大跨度寬體連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃優(yōu)化設(shè)計(jì)

龍兵

(珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,廣東珠海 519000)

大跨度寬體連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃優(yōu)化設(shè)計(jì)

龍兵

(珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,廣東珠海 519000)

以某大跨度寬體連續(xù)剛構(gòu)橋工程為實(shí)例,針對大跨度寬體連續(xù)剛構(gòu)橋工程施工進(jìn)行了分析,并詳細(xì)闡述了大跨度寬體連續(xù)剛構(gòu)橋工程懸臂施工中掛籃的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

大跨度寬體連續(xù)剛構(gòu)橋;掛籃懸臂施工;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0　引言

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展,橋梁的跨越能力越來越強(qiáng),各類大跨徑橋梁在我國修建,其中大跨度寬體連續(xù)剛構(gòu)橋在設(shè)計(jì)中的頻繁采用尤為突出。特別是在山區(qū),由于受地理?xiàng)l件的限制,高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋修建得越來越多。由于高墩大跨主梁是通過掛籃懸臂澆筑的,所以掛籃的設(shè)計(jì)與施工就顯得極其重要。

1　工程概況

某項(xiàng)工程橫穿峽谷,峽谷兩側(cè)的山嶺均較為陡峭,并且兩側(cè)高度相差較大。該工程的跨徑為2 m+76 m+42 m,設(shè)計(jì)剛構(gòu)橋橫跨兩側(cè)高度相差峽谷,并且設(shè)置匝道;設(shè)計(jì)梁面橫坡為3%,主橋墩高度56～104 m,橋面寬度25.25 m,橋梁底部寬度7.25 m,并且設(shè)計(jì)單箱雙室鋼筋;混凝土懸臂最長為4 m,最重為203.4 t。

2　懸臂施工技術(shù)難點(diǎn)

(1)該項(xiàng)工程存在3%的橫坡,高度差異較大,兩側(cè)具有75.75 cm的高度差異。由于這種大橫坡的現(xiàn)狀,導(dǎo)致剛構(gòu)橋掛籃也具有很大的高度差,因此,探究解決剛構(gòu)橋掛籃高度差異的有效措施尤為重要。

(2)該大橋的橋底寬度為17.25 m,橋面寬度為25.25 m,導(dǎo)致橫梁跨越幅度較大,因此,該項(xiàng)工程對自身重量、剛度提出較高的要求。

3　掛籃優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1合理選擇掛籃形式

在掛籃形式的選擇過程中,最先考慮的就是菱形掛籃、三角掛籃,兩者都是常見的掛籃形式,均存在優(yōu)勢和劣勢:菱形形式的掛籃重心通常較高,具有較大的作業(yè)空間,因此干擾施工人員的因素較少;三角形式掛籃具有較低的重心,良好的穩(wěn)定性,并且自身重量較輕,因此走行過程較為輕便「1]。全面考慮上述兩種形式的優(yōu)勢和劣勢,本次工程進(jìn)行創(chuàng)新性研究,設(shè)計(jì)一種全新的掛籃形式,稱之為“異形三角形式掛籃”。異形三角的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)兩個不等的三角形,并且將拉板式作為斜桿,發(fā)揮其受力受拉的作用。這樣的設(shè)計(jì)不僅可提高建筑材料的利用率,而且可有效降低掛籃自身的重量。此種掛籃的前端采用菱形掛籃的原理,可有效縮小前主梁的仰角大小,這樣可采用水平角度,上斜板呈現(xiàn)10。,將掛籃重心明顯降低,并且擴(kuò)大作業(yè)的空間,避免施工人員被干擾;后端應(yīng)用三角形式的原理,可降低掛籃自身的重量,便于施工人員走行,提高施工效率。具體見圖1所示。

圖1　掛籃的主桁架結(jié)構(gòu)

3.2掛籃主桁架優(yōu)化分析

3.2.1優(yōu)化掛籃主桁架方案

該大橋懸臂施工的7#號段是最困難的施工,并且位于異形掛籃主桁架的前端處,承載較大的負(fù)荷。經(jīng)計(jì)算,上橫梁支點(diǎn)的最大豎向力為51.4 t。為此,依據(jù)此豎向力進(jìn)行優(yōu)化主桁架的設(shè)計(jì),具體方案圖詳見圖2。

圖2　優(yōu)化主桁架的分析模型

(1)優(yōu)化方案的約束條件

由主桁架的D前端點(diǎn)向BC豎桿作垂直線,其垂直距離始終保持5 320 mm,同時ABC的部分需要經(jīng)施工現(xiàn)場檢查,才可確定,一旦確定下來,就應(yīng)當(dāng)保持一樣,對于此優(yōu)化方案,LAB為3 600 mm, LBC為3 200 mm。

(2)優(yōu)化主桁架的主要參數(shù)

該優(yōu)化方案的變化參數(shù)為水平線、CD桿件間的夾角。經(jīng)過調(diào)研,變化參數(shù)的范圍確定為0?！?1。,采用11級,由上述的分析模型圖可知,當(dāng)變化參數(shù)為0。,異形掛籃主桁架為菱形的桁架,當(dāng)變化參數(shù)為31。,異形掛籃主桁架為三角形的桁架。

