規(guī)定Q235 鋼的彎曲容許應力為145 MPa。根據(jù)前述結構內力和受力計算結果，然后利用強度、剛度及穩(wěn)定性等計算公式進行結構檢算，掛籃結構檢算結果如下: 前吊桿: Fmax= 83．4 MPa ＜140 MPa。銷軸:τmax=113．3 MPa ＜125 MPa;σmax= 166．9 MPa ＜210 MPa。前輔助吊桿:F = 21．1 kN ＜473．7 kN。前下橫梁:τmax= 23．9 MPa ＜85 MPa;σmax= 117．4 MPa ＜145 MPa;Fmax= 0．005 6 m ＜0．011 m。前上橫梁:τmax=26．8 MPa ＜85 MPa;σmax= 106．9 MPa ＜145 MPa;Fmax=0．005 7 m ＜0．015 9 m。后吊桿及銷軸:F =298．9 kN ＜473．7 kN。后輔助吊桿:F = 44．8 kN ＜473．7 kN。后橫梁:τmax＜21．9 MPa ＜85 MPa;σmax＜97．9 MPa ＜145 MPa;Fmax＜0．004 m ＜0．010 m?？v梁:τmax＜9．5 MPa ＜85 MPa;σmax＜109 MPa ＜145 MPa; Fmax＜0．002 4 m ＜0．012 5 m。底模加固槽鋼:σmax＜19．4 MPa ＜145 MPa;Fmax＜0．024 m ＜0．525 m。滑梁:τmax＜73．8 MPa ＜145 MPa;σmax＜9．1 MPa ＜85 MPa;Fmax＜0．002 3 m ＜0．012 5 m 側模吊桿:F = 100．1 kN ＜947．1 kN。計算值均小于容許值，符合各項規(guī)范要求。

圖6 主桁架桿件內力計算圖

對于主桁架及后錨梁結構檢算分析如下:

(1) 主桁架受力最大，作為受力檢算的依據(jù)。主桁架桿件只要檢算BzCz 桿件的強度和CzDz 桿件的剛度即可，其中BzCz 壓桿的強度114．3 MPa ＜140 MPa，強度滿足要求; CzDz 壓桿的剛度長細比λx=47．2 ＜［λ］=100，λy=35．2 ＜［λ］=100，剛度滿足要求;BzCz 壓桿的穩(wěn)定性σ壓=114．3 MPa ＜131．6 MPa，滿足穩(wěn)定性要求。

(2) 每組后錨梁由2［16a 槽鋼背對背組成，共三組。材料采用普通的A3 鋼，每組后錨梁的最大剪力為: τmax= 41．6 MPa ＜［τ］= 85 MPa，剪應力滿足要求?？箖A安全系數(shù):K = 85/41．6 = 2．04 ＞［K］= 2，滿足要求。從而得出，抗傾安全系數(shù)由后錨梁控制，即K = 2．04。

2．6 掛籃最大變形量計算

掛籃最大變形量發(fā)生在左右箱室中部處，主要由中主桁架梁撓度、前上橫梁撓度、前內吊帶彈性變形量、前下橫梁撓度以及底?？v梁撓度等組成。

經(jīng)計算得出掛籃試壓狀態(tài)時，前端最大總變形值為:0．022 7 m。由于后吊帶很短，伸長量很小，可忽略不計，故掛籃后端變形只考慮后橫梁，后橫梁最大撓度為0．004 m，即掛籃后端最大總變形量為0．004 m;由于掛籃前端最大總變形值 - 掛籃后端最大總變形值= 0．022 7 m - 0．004 m = 0．018 7 m ＞2 倍的底?？v梁最大撓度=2 ×0．002 4 m =0．004 8 m，故掛籃總最大變形量也即前端最大總變形量，為0．022 7 m。

相應得出:掛籃懸澆梁段時的最大變形量為0．022 7 m/1．3 =0．017 m=17 mm，此值小于《公路橋涵施工技術規(guī)范》規(guī)定的掛籃允許最大變形( 包括吊帶變形的總和)20 mm 的要求。

3 三角形掛籃主要技術參數(shù)及注意事項

3．1 主要技術參數(shù)

經(jīng)過理論計算和掛籃施工過程經(jīng)驗獲取，提出了適用該三角形掛籃主要技術參數(shù): ①適用梁段最大質量:200 t( 試壓荷載280 t) ;②適用梁段最大長度:4．5 m;③適用梁高變化范圍:5．5 ～2．0 m;④適用梁體寬度范圍:13．0 ～20．5 m;⑤掛籃自重:75 t 左右;⑥工作狀態(tài)時抗傾安全系數(shù): K = 2．04; ⑦掛籃最大變形量:試壓狀態(tài)時，最大變形量為0．023 m;懸澆梁段時，最大變形量為0．017 m。

3．2 注意事項

改進型三角掛籃各項理論計算數(shù)據(jù)均滿足要求，按照制作工藝和施工要求，提出如下注意事項:

(1) 走行方式。掛籃滑行時，采用正、反兩方向的慢速卷揚機拖拉力( 或倒鏈滑車，或使用千斤頂頂推) ，并通過后支點的反扣系統(tǒng)使桁架沿縱移鋼滑道( 鋼滑道利用箱梁上的精軋螺紋鋼筋錨固) 行走，不需要設平衡重。

(2) 施工中注意前上橫梁的上、下面各通長焊接截面規(guī)格為400 mm×10 mm 的A3 鋼板。

(3) 底?？v梁采用4［22 組合槽鋼，設13 根( 平均布置間距為1．1 m) 。

(4) 現(xiàn)有的前上橫梁、前下橫梁及后橫梁的長度均存在不足，需接長，但要保證接長時其拼接或焊接質量。

(5) 為確保掛籃的結構安全( 也即減少掛籃補強費用) ，前、后吊帶需按照計算要求的尺寸進行布置。

(6) 由于本橋箱梁翼板的懸臂長度較長(3．5 m) ，為確保翼板模板( 側模) 的穩(wěn)定，而選用雙滑梁。

4 結論

變截面連續(xù)箱梁改進型三角掛籃設計在嘉紹跨江公路通道南岸接線二標中心河大橋主橋的應用得到了圓滿成功，其結構受力明確，自重輕，剛度較大，滑行移動方便，受力狀態(tài)良好等諸多優(yōu)越性得到了認可，給了三角掛籃設計充分的理論依據(jù)，并為同類工程提供了一定的參考價值。但各種類型的掛籃有其自身特點，要根據(jù)工程本身特征和技術經(jīng)濟比選，作出合理選擇。

［1］何兆益，周水，鄒毅松．路橋施工計算手冊［M］．北京:人民交通出版社，2001:172-178．

［2］交通部公路規(guī)劃設計院．JTJ025—86 公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2008．

［3］中華人民共和國建設部．GB50017—2003 鋼結構設計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006．

［4］中交第一公路工程局有限公司．JTG/TF50—2011 公路橋涵施工技術規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2011．