復(fù)雜環(huán)境重載鐵路大節(jié)段大噸位掛籃設(shè)計(jì)

胡啟軍

【摘 要】針對(duì)重載鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋具有墩高、節(jié)段長(zhǎng)、重量大等特點(diǎn)，位于大風(fēng)區(qū)且必須冬季施工，給掛籃設(shè)計(jì)、施工帶來了極大難度，掛籃設(shè)計(jì)過程中既要滿足受力、保溫要求，又要方便掛籃的行走，且不影響掛籃標(biāo)高控制及內(nèi)部保溫。本文通過數(shù)值模擬、理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)合的方式，針對(duì)本橋特點(diǎn)自行研制了抗風(fēng)性能較強(qiáng)的自行式新型掛籃，采用新型滑移系統(tǒng)裝置作為掛籃前移裝置，方便掛籃前移。保溫方面設(shè)計(jì)了移動(dòng)式保溫棚進(jìn)行包裹提高內(nèi)部施工溫度。

【關(guān)鍵詞】高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋；掛籃；保溫棚；監(jiān)控

1.前言

目前，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋基本采用懸臂澆筑的方式施工，在橋墩較高的情況下，剛構(gòu)在懸臂施工過程中，掛籃的振動(dòng)響應(yīng)將會(huì)影響到剛澆注完成的混凝土的初凝、終凝以及尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的混凝土的養(yǎng)護(hù)，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)的混凝土達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度值，甚至使結(jié)構(gòu)在施工階段就出現(xiàn)裂縫。同時(shí)，掛籃過大的抖振會(huì)危害到一些機(jī)械的使用及安全性能以及在結(jié)構(gòu)上工作人員的安全。因此針對(duì)低溫大風(fēng)高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的懸臂施工過程的特點(diǎn)，對(duì)此狀態(tài)下的帶防護(hù)棚掛籃的抗風(fēng)性能分析具有重要的意義。

2.工程概況及特點(diǎn)

大沙溝特大橋?yàn)槊禾窟\(yùn)輸專用線重載鐵路控制性工程，橋跨結(jié)構(gòu)為10～32m簡(jiǎn)支T梁，兩聯(lián)（60+3×100+60）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁位于10#墩～20#墩，其中10#墩～15#墩為第一聯(lián)，15#墩～20#墩為第二聯(lián)，其中12#、13#、17#、18#為剛構(gòu)墩。

大橋地處區(qū)域?qū)俅箨懠撅L(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)，溫差較大，干燥多風(fēng)，大風(fēng)出現(xiàn)期較長(zhǎng)，主要出現(xiàn)在10月份至來年5月，年平均風(fēng)速1.8～3.4m/s，最大風(fēng)速（ 瞬時(shí)） 29.7m/s，年極端最高氣溫37.9.℃，極端最低氣溫-40.4℃。大沙溝特大橋最高墩高達(dá)106 m，地面與墩頂溫差高達(dá)10度。連續(xù)剛構(gòu)跨度較大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。根據(jù)工程所在地多年氣候條件，為加快施工建設(shè)，盡可能地縮短工期，提高整體的經(jīng)濟(jì)效益，連續(xù)梁需進(jìn)行冬季施工。

3.帶保溫棚掛籃的抗風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 掛籃抗風(fēng)計(jì)算

3.1.1 模型建立。

由于掛籃內(nèi)模及外模系統(tǒng)的荷載主要作用在各自的導(dǎo)梁上，因此建模過程中對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)做如下簡(jiǎn)化：將掛籃內(nèi)模及外模系統(tǒng)換算成相應(yīng)荷載均布在各自導(dǎo)梁上，忽略各桿件間的螺栓孔、銷孔及工藝槽等對(duì)分析結(jié)構(gòu)影響不大的微小結(jié)構(gòu)，忽略各連接處筋板的作用，不考慮焊縫處材料特性的變化，認(rèn)為焊縫處材料與相鄰結(jié)構(gòu)的材料性能形同，桿件間銷軸連接采用釋放梁端約束模擬，桿件采用梁?jiǎn)卧M。

有限元分析模型如下：

3.1.2 結(jié)構(gòu)受力結(jié)果分析。

結(jié)構(gòu)最大橫向位移18.9mm，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力140.3mPa，最大壓應(yīng)力176.6mPa。

計(jì)算得到板單元最大壓應(yīng)力70.9mPa，結(jié)構(gòu)最大彎矩310.5kN*m，最大軸力1481.9kN，結(jié)構(gòu)最大反力1481.9k。結(jié)構(gòu)一階穩(wěn)定系數(shù)23.9，二階穩(wěn)定系數(shù)26.2，三階穩(wěn)定系數(shù)26.6。故結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、雪荷載、防護(hù)棚等附加荷載作用下，穩(wěn)定性滿足要求。

然后采用非線性接觸分析方式對(duì)銷軸及節(jié)點(diǎn)板局部接觸應(yīng)力計(jì)算分析，模擬結(jié)構(gòu)圖如下所示：

節(jié)點(diǎn)板及桿件局部接觸銳角邊處極值達(dá)到250mPa，大于Q235鋼材質(zhì)屈服點(diǎn)235mPa，實(shí)際應(yīng)用中可能有輕微塑性變形。

