剛構(gòu)橋梁懸臂施工掛籃設(shè)計(jì)及預(yù)加載試驗(yàn)研究

鄭元?jiǎng)? 楊培冰

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院 河南 鄭州 450001)

剛構(gòu)橋梁懸臂施工掛籃設(shè)計(jì)及預(yù)加載試驗(yàn)研究

鄭元?jiǎng)? 楊培冰

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院 河南 鄭州 450001)

針對(duì)具體施工工況進(jìn)行了掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過預(yù)加載試驗(yàn)驗(yàn)證了掛籃的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性.首先利用數(shù)值模擬方法對(duì)掛籃受力結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵錨接部位的安全性進(jìn)行驗(yàn)證；然后為了減少掛籃拼裝組件骨架的非彈性變形，同時(shí)進(jìn)一步檢驗(yàn)預(yù)加載情況下掛籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求，通過堆載石子對(duì)稱地在掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)；最后通過在掛籃主要受力構(gòu)件及后錨、前吊桿等關(guān)鍵受力部位布設(shè)應(yīng)變計(jì)、位移傳感器，對(duì)掛籃預(yù)加載試驗(yàn)期間的受力及變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證掛籃實(shí)際受力性能及確保掛籃施工期間的安全.結(jié)果表明，該掛籃設(shè)計(jì)合理，預(yù)加載試驗(yàn)工況下掛籃承載力滿足相關(guān)要求.

剛構(gòu)橋梁； 掛籃施工； 掛籃設(shè)計(jì)； 預(yù)加載； 安全監(jiān)測(cè)

0 引言

懸臂施工因其本身具有的一些優(yōu)點(diǎn)在連續(xù)橋梁施工，尤其是在跨公路或鐵路線連續(xù)橋梁施工中得到了廣泛的應(yīng)用，掛籃作為懸臂施工法中的主要受力結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)的合理性及受力階段的安全性是保證橋梁施工安全與質(zhì)量的關(guān)鍵所在[1-3].為了減少掛籃拼裝組件骨架的非彈性變形，檢驗(yàn)壓重下掛籃受力構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度是否滿足要求，在掛籃使用之前必須進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)[4-10].作者首先對(duì)掛籃設(shè)計(jì)的安全性進(jìn)行計(jì)算與分析，然后對(duì)預(yù)加載工況下掛籃受力結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵錨接部位進(jìn)行受力監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證掛籃實(shí)際承載能力，達(dá)到在消除掛籃非彈性變形的同時(shí)確保掛籃后期施工安全的目的.

1 工程概況

依托工程橋梁跨越高速公路，為避免對(duì)交通的影響，采用懸臂掛籃施工法.連續(xù)梁全長(zhǎng)243.7 m，計(jì)算跨度(65+112+65) m，中支點(diǎn)處截面中心梁高8.59 m，跨中10 m直線段及邊跨14.85 m直線段截面中心梁高5.39 m，梁底下緣按二次拋物線變化，邊支座中心線至梁端距離為0.85 m.梁體為單箱室、變截面、變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁.箱梁頂寬12.2 m，箱梁底寬6.4 m;頂板厚度40.4 cm，在邊支點(diǎn)附近漸變?yōu)?0.4 cm，在中支點(diǎn)附近漸變?yōu)?0.4 cm，按折線變化；底板厚度為50～120 cm，按直線線性變化；腹板厚度為60～80 cm,>80～100 cm，按折線變化.

2 掛籃

依托工程橋梁設(shè)計(jì)塊為0～17#段，其中0#段為墩頂現(xiàn)澆段、17#段為邊墩現(xiàn)澆直線段.11#梁段重1 737.5 kN，為懸臂部分最重梁段，因此，掛籃設(shè)計(jì)及預(yù)加載試驗(yàn)均以11#段作為加載重量參數(shù)進(jìn)行檢算.11#段頂板厚度為40.4 cm，腹板厚度為60 cm，底板厚度由72.9 cm漸變?yōu)?7.1 cm，梁高由564.5 cm漸變?yōu)?49.6 cm，翼板厚度為60.4～22.1 cm.11#段橫斷面如圖1所示.

