三角掛籃模擬堆載預(yù)壓實驗研究

李正權(quán) ，陳建超 ，朱洪濤

（1.徐州公路工程總公司，江蘇徐州 221001；2.龍口市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，山東龍口 265701）

0 引言

掛籃，作為預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑施工過程中采用的主要施工設(shè)備，有平行桁架式、三角、弓形、菱形等多種形式[1-2]。其中，三角掛籃以其受力明確、構(gòu)造簡單、輕便等特點成為一種目前較為常用的掛籃形式。另一方面，掛籃在正式用于工程施工時，需先開展預(yù)壓實驗[3～6]。預(yù)壓實驗的主要作用包括三個方面：（1）驗證掛籃的承載能力，尋找薄弱環(huán)節(jié)以便加固；（2）消除掛籃結(jié)構(gòu)的非彈性變形；（3）獲得預(yù)壓加載過程中掛籃的應(yīng)變響應(yīng)過程，為連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度設(shè)置提供參考[7]。借助砂袋或水袋直接堆載是比較常規(guī)的方法，但在工程實踐中，由于需要準備較多的輔助物品并需大型起吊設(shè)備，在費用、時間上浪費較多，場地占用時間較長。因此，變更荷載施加途徑成為了一個比較熱門的工程實踐研究課題。針對三角掛籃的預(yù)壓實驗，已有的研究從預(yù)壓實驗荷載選擇及施加、掛籃在墩頂?shù)钠囱b、掛籃預(yù)壓試驗資料分析等多方面開展了研究，其中針對掛籃預(yù)壓荷載的施加分別采取了砂袋（或水袋）直接堆載法、預(yù)埋支撐結(jié)合千斤頂施加反力法[4]、兩掛籃橫臥對向錨固后在主梁前端用千斤頂施加推擠力模擬加載法等多種方法[5]。不過，不論采取哪種形式，真實地模擬施工荷載和加載過程以校驗掛籃的安全穩(wěn)定性、獲得準確的應(yīng)變響是掛籃預(yù)壓堆載實驗的根本目的。

1 掛籃堆載預(yù)壓實驗方案與實施

位于徐州境內(nèi)的徐洪河大橋為45 m+65 m+37 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。大橋最重節(jié)段（1號塊）長3.5 m，箱梁中心高3.44 m，底板厚0.654 m，腹板厚度為0.75 m，節(jié)段重量約126 t。

大橋采用三角掛籃澆筑，掛籃主構(gòu)架由2件對稱的桁架式承載構(gòu)件聯(lián)結(jié)而成。掛籃主構(gòu)架是簡支結(jié)構(gòu)，桿件間以銷軸連接，見圖1。單個掛籃立柱（AB）高 3 m，主弦桿（CBD）長 9.4 m，均由兩根32B槽鋼拼焊而成；斜拉桿由兩片25 mm厚、220 mm寬的16Mn鋼板構(gòu)成，斜32°布置。除了主體結(jié)構(gòu)外，掛籃結(jié)構(gòu)中的前橫梁采用2根45B工字鋼，吊桿采用Φ32 mm精軋螺紋鋼筋。掛籃底模前后橫梁吊點各5個，掛籃側(cè)模和箱室頂板內(nèi)模各2個吊點。每榀三角架后部有2根后錨扁擔(dān)梁，各通過2根Φ32 mm精制螺紋鋼筋豎向錨固于已澆筑箱梁上。掛籃模板系統(tǒng)中，底模重12 t，側(cè)模重 2×5.5 t，內(nèi)模重 3 t。

圖1 三角掛籃外形尺寸示意圖（單位：cm）

在實際操作過程中，考慮采用在地面上將兩片三角掛籃主構(gòu)架對向拼接，并借助油壓千斤頂對拉來模擬預(yù)壓的方法開展預(yù)壓實驗，見圖2。掛籃一端用Φ32 mm精軋螺紋固定，中間部位用工字鋼制成的墊梁做支點，另一端用110 t油壓千斤頂逐級加載。采用這種方法的主要出發(fā)點是：（1）更好地滿足預(yù)壓噸位要求：油頂預(yù)壓可以滿足預(yù)壓要求的噸位，而沙袋預(yù)壓受空間限制不能很好地滿足預(yù)壓要求；（2）縮短工期并節(jié)省費用：油頂預(yù)壓的施工工期為1 d，而采用沙袋預(yù)壓的施工工期接近1周，油壓千斤頂預(yù)壓的機械為油壓千斤頂一套，沙袋預(yù)壓需添置大量沙袋，并需要配置25 t汽車吊一輛同時耗費大量人力。但考慮到掛籃上橋拼裝后，在澆筑混凝土之前，結(jié)構(gòu)仍未經(jīng)歷預(yù)壓消除接觸變形的過程，因此，采用地面拼裝千斤頂預(yù)壓的過程，更重要的是獲得掛籃主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)。