根據(jù)以上驗(yàn)算結(jié)果，在大風(fēng)、低溫條件下掛籃設(shè)計(jì)采取的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施可行，掛籃各桿件及防護(hù)棚受力數(shù)值均在容許范圍內(nèi)，滿足使用要求。

3.2 掛籃應(yīng)力監(jiān)控

通過對(duì)受力最大節(jié)段的實(shí)際監(jiān)控，得出掛籃主要部位結(jié)構(gòu)受力的實(shí)際受力值，通過與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，繪制曲線結(jié)果如下圖：

根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可知在腹板澆筑完成后，結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力增加不大，在澆筑完成15小時(shí)后，結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力略有減小，說明鋼筋砼參與共同受力，在理論計(jì)算時(shí)，沒有考慮鋼筋砼共同作用。掛籃主桁架型鋼、掛籃吊帶、防護(hù)棚等構(gòu)件所受力均低于型鋼抗拉強(qiáng)度，滿足使用要求。

4.移動(dòng)式保溫棚的設(shè)計(jì)

節(jié)段外側(cè)采用移動(dòng)式保溫棚，保溫棚采用型鋼焊接，通過橋面翼緣板上的鋼軌可整體移動(dòng)。橋面上為方便人員及小型運(yùn)輸設(shè)備通行，設(shè)置門形框架，橋面下為U型骨架。

根據(jù)保溫棚的耗熱量計(jì)算公式：，當(dāng)保溫棚內(nèi)溫度10℃，大氣溫度為-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃時(shí)，保溫棚的耗熱量Q分別為：102363w、127953w、153544w、179135w、204726w。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度為-30℃時(shí)，每個(gè)掛籃可選用5臺(tái)D20工業(yè)暖風(fēng)機(jī)結(jié)合無煙煤火爐供暖。

5.重載鐵路施工線形監(jiān)控

為了確保成橋線形及內(nèi)力符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，必須進(jìn)行橋梁施工過程的監(jiān)控。在施工過程中根據(jù)施工監(jiān)測(cè)的成果對(duì)誤差進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)及調(diào)整后續(xù)梁段的立模標(biāo)高，以確保施工過程中結(jié)構(gòu)的可靠度和安全，確保合攏精度和體系轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行，最終使成橋后的橋面線形、內(nèi)力符合設(shè)計(jì)要求、滿足設(shè)計(jì)理念。

5.1 主梁的線性檢測(cè)

主梁線形控制主要依靠施工控制計(jì)算和箱梁各節(jié)段撓度及標(biāo)高控制來完成，箱梁撓度及標(biāo)高控制則通過對(duì)梁頂、梁底標(biāo)高進(jìn)行觀測(cè)，再結(jié)合理論控制計(jì)算結(jié)果達(dá)到控制目的。建立相應(yīng)的施工控制測(cè)量網(wǎng)，通過對(duì)施工過程中每一梁段標(biāo)高實(shí)施監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)施工過程中箱梁軸線位置的變化情況，以保證懸臂施工的懸臂合龍平面誤差控制在設(shè)計(jì)要求和規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。

5.2 主梁應(yīng)力監(jiān)控

大沙溝特大橋應(yīng)力測(cè)試斷面的選擇考慮以下因素：①結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵截面；②施工流程；③本橋自身特點(diǎn)；④結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。

5.3溫度應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)測(cè)

環(huán)境溫度的測(cè)量采用電子溫度計(jì)，每一聯(lián)設(shè)置3個(gè)截面：中跨1/4截面、1/2截面，邊跨1/2截，溫度場(chǎng)的測(cè)量采用JTM-T4000型溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

由于混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性能較差，周圍環(huán)境溫度的變化和陽光照射不同等原因使其表面溫度和內(nèi)部溫度形成較大的溫度梯度。溫度測(cè)點(diǎn)的布置將要反映這種梯度的變化。主梁溫度場(chǎng)設(shè)選擇氣溫變化較大的一天進(jìn)行全天測(cè)試。每隔2個(gè)小時(shí)測(cè)試一次，分析溫度場(chǎng)隨氣溫變化的規(guī)律；在合攏時(shí)，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行一次全天測(cè)試。

6.結(jié)論

（1）針對(duì)低溫、大風(fēng)、高墩、大節(jié)段預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋帶防護(hù)棚掛籃的抗風(fēng)分析，通過改進(jìn)掛籃設(shè)計(jì)，減小了掛籃的振動(dòng)響對(duì)剛澆注完成的混凝土的初凝的影響，自動(dòng)前置裝置方便了施工，增加了掛籃上機(jī)具與工作人員的安全性。

（2）對(duì)于低溫大風(fēng)區(qū)高墩大節(jié)段、大噸位掛籃展開抗風(fēng)性能及保溫措施的研究，對(duì)于提高我國(guó)高墩大跨度橋梁的發(fā)展有著十分重要的意義。本研究成果可應(yīng)用于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工中，將對(duì)減少高墩大跨剛構(gòu)橋懸臂施工風(fēng)險(xiǎn)以及提供保障冬季施工溫度的合理建議，其應(yīng)用領(lǐng)域可推廣其它同類型的橋梁。

（3）通過對(duì)大節(jié)段、大噸位掛籃實(shí)施施工監(jiān)控，對(duì)結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力和位移狀態(tài)進(jìn)行了有效的控制，使橋梁結(jié)構(gòu)始終處于安全的可控狀態(tài)。

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