優(yōu)化方案旨在保持異形掛籃的主桁架具有最大的豎向剛度,換句話說,盡管在豎向荷載的影響下,前端的D點(diǎn)的變形保持最小。

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3.2.2優(yōu)化方案的分析結(jié)果與討論

按照上述的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,采用軟件Midas-Civil構(gòu)建有限元模型,詳見圖3。表1說明前吊點(diǎn)變形、主桁架桿件應(yīng)力隨夾角的變化關(guān)系。

由圖4～圖6、表1進(jìn)行分析。

圖3　有限元模型

圖4　主桁架前端點(diǎn)豎向變形、夾角變化間的關(guān)系

圖5　主桁架受壓桿件應(yīng)力、夾角的變化間的關(guān)系

表1　前吊點(diǎn)變形、主桁架桿件應(yīng)力隨夾角的變化關(guān)系

圖6　主桁架受拉桿件應(yīng)力、夾角的變化間的關(guān)系

(1)倘若控制夾角在8?！?2。的范圍時,則懸臂支點(diǎn)具有最小的豎向變形,同時只要控制夾角在此范圍,豎向變形受到夾角變化的影響就很小。倘若夾角小于15。,則懸臂支點(diǎn)上的彈性變形將對比20 mm小,符合有關(guān)規(guī)范的要求。倘若夾角超過15。,彈性變形將對比20 mm大,與有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)不符。

(2)夾角變化對AB截面應(yīng)力影響不大,然而對BC截面的壓應(yīng)力產(chǎn)生重大影響,可導(dǎo)致應(yīng)力快速從74.5 MPa變化增長到124.8 MPa。同時,夾角大小和BD應(yīng)力成反比,夾角變小,BD應(yīng)力反而增大,逐漸接近AB截面應(yīng)力。BC、BD兩者的應(yīng)力變化曲線在10?！?2。的范圍相交,然而因?yàn)锽C長度明顯短于BD,所以基于穩(wěn)定性相同的環(huán)境下,BC應(yīng)力可比BD大?？梢?基于最佳杠件受力的視角,優(yōu)化方案的主桁架最優(yōu)夾角控制在8?！?2。。的范圍內(nèi)。

(3)夾角變化對AC無影響,但是夾角大小和CD內(nèi)的應(yīng)力呈現(xiàn)正比,倘若夾角小于12。,則CD內(nèi)的應(yīng)力變化幅度將會變得很小。

經(jīng)過上述分析表明,此優(yōu)化方案的異形掛籃中的主桁架應(yīng)當(dāng)控制在8?！?2。。的范圍內(nèi),全面考慮凈空影響施工操作空間的情況,將變化參數(shù)確定為10。,這是最佳的夾角。

3.3優(yōu)化掛籃前上橫梁的設(shè)計(jì)

該優(yōu)化方案將墊梁、軌道、3片主桁架都設(shè)計(jì)為同樣的高度,可導(dǎo)致相鄰異形掛籃的主桁架間存在高度差異,其高度差異約為25.5 cm,這樣導(dǎo)致前上橫梁支點(diǎn)高度差異也為25.5 cm。倘若方案中使用通長的設(shè)計(jì),則帶來兩方面的難度,一方面51 cm高度差異的問題,另一方面對前上橫梁抗扭施工更加嚴(yán)格,通長設(shè)計(jì)對3片主桁架實(shí)現(xiàn)同步走行的要求較高。因此,優(yōu)化方案在中間一片的主桁架處設(shè)計(jì)了階梯式,把前上橫梁設(shè)計(jì)為2跨簡支梁,這樣既很好地解決高度差異的問題,而且達(dá)到同步走行的目的,具體見圖7所示。

圖7　掛籃前上橫梁階梯處理

3.4掛籃底模下橫梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化方案中關(guān)于下橫梁設(shè)計(jì),主要考慮兩種工況:一是在異形掛籃走行的過程中,下橫梁強(qiáng)度、剛度符合有關(guān)規(guī)范;二是最不利節(jié)段下下橫梁強(qiáng)度、剛度符合有關(guān)設(shè)計(jì)的要求。下橫梁通常用于控制掛籃走行過程中的剛度,依據(jù)過去的走形方式,后下橫梁的走行主要是充分利用鋼絲繩、葫蘆掛在滑移梁上,也就是說,其受力跨度就是兩個滑移梁間的距離,因此橫梁的受力跨度約為20.4 m,盡管其承受的重量只是沖擊荷載的一半,但是因?yàn)榇嬖谳^大的跨度,因此還是需要較大的剛度。最佳的解決方案是有效縮小橋梁的受力跨度「2]。然而,怎樣將其縮小呢?為此,在橫梁的下面,安裝兩道支撐滑移梁,如此一來,異形掛籃在走形的過程中,跨度變?yōu)?.8 m,從而有效降低剛度要求,降低異形掛籃自身的重量,并且有效縮小下橫梁的斷面面積,如圖8所示。