圖2 對拼三角掛籃及油壓千斤頂預(yù)壓實驗

預(yù)壓實驗實際最大堆載值為50 kN，共分5級進行加載和卸載，加載實驗過程中，用鋼尺量取兩掛籃主弦桿頂面之間的距離變化。由于采用的是兩掛籃拼合的方式，因此，主弦桿間距離的變化值對于單個掛籃而言應(yīng)當(dāng)減半。荷載施加過程中，1/2收縮量與荷載之間關(guān)系見圖3。

圖3 實測1/2收縮量曲線與荷載之間關(guān)系曲線

另外，對于與施加荷載端相對的錨固端，實驗過程中，也進行了錨固鋼筋伸長量的測量，其數(shù)值僅4 mm，中部墊梁的壓縮變形僅2 mm，對加載端的影響較小。這主要是在加荷載之前，首先將掛籃間工字鋼墊梁安裝到位，然后對整個掛籃主弦桿的兩端同時使用螺紋筋、螺帽并配合千斤頂進行了錨固，然后，將墊梁位置處也采用螺紋筋錨固扎實，最后，放松荷載施加端螺帽進行加荷，這樣，有效地限制了非荷載施加端的變形。

2 試驗測試結(jié)果分析

從圖3中可以看出，掛籃在加載之初，由于存在明顯的非彈性變形（主要是構(gòu)件之間接觸部位相互擠壓的緊致過程產(chǎn)生的變形），實驗曲線在加載之初呈現(xiàn)明顯的非線性。加載借助的緊固件與掛籃間咬合有個從寬松然后驟然緊密的過程。當(dāng)荷載增加到20 kN之后，接觸部位由于擠壓已經(jīng)充分，整個掛籃實驗體系才呈現(xiàn)出明顯的線彈性工作狀態(tài)。從掛籃預(yù)壓實驗的三個主要目的中的消除掛籃結(jié)構(gòu)的非彈性變形來看，在實際施工過程中，若掛籃的底模、側(cè)模以及臨時施工荷載超過這個數(shù)值的話，則可以在底模高程調(diào)整之前就將結(jié)構(gòu)間緊致過程完成，避免在確定底模立模高程過程中出現(xiàn)偏差。另一方面，與本次在地面拼裝掛籃進行實驗不同的是，傳統(tǒng)的在橋面拼裝掛籃的時候，要進行預(yù)壓實驗，則至少需要構(gòu)建桁架、支撐、懸吊和模板系統(tǒng)中的底模和側(cè)模，模板的重量在進行實驗之前已經(jīng)主要由掛籃承擔(dān)，其重量一般都接近20 t（本橋超過25 t）。故此，在地面拼裝掛籃進行實驗過程中獲得的變形數(shù)值中，接觸變形或者稱非彈性變形要遠遠大于在橋面拼裝掛籃后開展的預(yù)壓實驗，而此部分變形在后一種類型的試驗過程中，由于已經(jīng)先于堆載產(chǎn)生，故而是測不到的。值得關(guān)注的是，掛籃在橋面拼裝并澆筑混凝土?xí)r，其傳力機理與地面掛籃主桁架對拼后開展的預(yù)壓實驗存在較為明顯的不同。以如圖4所示的掛籃系統(tǒng)為例，橋梁梁段底板、腹板澆筑時產(chǎn)生的豎向自重荷載主要由掛籃的底模系統(tǒng)承擔(dān)，頂板自重產(chǎn)生的荷載由內(nèi)模系統(tǒng)承擔(dān)，翼板的荷載由外模系統(tǒng)承擔(dān)，這些荷載首先通過掛籃的前、后吊桿或吊帶傳遞到前、上橫梁和已澆梁段的底板及腹板上。最終，前、上橫梁的所有荷載都傳遞到掛籃的主桁架上，主桁架再通過前支點和后錨點把力傳遞到已澆梁段的頂板、腹板上。懸吊系統(tǒng)和主桁系統(tǒng)部分起著力轉(zhuǎn)換的作用。掛籃吊架在澆筑梁段中所產(chǎn)生變形的調(diào)整，能通過調(diào)整前吊桿高度或在后錨橫擔(dān)梁上配重加以調(diào)整。

圖4 徐洪河大橋掛籃布置立面圖（單位：cm）

預(yù)壓實驗過程中，千斤頂?shù)耐茢D力直接作用于三角桁架的底部弦桿，整個過程中，除了與預(yù)壓荷載施加端相對的主弦桿另一側(cè)由于采用的是螺紋筋錨固的方式，會產(chǎn)生拉伸變形之外，掛籃主桁架之外的部分（特別是懸吊系統(tǒng)）的變形都被忽略。與常規(guī)掛籃預(yù)壓實驗時，底模和側(cè)模的重量在立模高程確定之前即由掛籃為主承擔(dān)，且懸吊、模板甚至行走系統(tǒng)均參與試驗有所不同，因此，上述地面拼裝后堆載過程中的荷載噸位選擇、加載位置、觀測方法是否合理，均需加以分析。

