拱橋懸臂澆筑掛籃設(shè)計的探討

摘"要：本文主要針對拱橋懸臂澆筑掛籃的設(shè)計展開了探討，通過結(jié)合具體的工程實例，簡要概述了懸臂澆筑掛籃設(shè)計的難點，并對掛籃的設(shè)計和驗算作了系統(tǒng)的分析，以期能為有關(guān)方面的需要提供有益的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：拱形橋梁;懸臂澆筑;掛籃設(shè)計

由于懸臂澆筑法克服了傳統(tǒng)施工方法的一些缺點，因此，近年來，國內(nèi)外廣泛將懸臂澆筑法用于修建大跨度鋼筋混凝土拱橋。而掛籃作為懸臂澆筑法施工中最重要的設(shè)備，對其的施工設(shè)計就需要引起相關(guān)建設(shè)單位的重視，通過做好有關(guān)的設(shè)計工作，保障懸臂澆筑的施工，從而保障整個拱橋工程質(zhì)量。

1"工程概況

該橋橋位區(qū)兩岸為陡崖，中部為U形溝谷。全橋跨徑布置為2×30+165+4×30m，其主橋為懸鏈線箱形拱，凈跨徑165m，凈矢高30m，凈矢跨比1/5.5，拱軸系數(shù)m=1.988。主拱圈為單箱雙室箱形截面，寬7.5m、高2.8m。主拱圈縱向共分為27個節(jié)段，其中兩岸拱腳1號節(jié)段為支架現(xiàn)澆段，拱頂為合龍段，其余24個節(jié)段采用掛籃懸臂澆筑施工。懸臂澆筑整體布置見圖1。

圖1大橋懸臂澆筑整體布置圖

2"懸臂澆筑掛籃設(shè)計難點

該橋箱拱懸澆施工節(jié)段長（最長7.14m）、傾斜角大（最大傾斜角為35°）、重量較重（最重節(jié)段146t），施工周期短，掛籃設(shè)計需解決的問題主要有：掛籃的大結(jié)構(gòu)尺寸，同時滿足受力、變形以及穩(wěn)定性要求;掛籃輕型化;掛籃的斜爬與止退。

根據(jù)工程的實際特點，在掛籃設(shè)計上作了如下方面的考慮：主桁系統(tǒng)和底籃系統(tǒng)結(jié)合，增加結(jié)構(gòu)的整體剛度;掛籃行走和混凝土澆筑時，掛籃的支承系統(tǒng)分離，以適應(yīng)不同受力的需要;設(shè)置抗剪臂，抵抗?jié)仓炷吝^程中掛籃下滑;在拱背上預(yù)埋地腳螺栓，通過螺帽錨固軌道，從而實現(xiàn)在較大傾角下掛籃的移動;依靠后端的滾輪支反力對滑船產(chǎn)生的力矩，平衡掛籃自重產(chǎn)生的傾覆彎矩。

3"掛籃設(shè)計

3.1"設(shè)計思路

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有掛籃的施工特點、操作工藝、用料情況等進行分析和研究，結(jié)合該橋懸臂澆筑設(shè)計分段長度、梁段重量、外形尺寸、斷面形式等因素，同時考慮施工荷載和掛籃遠期適應(yīng)性、通用性，該橋掛籃設(shè)計總體思路如下：

（1）選用一種受力合理、安全可靠、剛度較大的輕型結(jié)構(gòu)作為掛籃承重主桁。

（2）力求結(jié)構(gòu)輕巧，掛籃自重控制在50t以內(nèi)，吊升系統(tǒng)采用大直徑高強絲桿，使錨固、裝拆方便，調(diào)整簡單。充分利用型鋼、貝雷等既有定型高強輕質(zhì)鋼材，減少構(gòu)件的加工量和提高構(gòu)件的周轉(zhuǎn)率，節(jié)約成本。