圖8　掛籃增設(shè)底模滑移梁

3.5分析增設(shè)底?；屏盒Ч?/p>

由于場地面積、地形等因素的制約,在工程的施工現(xiàn)場,大橋墩身周圍的塔吊(TC5613-6)在進(jìn)行施工機(jī)器、工具、材料等垂直運(yùn)輸過程中,6 t為最大起吊重量。倘若單根構(gòu)件的重量已經(jīng)重于6 t,墩身具有很大的高度,在高空進(jìn)行拼裝、焊接工作具有很大的施工風(fēng)險,則不宜采用塔吊完成構(gòu)件運(yùn)輸。可見,異形掛籃單根構(gòu)件的重量不應(yīng)該比6 t重。

下橫梁可依照兩種工況進(jìn)行設(shè)計(jì):一是異形掛籃在空載走行過程中,下橫梁強(qiáng)度、剛度應(yīng)當(dāng)符合有關(guān)的設(shè)計(jì)要求;二是最不利節(jié)段的澆筑過程中,下橫梁強(qiáng)度、剛度也應(yīng)當(dāng)符合有關(guān)的設(shè)計(jì)要求。下橫梁通常取決于走行過程的剛度,依據(jù)過去傳統(tǒng)的走行,后下橫梁的走行是充分利用鋼絲繩、葫蘆掛在滑移梁上,也就是說,兩外側(cè)的支點(diǎn)間距離是20.4 m。由于最大彎矩、梁跨度、荷載間存在緊密的聯(lián)系,因此在掛籃建設(shè)過程中應(yīng)當(dāng)全面考慮這點(diǎn)。為此,優(yōu)化方案增設(shè)支承點(diǎn)數(shù)目,以達(dá)到有效縮小后下橫梁構(gòu)件的跨度的目的。按照此原理,在施工下橫梁的過程中,安裝2道縱向的滑移梁。也就是說,在異形掛籃走行時,它們可支撐下橫梁,如此一來,有效減少異形掛籃在走行過程中的受力跨度大小,并且無需較大剛度,縮小下橫梁橫截面的面積,實(shí)現(xiàn)減輕自身重量的目的。為了闡述滑移梁增設(shè)的意義,進(jìn)行受力分析,詳見表2。

表2　受力分析情況對比

可依據(jù)等應(yīng)力原則闡述滑移梁的作用。例如,倘若需要具有滑移梁同樣的應(yīng)力,則工程橫梁最小剛度是Wx=7 500 cm3。經(jīng)查閱型鋼表,可知工字鋼型號為56 c,并且模量Wx=2 551 cm3,應(yīng)當(dāng)采用3根構(gòu)件,則模量為Wx=3×2 551=7 653 cm3,只有這樣,才能符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。這樣,后下橫梁的重量轉(zhuǎn)變?yōu)?6 c的3拼(6 696 kg=3×27 m×124 kg/m),不再是22 a雙拼(1 782 kg=2×27 m×33 kg/m),可知兩者具有較大重量差異,約為4 914 kg,明顯增加異形掛籃的自身重量,并且增加加工、選型的難度。單根構(gòu)件的重量為6.696 t,明顯大于6 t,比最大吊裝量還要重,明顯不能通過塔吊進(jìn)行垂直運(yùn)輸。

此外,經(jīng)過撓度分析,認(rèn)為如果利用工字鋼56 c的3拼當(dāng)作承重構(gòu)件,最大撓度為53.85 mm,明顯比容許撓度大,仍然不符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過上述分析可知,增設(shè)滑移梁可有效減小最大彎矩。當(dāng)異形掛籃走形時,最大彎矩由不增設(shè)滑移梁的Mmax=40.57 t·m變?yōu)镸max=3.51 t·m,可見,滑移梁可較大幅度降低最大彎矩。如果依據(jù)應(yīng)力原則選擇截面,在滑移梁增設(shè)的情況下,滑移梁、底模橫梁的總重量為2×1 782 kg+4×10× 39.173 kg=5 131 kg。顯然,異形掛籃自身的重量減少8 261 kg,具有十分明顯的效果。較大幅度降低異形掛籃自身的重量,可較好解決下橫梁的撓度過大、重量限制等問題。

4　結(jié)語

總而言之,作為市場經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)計(jì),橋梁也是世界各國重點(diǎn)建設(shè)工程。本次經(jīng)過系統(tǒng)驗(yàn)算,并且進(jìn)行實(shí)際施工應(yīng)用,證實(shí)了異形三角掛籃的安全性、可靠性。大橋建設(shè)應(yīng)當(dāng)積極研發(fā)創(chuàng)新的掛籃形式,并且將其應(yīng)用在連續(xù)剛構(gòu)橋工程懸臂施工過程中,提高剛構(gòu)橋的建設(shè)水平。

「1] 劉洪海.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工控制的實(shí)踐「J]. 中國水運(yùn)(下半月),2014(10):232-233.

「2] 姚樂.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工技術(shù)控制「J]. 黑龍江交通科技,2013(11):97.

U445.4

B

1009-7716(2015)12-0097-04

2015-07-22

龍兵(1983-),男,湖南安化人,工程師,從事路橋設(shè)計(jì)工作。