菱形掛籃與三角形掛籃之比較

付勝元　邱志偉

【摘 要】掛籃懸臂澆筑法已廣泛應(yīng)用于大跨徑橋梁的施工之中，掛籃是連續(xù)梁橋懸臂澆筑施工過(guò)程中必須的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，關(guān)系到施工的安全以及后期橋梁的線形控制。掛籃具有很多功能，如：支撐模板、調(diào)整標(biāo)高、承受新澆筑的混凝土的重量及提供相應(yīng)的進(jìn)行張拉和注漿的平臺(tái)。按照承重結(jié)構(gòu)的形式又可以分為：桁架式、斜拉式和牽索式。其中桁架式又包括平行桁架式、三角形、菱形、和弓弦式、斜拉式包括三角斜拉式、預(yù)應(yīng)力斜拉式。其中，掛籃質(zhì)量和梁段混凝土的質(zhì)量比是衡量掛籃設(shè)計(jì)是否合理、材料是否節(jié)省的主要參數(shù)。一般控制在0.3～0.5之間。筆者在2012年～2014年擔(dān)任益陽(yáng)沙頭資江大橋項(xiàng)目總工程師期間，該橋在建設(shè)過(guò)程中，分別采用了菱形掛籃和三角形掛籃。2013年時(shí)對(duì)兩種掛籃結(jié)構(gòu)形式在受力、變形、穩(wěn)定性和操作安全性等方面進(jìn)行對(duì)比分析研究，總結(jié)兩種掛籃的結(jié)構(gòu)選型及受力特點(diǎn)，以論述最終全部改用三角形掛籃（見(jiàn)下圖1）的理由。

【關(guān)鍵詞】懸臂 菱形 三角形 掛籃 比較

1 受力分析比較

從外形上看，兩種形式都是由兩個(gè)直角三角形組成，但也有一定的差別：菱形是三角形的兩條直邊是一條在上方、一條在下方，而三角形的兩條直邊都在下方。在外力P的作用下，每條桿件受力不同，具體受力情況如表1所示。

由圖2可知，菱形如果變成三角形，桿1（長(zhǎng)）由最初的“受壓”變成“受拉”，而桿2（短）由“受拉”變?yōu)椤笆軌骸?，這對(duì)受力很有利。桿4和桿5受力相同，主要的差別在于中間的立柱3，三角形掛籃的受力是菱形掛籃受力的2倍。因此，從受力情況來(lái)說(shuō)，菱形立柱要優(yōu)于三角形立柱。

2 變形分析比較

由以上計(jì)算公式可以看出，三角形掛籃的變形比菱形掛籃變形要大，差值為：

從吊帶的長(zhǎng)度上看，菱形掛籃的吊帶比三角形掛籃的吊帶要長(zhǎng)h，也就是說(shuō)菱形吊帶的變形比三角形大，其差值為：

上式中P1為吊帶承受力的大小，A1為吊帶截面積，則三角形的總變形比菱形大：

益陽(yáng)沙頭資江大橋使用的兩種掛籃在考慮了吊帶的變形以后，通過(guò)計(jì)算比較，三角形掛籃產(chǎn)生的變形與菱形差不多，并無(wú)太大的差別。

3 對(duì)比研究結(jié)果

（1）由于菱形的吊點(diǎn)比三角形要高，因此從整個(gè)空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來(lái)看三角形優(yōu)于菱形，三角形橫向之間的聯(lián)接可比菱形少。（2）從安全操作性來(lái)看三角形也較菱形好，在前橫梁上操作，菱形高度比較高，而三角形只要在兩三角形之間搭上跳板，兩邊三角形亦可作欄桿，非常安全。（3）從變形的角度看，考慮吊帶的變形以后，菱形與三角形差不多，并沒(méi)有太明顯的優(yōu)勢(shì)。（4）掛籃的設(shè)計(jì)是以變形控制為主，在滿足變形要求的前提下，強(qiáng)度是不成問(wèn)題的，盡管三角形掛籃其立柱受力是菱形的兩倍，在滿足變形要求的前提下，菱形改成三角形掛籃、立柱的強(qiáng)度仍然足夠，并不因此要加大立柱的截面積，相反菱形改成三角形可減少吊帶和吊桿的長(zhǎng)度，節(jié)省材料和費(fèi)用。

綜上所述，筆者認(rèn)為三角形掛籃較菱形有更多的優(yōu)勢(shì)。

4 三角形掛籃的最佳高度

在跨度L一定的情況下，高度h越大各桿件的受力就越小，使用材料的截面積可減小，但太高會(huì)使使用材料的總長(zhǎng)度增加；h小使用材料長(zhǎng)度小，但由于桿件受力增大，桿件截面積要增大，因此在材料總量一定的情況下，存在一個(gè)合理的高度和截面積使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的變形最小，三角形桁架使用材料總質(zhì)量為：

5 結(jié)語(yǔ)

在所有的掛籃中，平行桁架式的材料沒(méi)有很高的利用系數(shù)。弓弦式掛籃的受力相對(duì)合理，但桿件較多，運(yùn)行很復(fù)雜。因此，這次掛籃主要在斜拉式、三角形和菱形掛籃中選擇。三種掛籃式相比較，斜拉式掛籃的受力機(jī)制和傳力機(jī)制都比較合理，但它需要設(shè)置限位裝置在底?？v梁和主梁的尾部，并且需要在每個(gè)施工循環(huán)中增加相應(yīng)的工具來(lái)安裝和拆卸斜拉桿、限位裝置等，加大了施工的難度。因此，在各種掛籃之中，三角形和菱形掛籃較為常用。這兩種掛籃在推移時(shí)較為方便，在安全性能方面也高于斜拉式掛籃。雖然三角形掛籃在受力方面稍遜于斜拉式和菱形掛籃，在施工操作面也不夠?qū)挸ǎ炔簧狭庑螔旎@，但它的受力點(diǎn)較低，穩(wěn)定性較好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于菱形掛籃，且節(jié)約了很多橫向聯(lián)系鋼材。此外，三角形掛籃的工作量比菱形和斜拉式掛籃少，加工工藝要求較低，加工方便，主桁桿件少，傳力簡(jiǎn)捷，受力明確，成本低，加工簡(jiǎn)單，安裝方便，對(duì)型鋼基本不具破壞力，掛籃的回收價(jià)值相對(duì)較高。因此，該橋的施工經(jīng)過(guò)分析比較，最終選擇全部改用三角形掛籃。在實(shí)際應(yīng)用中，三角形掛籃的各項(xiàng)指標(biāo)與計(jì)算結(jié)果也比較吻合，且重量較輕、剛度大、移動(dòng)方便快捷，很好的創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。掛籃目前在朝著輕型化的方向發(fā)展，但同時(shí)要考慮到掛籃的剛度、強(qiáng)度等，確保掛籃的穩(wěn)定性，提高橋梁施工的安全、質(zhì)量和速度。自重可能略有增加，但在一定程度上節(jié)約了總成本?？傊?，需綜合考慮各方面因素，才能達(dá)到效益的最優(yōu)化。

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