（3）根據(jù)箱形拱橋斷面結(jié)構(gòu)，考慮施工方便、快捷，降低勞動強度等因素，在縱梁的外側(cè)設(shè)眼鏡蛇式掛鉤，在掛鉤上端部設(shè)千斤頂和滑船，以便掛籃斜向移動。

（4）掛籃行走、側(cè)模移動均采用液壓裝置，加快懸澆速度的同時達到提高生產(chǎn)效率和降低工人勞動強度的目的。

（5）能夠承受懸澆時箱拱混凝土等傳遞的沿縱軸線推力，通過設(shè)于掛籃縱梁中偏后部的抗剪臂作用于已澆筑完成的主梁梁體上，以保證掛籃的相對移動。

（6）取消后錨裝置，既減輕了掛籃自重又能滿足穩(wěn)定性要求。

（7）盡可能增大作業(yè)空間以改善施工條件，且適用于合龍段施工。

3.2"掛籃總體構(gòu)造

倒掛式三角斜爬掛籃主要由型鋼和鋼板組焊構(gòu)件組成，包括主桁系統(tǒng)、止退系統(tǒng)、支反力系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、工作平臺及安全防護6大系統(tǒng)。掛籃全長16.0m，總高8.32m;承重部分采用三角形桁架，桁高4.30m，兩三角主桁片中心距為5.0m。掛籃整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2"倒掛式三角斜爬掛籃整體結(jié)構(gòu)圖

（1）主桁系統(tǒng)：包括縱梁、橫梁、斜桿、豎桿、掛鉤及穩(wěn)定桁架。

（2）止退系統(tǒng)：包括抗剪臂、支擋裝置、鋼墊板等。

（3）支反力系統(tǒng)：包括臥式千斤頂、絲桿及鋼墊板等。

（4）走行系統(tǒng)：包括軌道、滑船、頂推盒、千斤頂、主桁結(jié)構(gòu)上的行走滾輪、限位輪鋼墊板、銷軸及螺栓等。隨著千斤頂?shù)牟粩囗斖?、不斷更換銷軸和接長軌道，掛籃不斷向前移動，由于掛籃的重心靠前，掛籃尾部的滾輪隨著掛籃的移動在梁底不斷滾動。為防止結(jié)構(gòu)左右晃動，掛籃兩側(cè)還裝有三對限位輪。

（5）模板系統(tǒng)：包括底模、側(cè)模、內(nèi)模、頂模、頂模支架及移動外架等。通過掛籃尾部的后支點千斤頂頂升（卸油）來調(diào)整立模標(biāo)高。

（6）工作平臺及安全防護系統(tǒng)：包括前工作平臺、側(cè)向工作平臺及后吊架3部分。

4"掛籃驗算

4.1"傳力機理

4.1.1"受力平衡關(guān)系分析

倒掛式三角斜爬掛籃主縱梁位于箱形拱橋底面，通過中掛點B和后錨點A與已澆注的混凝土梁段連接，水平止退位于D點，R1、H、R2為已澆梁段給掛籃提供的相關(guān)反力（圖3）。G和W分別為掛籃自重（包括施工荷載）和待澆梁段混凝土重。

圖3掛籃受力原理圖

根據(jù)力的平衡，有：

Gsinα+Wsinα=H""""""""""""""""""""（1）

Gcosα+Wcosα+R1=R2""""""""""""""（2）

L2·Gcosα+L3·Wcosα+H·h=L1·R1"""""""（3）

將式（1）代入到式（3），得：

（4）

將式（4）代入到式（2），得：

（5）

式（1）、（4）、（5）反映了掛籃反力與懸澆梁段之間的關(guān)系，當(dāng)W=0時，該3式是掛籃空載時的反力。其反力為：

H=Gsinα"""""""""""""""""""""""""（6a）

（6b）

（6c）

掛籃從第2個節(jié)段開始懸澆，直至拱圈合龍，G值在整個懸澆過程中為常數(shù)，假定每個節(jié)段W值相同，隨著α由大變小，在空載和懸澆狀態(tài)下，H值由大變小，R1、R2均是由小變大。

