狼沖口特大橋菱形掛籃施工計算分析

吳剛剛

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

隨著交通網(wǎng)絡興起和現(xiàn)代橋梁施工技術快速發(fā)展，大跨徑的橋梁修建已逐步成為建設交通樞紐和促進經(jīng)濟發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。對于預應力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，其主梁通常采用掛籃懸臂澆筑施工工藝，不僅具有良好的整體性，還因跨越了河流和深谷等障礙物取得較好的經(jīng)濟性。

1 基本概況

1.1 工程概況

狼沖口特大橋為貫通廣西梧州至柳州高速公路的第一座特大橋，其主橋上部采用(55+100+55)m三跨預應力混凝土連續(xù)箱梁。箱梁斷面為單箱單室截面，橋寬度為12.75 m，梁頂寬度為12.75 m，梁底寬度為6.75 m，翼緣板寬度為3 m，腹板厚度為500～1 300 mm，底板厚度為450～1 150 mm。

1.2 掛籃結構的選型

按照構造結構和受力特點，掛籃大致分為以下幾種類型[1]：桁架式掛籃、斜拉式掛籃以及復合式掛籃，其中桁架式掛籃較為常用。而桁架式掛籃依據(jù)承重主桁架的不同構造形式又可分為平行桁架式掛籃、三角式掛籃以及菱形掛籃等。其中，菱形掛籃具有穩(wěn)定性良好[2]、作業(yè)面開闊[3]以及適用性強等優(yōu)勢，被廣泛用于橋梁建設施工。

2 菱形掛籃結構

2.1 基本結構及工作原理

菱形掛籃通常包括菱形桁架、吊掛系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、模板系統(tǒng)及張拉操作平臺5個部分[4]。主桁架結構屬于菱形桁架，其由5根受力桿件組成。在施工過程中，前懸臂端與底籃通過分配梁垂直懸吊。

菱形掛籃結構的工作原理：(1)翼緣板混凝土與外側模桁片的重量由外滑梁的前后吊帶支撐，接著傳至前一塊段相鄰的箱梁頂板與前上橫梁；(2)菱形掛籃結構頂板混凝土與內(nèi)箱模板的重量，由內(nèi)滑梁的前后吊帶承受，然后傳至前一塊段相鄰的箱梁頂板與前上橫梁；(3)腹板、底板的混凝土以及底模平臺的重量由前后下橫梁的吊帶承擔，緊接著將荷載重量傳至前一塊段相鄰的箱梁底板與前上橫梁。

2.2 掛籃拼裝與拆卸

掛籃安裝與拆卸流程如圖1所示。掛籃各構件運至現(xiàn)場后，使用塔式起重機配合人工進行掛籃拼裝，各構件進場后要嚴格驗收和檢查。

圖1 掛籃安裝與拆卸流程圖

3 菱形掛籃結構主要施工工藝

3.1 掛籃預壓測試

掛籃預壓主要針對主桁梁、立柱、斜拉帶體系進行加載試驗，驗算其在荷載作用下的強度及剛度穩(wěn)定性，預壓方案如圖2所示，在平整地面對拼菱形主桁承重系統(tǒng)，掛籃后橫梁對拉32精軋螺紋鋼，在主桁支點下用工鋼焊接成板凳模擬掛籃受力時支點，通過在掛籃前吊點處位置設置液壓千斤頂?shù)姆绞竭M行加載。加載等級按計算荷載的50%、100%、110%分三次進行加載，達到設計荷載后，扭緊螺帽持荷24 h，檢查最終撓度，合格后分級卸載。

圖2 掛籃主桁承重架預壓示意圖

3.2 掛籃懸澆施工

對于掛籃懸澆施工過程中的鋼筋綁扎，應依次遵循先底板、再腹板及后頂板的順序進行，而在這些過程之前要確認安裝和調整好模板?；炷琉B(yǎng)護7 d并符合試壓要求標準后即可張拉，順序為：縱向預應力束的張拉→張拉橫向預應力束→加工豎向的應力筋。