采用Ansys軟件對試驗進行模擬。立柱和斜拉桿采用桿單元，主弦桿采用梁單元。計算得到的主弦桿前端最大下?lián)蠟?5.6 mm，各桿、梁變形見圖5。與圖3中對應(yīng)荷載（400 kN）所產(chǎn)生的位移（22 mm）相比，有較大出入。若將圖3中非線性變形階段扣除部分，200 kN荷載，彈性變形按8 mm計，其余4～5 mm認為是錨固系統(tǒng)與掛籃之間緊致、加載非線性、變形非線性等原因產(chǎn)生的形變，則兩者數(shù)值較為接近。由此可見，在上述試驗所獲得的數(shù)據(jù)中，有一部分是由于試驗系統(tǒng)設(shè)計和操作過程中引入的粗差，需要將其剔除后再進行掛籃真實響應(yīng)的計算。其次，掛籃桁架受千斤頂頂推作用情況下，其荷載施加過程與沙袋堆載的傳統(tǒng)方式相比，不夠均勻、加載歷時也較短等原因均會造成實測數(shù)據(jù)的偏大。

3 箱梁澆筑預(yù)拱度設(shè)置

預(yù)應(yīng)力箱梁由于施工荷載和后續(xù)節(jié)段施工荷載的影響，其節(jié)段前緣會產(chǎn)生較大下?lián)希沟孟淞喉?、底高程偏離設(shè)計線形，故而箱梁節(jié)段施工過程中，需要設(shè)置預(yù)拋高（預(yù)拱度）以抵消其影響。預(yù)拱度數(shù)值的大小主要受以下因素影響：一期恒載、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、掛籃變形、混凝土收縮徐變、墩身壓縮、溫度影響、臨時施工荷載、活載，其中預(yù)應(yīng)力和混凝土收縮會造成體系緊致，對施工預(yù)拱度設(shè)置有減小的作用，其余部分，則多數(shù)會造成施工過程中本節(jié)段或之前已澆筑節(jié)段的下?lián)?。實際施工過程中，影響線形控制的主要不可控因素是掛籃的非彈性變形部分。

在上述掛籃實驗中，可以看出，對于非新制掛籃，非彈性變形主要集中于荷載施加初期，而預(yù)壓實驗數(shù)據(jù)中的后半段，彈性特征明顯，可以作為參照，并依照每個節(jié)段箱梁的自重、長度計算獲得澆注過程中的掛籃變形值。

徐洪河大橋施工過程中，對于預(yù)拱度的設(shè)置采用了Midas軟件進行箱梁自重荷載、預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土干縮及徐變、溫度變化等模擬，對于掛籃的變形，1號塊按照20 mm考慮，對比如圖3所示，扣除了部分非彈性變形的影響，但仍保留了部分數(shù)值以抵抗掛籃錨固不實等原因產(chǎn)生的下?lián)?。施工監(jiān)測結(jié)果顯示，上述設(shè)置是合理的，保證了橋梁底板線形的美觀、流暢。

4 結(jié)語

對于三角掛籃這一輕便掛籃的典型代表，在施工前對其開展堆載預(yù)壓，是獲知掛籃穩(wěn)定性和應(yīng)變響應(yīng)的重要途徑，借助千斤頂而非砂袋在地面拼接掛籃進行預(yù)壓實驗，一方面操作更為安全，可以大幅節(jié)省工期，另一方面，更為安全。其滿足了驗證掛籃的承載能力，獲得預(yù)壓加載過程中掛籃的應(yīng)變響應(yīng)過程兩個最重要的要求，而對消除掛籃結(jié)構(gòu)的非彈性變形，考慮到掛籃系統(tǒng)模板重量較大，且施工控制均是在模板系統(tǒng)就位后進行調(diào)整，故而，完全可以滿足消除掛籃系統(tǒng)各部件間接觸變形的需要。反過來，地面拼裝后采用千斤頂加載的初期，其獲得的數(shù)據(jù)中會包含部分非彈性變形，需要結(jié)合分析將其剔除，避免對掛籃的真實相應(yīng)計算引入誤差。此外，在開展預(yù)壓實驗的過程中，需注意其受力差異，針對性地開展構(gòu)件對拼準備、實驗數(shù)據(jù)分析和相應(yīng)的數(shù)值分析工作，才能更好地完成相關(guān)的實驗工作。

值得說明的是，考慮到由于千斤頂施加荷載的靈活性，施加對拉力的時候，特別是加載前期，可縮小步長，使構(gòu)件各個部分漸進地緊致；荷載施加完成后，卸載過程中也應(yīng)在小荷載區(qū)間延長停滯時間，以便觀察掛籃的殘余變形數(shù)據(jù)。這是上述試驗過程中忽略了的問題，在今后的試驗過程中，需要加以改進。

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