超大懸臂箱梁的施工掛籃構(gòu)造設(shè)計(jì)及受力分析

丁延書 羅 浩 宋旭明 賴明苑

1. 中交第一公路工程局有限公司 北京 100024；2. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南 長沙 410075

矮塔斜拉橋是一種介于連續(xù)（剛構(gòu)）梁橋與斜拉橋之間的橋型，與連續(xù)梁橋相比，具有結(jié)構(gòu)新穎、跨越能力大、施工簡單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)；與斜拉橋相比，具有施工方便、節(jié)省材料、主梁剛度大等優(yōu)點(diǎn)。由于矮塔斜拉橋塔矮、梁的剛度較大，對(duì)控制塔頂水平位移及梁的變位較為有利，在150～350 m跨徑的橋梁中極具競爭力，近年來受到國內(nèi)外工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注[1-2]。

溫州甌江特大橋?yàn)槿目珙A(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，采用塔、梁、墩固結(jié)-剛構(gòu)體系。主橋全長710 m，孔徑布置為140 m＋2×225 m＋120 m。主梁采用變高度斜腹板單箱三室斷面，頂板寬36.0 m，懸臂長7.0 m?？缰辛焊?.8 m，根部梁高6.8 m。懸臂板下設(shè)置加勁挑梁，間距3～4 m。甌江特大橋橋面寬、懸臂大，節(jié)段最大質(zhì)量達(dá)460 t，對(duì)懸澆過程中施工掛籃的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均提出了極高的要求。為了確保施工過程的安全，在掛籃方案選擇、構(gòu)造細(xì)節(jié)優(yōu)化等方面都進(jìn)行了相關(guān)研究和探討。

1 大懸臂箱梁掛籃方案選擇

掛籃通常由主桁架系統(tǒng)、懸吊及錨固系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、底平臺(tái)系統(tǒng)、走行系統(tǒng)以及操作平臺(tái)等附加系統(tǒng)組成。掛籃設(shè)計(jì)的主要控制指標(biāo)為掛籃的總用鋼量與最大塊件質(zhì)量之比值K。K值一般控制在0.3～0.5，K值越低，表示掛籃承重構(gòu)件的受力越合理，使用材料較節(jié)省。由于掛籃結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和掛籃材料的可選性越來越大，近年來掛籃質(zhì)量呈不斷下降的趨勢(shì)[3-5]。

矮塔斜拉橋主梁支點(diǎn)及跨中均存在較長的無索區(qū)，常規(guī)斜拉橋采用的前支點(diǎn)掛籃不適合采用。目前國內(nèi)常用的菱形掛籃和三角掛籃均具有結(jié)構(gòu)簡潔、受力明確、整體剛度大、移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)[6-8]，因此，對(duì)這2種掛籃形式進(jìn)行了方案比選。菱形掛籃是在平行桁架式掛籃的基礎(chǔ)上簡化而來的，其上部為菱形，前面的伸臂作為底模平臺(tái)和側(cè)模前移的滑道，菱形結(jié)構(gòu)后端錨固于箱梁頂板，無平衡壓重，對(duì)后續(xù)節(jié)段施工過程干擾少，受力合理，自重較輕。三角形掛籃與菱形掛籃相比結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便，降低了前橫梁高度，掛籃重心位置也大大降低，增加了掛籃走行時(shí)的穩(wěn)定性和前吊帶長度，但立柱受力較大[9]?？紤]到菱形掛籃對(duì)施工過程的干擾少、構(gòu)件受力合理等特點(diǎn)，甌江橋選用了菱形掛籃（圖1）。

圖1 掛籃立面布置

甌江特大橋箱梁共設(shè)4道腹板，每道腹板處均布置1片掛籃主桁架。由于箱梁懸臂長度達(dá)7.0 m，如采用普通的前上橫梁將很難滿足剛度要求，掛籃設(shè)計(jì)過程中分別考慮了采用斜拉式橫梁和桁架式橫梁2種方式。斜拉式橫梁構(gòu)造簡單，用料較省，但是在施工過程中重心高，穩(wěn)定性不容易保證，最終選擇了桁架式前上橫梁作為實(shí)施方案（圖2）。

圖2 掛籃斷面布置

2 掛籃構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.1 主桁架系統(tǒng)