預應力束張拉并壓漿完成后，即可松動掛籃吊桿，使掛籃底板離開箱梁底200 mm，這時即可將掛籃前移至下一塊段。施工順序為：菱形掛籃就位→提升底籃并調整標高→綁扎箱梁底板和腹板鋼筋→內(nèi)模就位→綁扎箱梁頂板、翼板鋼筋→澆注混凝土→混凝土養(yǎng)護至設計張拉強度→掛籃卸掛與前移就位，進行下一塊段施工。

3.3 預應力施工

狼沖口特大橋選用大跨度的連續(xù)箱梁結構，采用了縱向、橫向以及豎向三個方向的預應力體系，縱向預應力鋼束和豎向預應力鋼束分別采用低松弛鋼絞線和PSB830螺紋鋼，標準強度分別為1 860 MPa和830 MPa，彈性模量為1.95×105MPa，其它技術要求均要滿足GB5224的規(guī)定。豎向預應力管道采用直徑40 mm金屬波紋管，張拉力的設計值取346.3 kN。縱向預應力束在橫向斷面上應對稱張拉，同時每根鋼束應兩端對稱張拉。

豎向預應力鋼束采用一端張拉方式進行預應力張拉。在張拉過程中，統(tǒng)一斷面的單箱兩個腹板鋼筋必須同時、對稱張拉。張拉結束后，采用切割機割去多余部分，而割后露出螺母以上應滿足長度≥30 mm。豎向精軋螺紋鋼筋張拉程序：0→初應力→σcon(持荷5 min)→0→σcon(錨固)。

3.4 壓漿與封錨

在完成孔道壓漿這道工序之前，為了杜絕冒漿現(xiàn)象的發(fā)生必須要填封孔洞。此外，采用壓縮空氣并結合中性洗滌液反復沖洗管道，直到完全去除這些微小的顆粒。最后，順延著漿體流動的方向逐一封閉出氣孔，保證注入管在壓力下封閉直到壓漿劑凝固。

在壓漿完畢之后適時進行下一步的封錨工作，采用封閉方式并遵循設計規(guī)程對錨固段進行保護處理。箱梁的端部混凝土進行鑿毛之后需保證一定的清潔程度，在進行封錨施工過程中，不僅要求選用與該結構相同強度的混凝土，而且應保證梁體長度控制在一定的尺寸范圍之內(nèi)。

4 荷載計算及模型建立

4.1 基本參數(shù)及模型

該菱形掛籃結構材料參數(shù)均按《鋼結構設計規(guī)范》(GB 50017-2003)[6]取值，泊松比μ=0.3?；炷寥葜厝?6 kN/m3，模板取2.0 kN/m2，人群及施工機具堆放荷載取2.5 kN/m2，而振搗機沖擊荷載取2.0 kN/m2。采用Midas Civil建立計算模型如圖3所示：

圖3 菱形掛籃結構計算模型圖

取最不利工況1#節(jié)段作為最重塊段驗算和最不利工況6#節(jié)段作為最長塊段驗算掛籃結構的承載力和穩(wěn)定性。設計基本參數(shù)和荷載組合分別如表1和表2所示：

表1 掛籃設計基本參數(shù)表

表2 不同的荷載工況組合形式表

4.2 1#塊荷載計算及驗證

4.2.1 底籃計算

(1)底籃縱梁計算荷載如表3和表4所示。

(2)底籃平臺模型受力分析

中縱梁采用Ⅰ32a截面，一只掛籃需要采用16根Ⅰ32a工字鋼。計算中采用程序自帶Ⅰ32a截面，利用其截面特性調整系數(shù)功能對截面特性及自重等幾何性質進行修正，使之與原截面相同，按16根Ⅰ32a工字鋼參與計算，6根中縱梁，10根邊縱梁，見圖4。

表3 底籃中縱梁受力分析(1#塊箱梁底板)表

表4 底籃邊縱梁受力分析(1#塊箱梁腹板)表

注:上述計算分析均為模型中單根縱梁分配的荷載。

(a)底籃平臺彎應力

(b)底籃平臺剪應力

由圖4可知：底縱梁最大彎應力為：93.1 MPa<215 MPa，最大剪應力為：14.3 MPa<125 MPa，均滿足強度要求。

圖5 底籃平臺撓度值示意圖(mm)