2.1 掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掛籃形狀大致分為三角形掛籃、菱形掛籃、弓形掛籃等，此次懸臂澆筑采用三角形掛籃進(jìn)行施工.走行方式為無平衡重走行，掛籃由承重系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、走行系統(tǒng)及錨固系統(tǒng)組成.承重三角桁架為掛籃懸澆主要受力構(gòu)件，下弦桿采用[36b 雙槽鋼,長(zhǎng)11.6 m,前后拉桿采用[32b雙槽鋼,立柱采用[36b雙槽鋼.拉桿與下弦桿的連接采用45#號(hào)鋼Φ90銷軸進(jìn)行連接.前上橫梁采用2根56a工字鋼，錨固于三角桁架前端，后上橫梁采用2根25a槽鋼，前下橫梁和后下橫梁均采用2根45a工字鋼，后錨扁擔(dān)梁采用[22b雙槽鋼.底板縱梁采用20根22a工字鋼，腹板位置采用3根組合魚腹梁，所有吊桿均采用Φ32精軋螺紋鋼，后錨采用Φ25精軋螺紋鋼.

2.2 掛籃計(jì)算設(shè)計(jì)荷載

掛籃總重控制在設(shè)計(jì)限重內(nèi)(掛籃重量與梁段混凝土的重量比值控制在0.3～0.5).允許最大變形(包括吊帶變形的總和)為20 mm；自錨固系統(tǒng)的安全系數(shù)為2；澆筑混凝土和掛籃行走時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為2.考慮箱梁混凝土澆筑時(shí)脹模等的超載系數(shù)為1.05；掛籃空載行走時(shí)的沖擊系數(shù)為1.3；掛籃正常使用時(shí)采用的安全系數(shù)為2;活載分項(xiàng)系數(shù)為1.4；恒載分項(xiàng)系數(shù)為1.2.箱梁模板每平方米重量取0.25 t；取施工人員、施工料具運(yùn)輸、堆放荷載為3.8 kN/m2;取傾倒混凝土產(chǎn)生荷載為0.2 t/m2；掛籃及模板自重為66 t.

2.3 掛籃計(jì)算工況

工況一：掛籃澆筑施工.

掛籃受力由掛籃自重、11#段鋼筋混凝土重量、施工荷載三部分組成.掛籃受力荷載按最大節(jié)段重量11#段設(shè)計(jì)，混凝土設(shè)計(jì)方量65.56 m3，重量173.7 t，掛籃及模板自重66 t，施工荷載12.24 t，設(shè)計(jì)總荷載304.82 t.主要計(jì)算三角桁架、上下橫梁及底板縱梁的受力和變形.

工況二：掛籃系統(tǒng)走行.

掛籃移動(dòng)走行過程中的受力為掛籃自重產(chǎn)生的力矩通過后錨力矩來平衡，安全系數(shù)大于2.主要檢算掛籃移動(dòng)過程中的抗傾覆穩(wěn)定性.

(1)三角形掛籃軟件計(jì)算 圖2～4分別為三角形掛籃的結(jié)構(gòu)變形圖、軸力圖和支點(diǎn)受力圖.結(jié)構(gòu)變形：端部節(jié)點(diǎn)變形值為12 mm.桿件內(nèi)力：7#桿件-763.7 kN，6#桿件-763.7 kN，12#桿件1 056.9 kN，14#桿件1 056.9 kN，23#桿件-1 455.1 kN.各點(diǎn)反力：后錨為754.4 kN，中支點(diǎn)為1 508.8 kN.由Midas Civil 2010計(jì)算結(jié)果可知：桁架變形值12 mm，滿足規(guī)范要求；后錨點(diǎn)反力為754.4 kN， 采用16根Φ25精軋螺紋鋼作為錨固鋼筋，其抗拉強(qiáng)度為830 MPa,抗拉能力為(12.52×π×747×8)/1 000=2 931.98 kN,是后支座平衡力的3.89倍,錨固系統(tǒng)滿足規(guī)范要求.

(2)后錨固計(jì)算 主桁后錨系統(tǒng)用8根Φ25精軋螺紋鋼筋進(jìn)行錨固，每2根精軋螺紋鋼筋連接一根后錨扁擔(dān)梁以平衡掛籃前端受力.后錨扁擔(dān)梁采用2根[22a槽鋼焊接而成，由于主桁架桿件寬度較寬，后錨筋間距較小，后錨扁擔(dān)梁可按均布荷載計(jì)算.

經(jīng)查[22a槽鋼每米重24.999 kg，I=23.9×106mm4，W=21.8×104mm3.根據(jù)扁擔(dān)梁受力可知，后支座處平衡力為754.4 kN，由8根Φ25精軋螺紋鋼筋均分.N=754.4/8=94.3 kN，q=2×94.3/0.4+2×0.25=472 kN/m，M=ql2/8=472×4002/8=9.44×106kN·mm,σ=M/2W=9.44×106/(2×21.8×104)=21.7 MPa<1.2〔σw〕=174 MPa ，故強(qiáng)度滿足要求.f=5ql4/2×384EI=5×472×4004/(2×384×2.1×105×23.9×106)=0.016 mm<400/400=1 mm,故剛度滿足要求.