主桁片是由普通熱軋槽鋼組成的□40 mm×30 mm×16 mm方形截面桿件。菱形桁架桿件和箱體分開制作，在工廠焊接成組焊件，節(jié)點(diǎn)采用銷接。桁架運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后，根據(jù)現(xiàn)場吊裝設(shè)備能力大小，既可以組拼成整體后吊裝到位，也可以根據(jù)組裝順序分開吊裝到位。

2.2 懸吊系統(tǒng)

懸吊系統(tǒng)包括前上橫梁、滑梁、吊帶。前上橫梁為型鋼組拼形成的桁架結(jié)構(gòu)，通過吊帶與底平臺(tái)連接。主橫梁為雙拼56b#工字鋼，加強(qiáng)桁架為雙拼32b#槽鋼?；阂矠樾弯摻Y(jié)構(gòu)，通過連接吊桿與前上橫梁及已澆筑混凝土箱梁頂板連接。懸吊裝置主要由吊桿、吊具和T形吊架等部分組成。吊桿采用φ32 mm高強(qiáng)精軋螺紋筋（后錨點(diǎn)）或者鋼板吊帶（除后錨點(diǎn)）。由于連續(xù)梁為變截面不等高梁，為了保證吊桿的垂直受力，避免受彎折破壞，在吊桿和下橫梁的連接處專門做了保證節(jié)點(diǎn)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的連接轉(zhuǎn)換構(gòu)件T形吊架。

2.3 錨固系統(tǒng)

后錨由扁擔(dān)梁、錨桿、螺帽、墊塊等部分組成，上端通過扁擔(dān)梁錨于主梁尾部，下端通過精軋螺紋鋼錨固于已澆筑箱梁上，后錨采用在頂板和翼緣板上預(yù)留孔錨固。單片掛籃主桁的后錨共設(shè)6根φ32 mm精軋螺紋鋼。

2.4 模板系統(tǒng)

掛籃模板系統(tǒng)由內(nèi)模、外側(cè)模、底模組成。內(nèi)模采用木模，其余均采用鋼模板。外模由型鋼和大塊平面鋼模板組成桁架式模板，翼緣懸臂模板和腹板外側(cè)模為一個(gè)整體，并采用斜撐加強(qiáng)。底模架的縱梁采用HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，底模架的前后橫梁由2根45b#工字鋼組焊而成，掛籃的前后吊點(diǎn)均設(shè)在前后橫梁上。前橫梁設(shè)14個(gè)吊點(diǎn)，其中4個(gè)為外模走行梁前吊點(diǎn)，10個(gè)為底模前吊點(diǎn)。后橫梁設(shè)10個(gè)吊點(diǎn)，其中8個(gè)固定在底板上，2個(gè)固定在箱梁翼緣板上。

2.5 走行系統(tǒng)

整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)支撐在由型鋼加工而成的前支點(diǎn)、后支點(diǎn)上，每組主梁的支點(diǎn)下設(shè)一套走行系統(tǒng)。走行系統(tǒng)包括行走軌道、滑座、吊掛滾輪、軌道壓梁、軌道墊梁等。每組主梁通過1根φ32 mm精軋螺紋鋼將前端錨固于行走軌道上，后端采用600 t穿心式千斤頂施加反力推動(dòng)掛籃前移。

3 掛籃結(jié)構(gòu)計(jì)算和受力分析

利用Midas Civil有限元軟件建立掛籃結(jié)構(gòu)的空間有限元計(jì)算模型（圖3）。通過建立的三維有限元模型，分別對(duì)施工過程中的混凝土澆筑工況和掛籃行走工況進(jìn)行計(jì)算，得到各構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力及變形，并依照相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度校核。

圖3 掛籃有限元計(jì)算模型

根據(jù)梁段長度、質(zhì)量、梁高等參數(shù)，按以下2種工況進(jìn)行計(jì)算：

1）1#梁段混凝土灌注工況，此工況梁段高度最大、混凝土質(zhì)量較大。

2）3#梁段混凝土灌注工況，此工況梁段長度最大、混凝土質(zhì)量最大。

懸澆階段主要桿件最不利工況計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 懸澆階段掛籃計(jì)算結(jié)果