由圖5可知：底籃平臺最大撓度為27.6 mm，滿足規(guī)范及設計要求。

4.2.2 掛籃主桁架計算

(1)掛籃主桁構件強度、穩(wěn)定性分析

菱形單榀主桁架結構為5根桿件的平面桿系，外部除下軒桿采用2[40b截面，其余3根外部桿件采用2[36b截面，內(nèi)部斜腹桿采用2[25b截面。

圖6 組合正應力(彎矩+軸力)示意圖(MPa)

由圖6可知，組合正應力最大為177.4 MPa<215 MPa，驗算彎曲容許應力取1.4的提高系數(shù)[7]，即取145×1.4=203 MPa。

(2)主桁豎向變形

圖7 主桁變形示意圖(mm)

由圖7可知：安裝吊桿處下?lián)?6.4 mm，符合規(guī)范及設計要求。

(3)主桁內(nèi)力計算

掛籃主桁施工荷載組合條件下內(nèi)力如圖8～9所示。

圖8 主桁架桿件軸力示意圖

主桁架軸力最大為1 403 kN，單片主桁后錨最大反力為674.9 kN、前支點反力為1 286.3 kN，均滿足規(guī)范和設計要求。

圖9 主桁架錨固點反力示意圖

4.3 6#塊荷載計算及驗證

4.3.1 底籃計算

(1)縱梁計算分析

6#塊底模縱梁和底籃邊縱梁的計算強度荷載和計算剛度荷載與1#相同，在此不做贅述。

(2)底籃平臺模型受力分析

6#塊中縱梁選用的截面形式與1#塊相同。單根邊縱梁采用5根Ⅰ32a工字鋼，圖10示出10根邊縱梁。

(a)底籃平臺彎應力

(b)底籃平臺剪應力

由圖10可知：底縱梁最大彎應力為：85.8 MPa<215 MPa，最大剪應力為：14.8 MPa<125 MPa，均滿足強度要求。

圖11 底籃平臺撓度值示意圖(mm)

由圖11可知：底籃平臺最大撓度為29.6 mm，滿足規(guī)范及設計要求。

4.3.2 掛籃主桁架計算

(1)掛籃主桁構件強度、穩(wěn)定性分析

圖12 組合正應力(彎矩+軸力)示意圖(MPa)

由圖12可知，組合正應力最大為190.3 MPa<215 MPa，按照壓彎桿件進行驗算，驗算彎曲容許應力按規(guī)范對臨時結構取1.4的提高系數(shù)[7]，即取145×1.4=203 MPa。

(2)主桁豎向變形

圖13 主桁變形示意圖(mm)

由圖13可知，安裝吊桿處下?lián)?6.4 mm，符合規(guī)范及設計要求。

(3)主桁內(nèi)力計算

掛籃主桁施工荷載組合條件下內(nèi)力如圖14～15所示。

圖14 主桁架桿件軸力示意圖

主桁架軸力最大為1 403 kN，單片主桁后錨最大反力為674.9 kN、前支點反力為1 286.3 kN，均滿足規(guī)范和設計要求。

圖15 主桁架錨固點反力示意圖

5 結語

(1)基于Midas Civil有限元計算模型分析可得，連續(xù)箱梁1#節(jié)段和6#節(jié)段的底籃平臺彎應力和正應力均滿足規(guī)范要求，且最大撓度小于撓度設計值，進一步驗證了模型的穩(wěn)定性和計算方法的正確性。

(2)連續(xù)箱梁1#節(jié)段和6#節(jié)段的主桁架的豎向變形和軸向力均在設計規(guī)范要求的范圍之內(nèi)，因此本文建立的掛籃結構計算模型受力合理、結構安全。

[1]袁衛(wèi)國.菱形掛籃設計改良與施工技術研究[D].廣東：華南理工大學，2012.

[2]方淑君，楊 耀，阮 翔，等.三角形掛籃和菱形掛籃有限元對比分析[J].公路工程，2017，42(1)：55-59.

[3]鄒政權，金立陳.菱形掛籃施工設計及受力性能分析[J].北方交通，2015，(10)：28-31，36.

[4]游 柯.探討菱形掛籃懸臂澆筑施工技術在橋梁工程中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2014(6)：209-210.

[5]JTG/TF50-2011，公路橋涵施工技術規(guī)范[S].

[6]GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范[S].

[7]JTJ025-86，公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范[S].