4.1.2"荷載傳遞路徑

混凝土澆筑過程中，掛籃構(gòu)件傳力過程如圖4所示。

圖4澆筑混凝土?xí)r掛籃構(gòu)件的傳力過程

4.2"荷載計算假定及取值

4.2.1荷載計算假定

（1）模板、施工荷載按均布荷載考慮;

（2）忽略待澆梁段由于曲率變化而引起混凝土分配荷載的變化;

（3）忽略橫向混凝土不均單獨引起的橫向偏載和節(jié)段前后高差對結(jié)構(gòu)受力的影響;

（4）箱梁外側(cè)模自重及外側(cè)模上馬蹄形混凝土重，通過外側(cè)模直接傳遞給底模;

（5）風(fēng)荷載只在掛籃行走時考慮。

4.2.2荷載取值

每節(jié)段重量及分配給掛籃的計算重量見圖5。

圖5"待澆筑混凝土體積與掛籃承重體積對照圖

4.3"分析工況

針對該橋懸澆掛籃的服役期，根據(jù)設(shè)計節(jié)段長度的變化，擬定第2、4、6、12共4個施工節(jié)段工況，其混凝土重量對掛籃構(gòu)件的效應(yīng)可以涵蓋其他施工節(jié)段，掛籃構(gòu)件內(nèi)力計算即以這4個施工節(jié)段為基準(zhǔn)，空掛籃狀態(tài)則以第12施工節(jié)段為基準(zhǔn)計算。

荷載組合工況如表1所示。

表1""荷載組合工況

注：（1）代表混凝土重量;（2）代表掛籃自重;（3）代表施工振動荷載;（4）代表混凝土偏載;（5）代表施工機具與人群荷載;（6）代表風(fēng)荷載;（7）代表掛籃移籃沖擊荷載;（8）代表其他荷載。

4.4"計算及結(jié)果分析

（1）計算模型

根據(jù)該掛籃的受力特點，建立掛籃空間Midas""civil模型，進行三維整體性分析。掛籃整體計算模型如圖6所示。

圖6"掛籃整體計算模型

（2）主要計算結(jié)果

主要計算結(jié)果見表2。

表2""掛籃在各種工況下的受力及穩(wěn)定性分析結(jié)果

由表2可以看出：

（1）主桁各構(gòu)件在工況1～5情況下，各彎曲應(yīng)力均<145MPa（容許值），軸向應(yīng)力<140MPa（容許值），剪應(yīng)力也<85MPa（容許值），其強度及剛度滿足要求。

（2）掛籃在工況1～5情況下失穩(wěn)模態(tài)的最小穩(wěn)定性系數(shù)為3.86>2.0，其整體穩(wěn)定性滿足要求。

4.5"掛籃靜載試驗

為檢驗掛籃的承受能力和穩(wěn)定性，消除掛籃的非彈性變形，為箱梁施工控制提供數(shù)據(jù)，掛籃正式懸澆施工前進行靜載試驗。利用塔吊提升砂袋至底模上逐級進行加載試壓，分4級加載和4級卸載。每級加卸載前后測試其應(yīng)力和撓度，為減小溫度影響，應(yīng)力測試采用電阻應(yīng)變片橫向溫度自補法，撓度采用精密水準(zhǔn)儀配標(biāo)尺進行觀測。

由靜載試驗結(jié)果可知，掛籃各構(gòu)件在試驗過程中未出現(xiàn)不良現(xiàn)象;焊縫未出現(xiàn)裂紋，整體焊接質(zhì)量良好;掛籃彈性變形試驗值較理論計算值稍低，剛度滿足要求。

5"結(jié)語

綜上所述，掛籃作為懸臂澆筑專用設(shè)備，不僅是施工梁段的承重結(jié)構(gòu)，還是施工梁段的作業(yè)平臺。因此，做好掛籃設(shè)計的工作非常重要。本文就拱橋懸臂澆筑掛籃的設(shè)計進行了探討，相信對有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

參考文獻：

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