四線曲線橋懸澆掛籃的檢算與施工技術(shù)

顏炳仁，劉 猛，劉榮桂，滕 斌，姚 彬

(1.中國路橋 寧安鐵路工程指揮部，安徽蕪湖 241000;2.江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;3.江蘇金土木建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 常熟 215500)

掛籃懸臂澆筑施工自20世紀(jì)60年代由前聯(lián)邦德國首先使用以來，發(fā)展至今已成為修建大、中跨徑橋梁的一種有效施工手段。我國20世紀(jì)60年代開始使用這種技術(shù)，已取得了巨大成就［1］。在國內(nèi)已有不少學(xué)者對(duì)不同跨徑和寬度橋的三角掛籃設(shè)計(jì)和施工做了探討，掛籃設(shè)計(jì)正向輕型重載方向發(fā)展［2-5］。青弋江大橋掛籃由同類橋梁的掛籃改進(jìn)組裝而成，提高了掛籃的利用率，節(jié)約了掛籃制作費(fèi)用，但需要對(duì)掛籃的整體結(jié)構(gòu)和局部構(gòu)件進(jìn)行檢算，對(duì)整體結(jié)構(gòu)和局部構(gòu)件薄弱部位進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)。我國橋梁的施工規(guī)范對(duì)掛籃的作業(yè)規(guī)定不夠充分和完善，結(jié)合青弋江大橋掛籃施工，對(duì)掛籃的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行探討。針對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作程序相對(duì)復(fù)雜問題［6］，青弋江掛籃采用模塊化設(shè)計(jì)，整體移動(dòng)掛籃，操作方便快捷，節(jié)省工期;施工中嚴(yán)格監(jiān)控掛籃的變形和掛籃行走軸線，保證曲線橋梁線形符合設(shè)計(jì)要求。青弋江大橋掛籃的檢算和施工可以為國內(nèi)同類型高速鐵路四線客運(yùn)專線橋提供參考。

1 工程概況

寧安鐵路青弋江特大四線橋位于蕪湖市內(nèi)，跨越青弋江。青弋江特大橋采用(72+136+72)m四線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁跨越青弋江，結(jié)構(gòu)類型為無砟軌道預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)，其中136 m跨度四線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為已建或在建四線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁全國之最。

梁高按照?qǐng)A曲線變化，圓曲線半徑R=386.8 m。邊跨段平面線形按照曲線變化，小里程圓曲線R=800 m，大里程圓曲線R=1 200 m，中跨段平面線形為直線。全橋箱梁頂板寬22.8 m，底寬16.5 m。箱梁橫截面為單箱三室直腹板。全橋共分59個(gè)節(jié)段，0號(hào)段長28 m，具備掛籃拼裝起始長度;邊跨現(xiàn)澆15號(hào)段長3.7 m;邊跨合龍段和中跨合龍段長2 m。掛籃對(duì)稱懸臂澆筑計(jì)13段，長度為(3.0+4×3.5+4×4.0+4×5.0)m。

2 掛籃的檢算

2.1 荷載組合

掛籃設(shè)計(jì)荷載包括箱梁荷載、掛籃自重、施工荷載。荷載組合如下:①荷載組合Ⅰ，混凝土重量+超載+動(dòng)力附加荷載+掛籃自重+人群、機(jī)具荷載等;②荷載組合Ⅱ，混凝土重量+超載+混凝土偏載+掛籃自重+人群、機(jī)具荷載等;③荷載組合Ⅲ，混凝土荷載+超載+掛籃自重+人群、機(jī)具荷載等;④荷載組合Ⅳ，掛籃自重+沖擊附加荷載。其中荷載組合Ⅰ，Ⅱ用于主桁承重系統(tǒng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算;荷載組合Ⅲ用于剛度計(jì)算;荷載組合Ⅳ用于掛籃行走計(jì)算［3］。