3 掛籃預(yù)加載監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

為了監(jiān)測(cè)掛籃預(yù)加載過程不同工況下(重點(diǎn)關(guān)注125%加載工況)的受力情況，在以下關(guān)鍵部位：掛籃前后拉桿、立柱、下弦桿、后錨桿(尤其是第一個(gè)后錨桿)、前吊桿、前橫梁跨中底部、前下橫梁跨中及箱梁腹板作用位置處底部、后下橫梁跨中及箱梁腹板作用位置處底部、魚腹式縱梁跨中底部處布設(shè)應(yīng)變計(jì).考慮到掛籃受力的對(duì)稱性，測(cè)點(diǎn)僅在掛籃一側(cè)布置，重點(diǎn)檢測(cè)部位測(cè)點(diǎn)在兩側(cè)布置.測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖5所示,圖中矩形標(biāo)志代表應(yīng)變計(jì)，共布置24個(gè)應(yīng)變計(jì).

監(jiān)測(cè)設(shè)備采用武漢華巖電子責(zé)任有限公司生產(chǎn)的HY-65B3000B靜態(tài)應(yīng)變傳感器，先期已完成傳感器的標(biāo)定及設(shè)備調(diào)試等工作.

3.2 預(yù)加載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次預(yù)加載試驗(yàn)通過施加1.25倍最大塊重(11#塊)的石子作為預(yù)加載荷載，以檢驗(yàn)掛籃主體結(jié)構(gòu)尤其是承重系統(tǒng)的安全性.

預(yù)加載荷載的計(jì)算依據(jù)為：根據(jù)專橋(2009)2267A-Ⅱ圖紙11#塊，砼重量為65.56×2.65=173.7 t，掛籃和模板設(shè)計(jì)重量為66 t,恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，活載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，施工活荷載取4.5 kPa,施工總活荷載為4.5×6.8×4=122.4 kN=12.24 t，總重為304.82 t，后吊帶F2受力按50.5%計(jì)，得1 539.325 kN，前吊帶F1受力按49.5%計(jì)，得1 508.843 kN.

為保證預(yù)加載安全，加載過程分為6步，分別為加載荷載的20%，50%，75%，90%，100%及125%，重點(diǎn)對(duì)100%及125%加載情況下的掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析.

考慮到制圖方便，繪圖時(shí)用阿拉伯?dāng)?shù)字代表具體測(cè)點(diǎn)位置，阿拉伯?dāng)?shù)字代表的測(cè)點(diǎn)位置見表1.

注：1.N1桿所受壓力遠(yuǎn)小于N3立柱，所以計(jì)算N3桿受力，如果N3能滿足設(shè)計(jì)要求，則N1也能滿足設(shè)計(jì)要求；2.括號(hào)內(nèi)的數(shù)值表示穩(wěn)定性驗(yàn)算的應(yīng)力值(考慮長(zhǎng)細(xì)比的影響)；3.零載加載時(shí)各構(gòu)件受力為零.

3.3 預(yù)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對(duì)預(yù)加載檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行初步分析發(fā)現(xiàn)，掛籃及懸掛系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)受力均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，說明該掛籃主梁抗彎能力等均滿足設(shè)計(jì)要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備.掛籃預(yù)加載工況下具體受力情況如表1所示.

對(duì)比計(jì)算值和實(shí)測(cè)值發(fā)現(xiàn)兩者存在一定的差異，分析其原因?yàn)椋孩?計(jì)算荷載和實(shí)際預(yù)加載荷載存在一定差異；② 計(jì)算時(shí)采用的計(jì)算模型是在基于相關(guān)假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的；③ 工作環(huán)境及設(shè)備測(cè)試精度的影響，但該原因?qū)е碌臏y(cè)試結(jié)果偏差較小，能滿足實(shí)際工程的需要.