從表1可以看到，懸澆階段掛籃各構(gòu)件應(yīng)力均在規(guī)范容許范圍內(nèi)，掛籃抗傾覆安全系數(shù)為3.13，也滿足規(guī)范要求。雖然箱梁懸臂達(dá)7.0 m，但由于前上橫梁加設(shè)了輔助桁架，故其應(yīng)力、變形都能控制在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

掛籃行走時(shí)，前端通過前吊帶、滑梁吊桿把底籃、翼板模板吊在前上橫梁；后端通過外滑梁吊住后下橫梁，翼板、頂板模板后端錨固于己澆筑完的箱梁上。行走過程中后下橫梁兩端精軋鋼最大跨徑為23.2 m，中間由2根底托梁托住。內(nèi)外滑梁為一簡支梁，隨掛籃的行走跨徑不斷變化。內(nèi)滑梁支承頂板模板、外滑梁支承側(cè)模。掛籃行走工況主要構(gòu)件檢算結(jié)果如表2所示。

表2 掛籃行走工況計(jì)算結(jié)果

從表2可以看到，掛籃行走階段各構(gòu)件應(yīng)力均在規(guī)范容許范圍內(nèi)，抗傾覆安全系數(shù)為3.51，滿足規(guī)范要求。

掛籃在懸澆過程中的最大變形為17.8 mm，小于規(guī)范容許值20 mm。值得注意的是，懸澆過程中掛籃后錨桿受力較大，長度達(dá)2.5 m，其受力后產(chǎn)生的拉伸變形將使得掛籃主桁架繞前支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，桁架前端將產(chǎn)生較大的位移量。甌江特大橋掛籃考慮后錨桿的變形后，桁架前端的豎向位移量增大了約45%，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的檢算有重要影響。此外，計(jì)算表明，如果掛籃后錨桿沿縱向布置比較分散，還應(yīng)考慮各錨桿縱向位置對(duì)其受力的影響，避免出現(xiàn)各錨桿受力不均而使得某些錨桿受力過大失效的現(xiàn)象。

菱形掛籃前吊帶較長，甌江特大橋掛籃吊帶上下端的豎向位移差約為4 mm，調(diào)整吊帶位置使各吊帶受力均勻并加大吊帶截面尺寸也是控制掛籃整體剛度的重要手段。甌江特大橋采用了120 mm×50 mm和120 mm×40 mm這2種吊帶形式。

甌江特大橋掛籃總質(zhì)量約170 t，掛籃的總用鋼量與最大塊件質(zhì)量之比K為0.37，掛籃的承重構(gòu)件設(shè)計(jì)合理，使用材料較節(jié)省。施工過程中實(shí)測(cè)掛籃最大彈性變形為18.6 mm，與設(shè)計(jì)值吻合良好。

4 結(jié)語

矮塔斜拉橋大懸臂箱梁對(duì)施工掛籃的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求極高，甌江特大橋在掛籃設(shè)計(jì)過程中通過多方案比選和對(duì)構(gòu)件尺寸的優(yōu)化，取得良好的應(yīng)用效果，可為同類型橋梁施工提供參考。在大懸臂箱梁施工掛籃的設(shè)計(jì)過程中，以下幾方面應(yīng)引起重視：

1）菱形掛籃對(duì)后續(xù)節(jié)段施工過程干擾少，受力合理，自重較輕；三角形掛籃結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，重心低，行走過程中穩(wěn)定性好。實(shí)際施工過程中應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)進(jìn)行綜合比選以確定合適的掛籃方案。

2）在前上橫梁下加設(shè)輔助桁架，可有效地加大其承載能力和剛度，滿足大懸臂箱梁節(jié)段在澆筑過程中前上橫梁的應(yīng)力和變形要求。

3）在掛籃剛度檢算過程中，必須注意后錨桿受力后產(chǎn)生的拉伸變形引起的桁架前端位移量，避免施工過程中掛籃變形過大而影響結(jié)構(gòu)成橋線形和出現(xiàn)初始缺陷。

4）若掛籃后錨桿沿縱向布置間距比較分散，應(yīng)考慮其縱向位置對(duì)受力的影響，避免因各錨桿受力不均而使得掛籃錨固失效的情況發(fā)生。