2.2 掛籃的受力分析

預(yù)應(yīng)力箱梁懸澆掛籃采用三角掛籃形式，掛籃由主桁、底籃、懸吊系統(tǒng)、后錨及行走系統(tǒng)、模板系統(tǒng)等部分組成［7-8］。

結(jié)合該掛籃設(shè)計(jì)的需要，計(jì)算時(shí)采用ANSYS 10.0版軟件建立掛籃系統(tǒng)整體模型，其中上部主桁架的主梁和立柱以及前上橫梁、內(nèi)外滑梁，前下、前后橫梁以及底籃縱梁，采用梁?jiǎn)卧M;吊索及其他連接桿件采用桿單元模擬。荷載以線荷載的形式施加于底籃縱梁以及內(nèi)外滑梁上。掛籃整體模型見圖1，掛籃整體構(gòu)造見圖2。

圖1 掛籃整體有限元模型

圖2 掛籃整體構(gòu)造

根據(jù)掛籃有限元模型分析，在荷載組合Ⅰ下，主桁桿件最大應(yīng)力值均未超過容許應(yīng)力，滿足材料承載能力極限。

在荷載組合Ⅱ下，掛籃主桁架的前吊點(diǎn)位置最大撓度15 mm，掛籃前吊點(diǎn)承受拉力P=427 kN，前吊桿的精軋螺紋鋼筋最大長度約為10 m，精軋螺紋伸長量為4.803 mm，掛籃變形f=15+4.803=19.803 mm，小于規(guī)范限值20 mm。

在荷載組合Ⅲ下，掛籃前移時(shí)，主桁靠反壓輪扣在軌道上行走，荷載組合Ⅳ中掛籃單側(cè)前吊點(diǎn)的荷載為224.48 kN，后支點(diǎn)的拉力為270.43 kN。這2種工況下各構(gòu)件均安全。

2.3 掛籃預(yù)壓

在掛籃正式使用前，通過對(duì)掛籃加載消除掛籃的非彈性變形，驗(yàn)證掛籃的承載力，實(shí)測(cè)掛籃的彈性變形，與理論值進(jìn)行比較，為計(jì)算立模標(biāo)高提供依據(jù)。

掛籃安裝就位后，按最重塊2號(hào)段荷載的1.2倍進(jìn)行極限加載(采用砂袋分級(jí)分層加載)，加載的位置基本上與箱梁的實(shí)際重力作用相吻合。掛籃監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置:上前橫梁與主梁8個(gè)交點(diǎn)處各布置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)前下橫梁處亦布置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，底籃底板距外側(cè)拉桿2.5 m處于4個(gè)腹板中心位置布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)在每級(jí)荷載加載過程中的變化，記錄數(shù)據(jù)。掛籃監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。由于預(yù)壓過程中條件復(fù)雜，且測(cè)量存在一定的測(cè)量誤差［7-9］，可以認(rèn)為掛籃現(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓結(jié)果與理論計(jì)算值基本一致。

表1 掛籃預(yù)壓變形監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比 mm

3 掛籃變形監(jiān)測(cè)及分析

根據(jù)資料計(jì)算出箱梁豎曲線高程值，采用MIDAS有限元分析軟件計(jì)算箱梁的預(yù)拱度值，為施工單位提供立模標(biāo)高通知單，立模標(biāo)高=箱梁豎曲線高程值+預(yù)拱度值+掛籃變形值+調(diào)整值，得到掛籃施工監(jiān)測(cè)的理論值。掛籃行走到位后，調(diào)整立模標(biāo)高。掛籃變形測(cè)量點(diǎn)見圖3。監(jiān)測(cè)每節(jié)段澆筑前、后各測(cè)點(diǎn)掛籃實(shí)際標(biāo)高值，并分析掛籃沉降值，為下節(jié)段掛籃變形值提供依據(jù)。以75墩8號(hào)段為例闡述整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)各節(jié)段測(cè)量情況，該段掛籃變形現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況見表2。

圖3 掛籃變形監(jiān)控點(diǎn)布置(單位:cm)