圖6為實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值普遍高于計(jì)算值，差異較大的測(cè)點(diǎn)為前下橫梁跨中處和后下橫梁跨中處(差值大于50%以上)，造成這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值差值較大的原因主要在于預(yù)加載方式異于掛籃實(shí)際受力情況，預(yù)加載是通過在箱梁模板內(nèi)堆積相當(dāng)于最大節(jié)段箱梁重量的石子，來模擬掛籃施工中的實(shí)際受力情況，兩種受力情況最大的差異在于實(shí)際掛籃施工(主要是混凝土澆筑過程)中腹板處掛籃承重結(jié)構(gòu)受力較大，但預(yù)加載的加載方式導(dǎo)致掛籃中部受力較大，所以會(huì)產(chǎn)生預(yù)加載情況下前下橫梁跨中處和后下橫梁跨中處較掛籃施工中實(shí)際產(chǎn)生的內(nèi)力要大.

圖7為實(shí)測(cè)值與規(guī)范允許值的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)加載情況下掛籃主要受力構(gòu)件的實(shí)際受力情況均小于規(guī)范規(guī)定的最大允許應(yīng)力值，且有較大的安全儲(chǔ)備.

Fig.6 The contrast of measured values and calculated values

Fig.7 The contrast of measured values and permissbile values

4 結(jié)論

(1) 基于Midas的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：掛籃設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)范要求，具有較高的安全儲(chǔ)備；利用數(shù)值模型計(jì)算驗(yàn)證掛籃的受力安全是確保掛籃設(shè)計(jì)安全的有效方法.

(2) 預(yù)加載試驗(yàn)大致模擬了掛籃實(shí)際施工狀態(tài)下的受力狀態(tài)，檢驗(yàn)了掛籃主要承重結(jié)構(gòu)的安全性.掛籃預(yù)加載試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)應(yīng)力值均在規(guī)范控制值范圍之內(nèi)，且具有一定的安全儲(chǔ)備，說明該掛籃主梁抗彎拉能力等滿足設(shè)計(jì)要求.

(3) 鑒于預(yù)加載試驗(yàn)掛籃的受力狀態(tài)與實(shí)際施工時(shí)的受力狀態(tài)存在一定差異，同時(shí)由于理論計(jì)算值是在基于相關(guān)假設(shè)的前提下進(jìn)行的，因此，實(shí)測(cè)值和計(jì)算值存在一定的差異，尤其是在一些檢測(cè)點(diǎn)(前下橫梁跨中和后下橫梁跨中)處差異較大，這主要是由于荷載加載方式不同造成的，但不論實(shí)測(cè)值還是計(jì)算值均滿足設(shè)計(jì)要求.

(4) 該掛籃設(shè)計(jì)方法、預(yù)加載實(shí)施及安全監(jiān)控方案適用于類似工程的掛籃設(shè)計(jì)及預(yù)加載試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，研究成果具有一定的理論價(jià)值及現(xiàn)實(shí)意義.

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(責(zé)任編輯：孔 薇)

The Design of Hanging Basket and Study of Pre-loading Test of Rigid Frame Bridge

ZHENG Yuanxun, YANG Peibing

(SchoolofHydraulicsandEnvironment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001，China)

The hanging basket structure was designed in the light of construction condition, and the stiffness, strength and stability of hanging basket were verified by using pre-loading experiment. The safety of hanging basket forced structure and key anchoring components were verified by numerical calculation. In order to reduce the inelastic deformation of hanging basket assembly skeleton, and check if the stiffness and strength could meet the design requirement under pre-loading condition, the pre-loading experiment was performed by pile-loading gravel symmetrically on hanging basket structure. To verify the actual mechanical property and ensure the safety of hanging basket during construction period, the stress and deformation of hanging basket under pre-loading condition were monitored by laying the strain and displacement gauges on the main stress components, back anchor and former suspender of hanging basket . The results showed that the design of hanging basket was reasonable, and its bearing capacity could meet the design requirements under the pre-loading condition.

rigid frame bridge; hanging basket construction; hanging basket design; pre-loading; safety monitoring

2015-07-05

中國(guó)博士后面上基金資助項(xiàng)目，編號(hào)79439；河南省交通運(yùn)輸廳科技攻關(guān)項(xiàng)目，編號(hào)2013-12-12;河南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目，編號(hào)2014K37-2.

鄭元?jiǎng)?1978—)，男，河南駐馬店人，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)耐久性、結(jié)構(gòu)監(jiān)控與檢測(cè)研究，E-mail:yxzheng@zzu.edu.cn.

鄭元?jiǎng)?，楊培?剛構(gòu)橋梁懸臂施工掛籃設(shè)計(jì)及預(yù)加載試驗(yàn)研究[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2015，47(4)：108-112.

U446.1

A

1671-6841(2015)04-0108-05

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.04.021