由表2可知本節(jié)段掛籃變形平均值為16 mm，預(yù)壓彈性變形21 mm，均與理論計(jì)算值19.8 mm基本一致，在控制范圍內(nèi)。橋梁各節(jié)段監(jiān)測(cè)與75墩8號(hào)段類同。由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況的復(fù)雜性以及測(cè)量中存在一定的誤差，掛籃變形實(shí)測(cè)值在理論值上下波動(dòng)，但均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，全橋掛籃變形值與理論設(shè)計(jì)值基本一致。隨著橋梁節(jié)段號(hào)增加混凝土體量減少，掛籃變形值也呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，符合實(shí)際變化規(guī)律。

表275 墩8號(hào)段小里程(安慶方向)掛籃變形測(cè)量數(shù)據(jù) mm

4 掛籃的行走

待1號(hào)段張拉錨固后，掛籃前移施工2號(hào)段。邊跨線形為曲線，要放線定出軌道梁行走在橋面的坐標(biāo)點(diǎn)，中跨軌道梁行走路線的中心線與箱梁腹板中線一致。放松前、后支點(diǎn)滑船上部的錨固螺桿，用油壓頂頂起前、后支點(diǎn)的滑船后錨固螺桿;解除滑動(dòng)軌道梁上錨固螺桿，在2號(hào)段梁端放置軌道梁的支點(diǎn)，用手拉葫蘆拉軌道梁按照放線坐標(biāo)行走，發(fā)現(xiàn)偏差采用葫蘆牽拉予以糾正。軌道梁到2號(hào)塊梁端支點(diǎn)，軌道梁兩端用φ32精軋螺紋鋼筋錨固，此時(shí)1號(hào)塊軌道梁前支點(diǎn)變2號(hào)塊軌道梁后支點(diǎn)。

放松底籃、吊桿和倒鏈，解除底籃后橫梁錨固在0號(hào)塊底板的精軋螺紋鋼筋上，底籃后橫梁由倒鏈和保險(xiǎn)鋼絲繩懸掛在兩側(cè)的外滑梁上;用方木支撐內(nèi)膜架，解除內(nèi)膜板與外模板、內(nèi)膜板與內(nèi)膜板錨固;用液壓千斤頂推主桁架立柱下滑船處，兩端掛籃同時(shí)移動(dòng)，見圖4。且每端截面四片三角組合梁同時(shí)移動(dòng)，掛籃、底模架、外側(cè)模整體移動(dòng)運(yùn)行速度不能過快，避免因速度等原因給相關(guān)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件帶來不良扭曲變形。掛籃移動(dòng)到底模預(yù)留孔位置后，安裝后吊裝置，將底模架吊起。調(diào)整底模立模標(biāo)高，安裝綁扎底板、腹板鋼筋，移動(dòng)內(nèi)膜板到預(yù)留孔位置錨固，調(diào)整內(nèi)膜板的立模標(biāo)高，錨固內(nèi)、外側(cè)模板［10］。

圖4 掛籃行走部分結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

1)青弋江大橋掛籃的總質(zhì)量與最大節(jié)段質(zhì)量比為0.341，掛籃結(jié)構(gòu)具有輕型、簡(jiǎn)單、模塊化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提高了掛籃利用率和行走效率，且施工快捷方便。

2)根據(jù)掛籃結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)，建立空間桿系有限元模型分析掛籃整體和局部受力，青弋江大橋三角掛籃整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行，局部構(gòu)件得到加強(qiáng)，目前大橋即將合龍，掛籃施工一切順利。

3)理論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均表明青弋江四線客運(yùn)專線特大橋三角掛籃變形各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值基本上一致，掛籃的結(jié)構(gòu)檢算確保了掛籃的安全。針對(duì)寬橋、節(jié)段體量較大的懸臂澆筑曲線橋梁掛籃的設(shè)計(jì)檢算，以及掛籃作業(yè)中注意事項(xiàng)的闡述，可為同類型懸臂澆筑用三角掛籃的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)和參考。

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