懸臂施工中掛籃結(jié)構(gòu)形式探討

姚健東 中鐵二十四局集團(tuán)上海鐵建工程有限公司

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁是目前我國鐵路最常用的跨越既有道路所采取的橋梁形式之一，而掛籃法則是懸臂法現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁必用的工藝?？梢哉f一座連續(xù)梁的進(jìn)度、質(zhì)量、安全很大程度上取決于掛籃施工，掛籃這種設(shè)備近年來也越來越受到各方的重視。

1 目前國內(nèi)掛籃的主要形式

目前掛籃的形式多種多樣，以主桁架的不同來區(qū)分主要有貝雷梁式掛籃、三角掛籃、菱形掛籃等。以貝雷梁式掛籃為代表的掛籃，與三角掛籃及菱形掛籃有著較大的區(qū)別。貝雷梁式掛籃的主桁架采用多組貝雷片拼裝而成，貝雷片是一種標(biāo)準(zhǔn)件材料，可以說貝雷梁式掛籃的主桁架是直接采用標(biāo)準(zhǔn)件拼裝而成；而三角掛籃、菱形掛籃則是專門設(shè)計(jì)，采用型鋼加工而成的定型架體作為主桁架。從外觀上看似乎僅是主桁架上存在差別，實(shí)際卻在施工上存在極大的不同，目前許多鐵路大線都優(yōu)先推薦采用三角/菱形掛籃，但筆者認(rèn)為孰優(yōu)孰劣不可一概而論。下面就兩種掛籃（以菱形掛籃為例與貝雷梁式掛籃相比較）不同之處加以對比敘述。

2 菱形掛籃與貝雷梁式掛籃的優(yōu)缺點(diǎn)對比

下圖為新建連鎮(zhèn)鐵路某工程在選取掛籃時的兩種不同形式的掛籃。圖1、圖2為貝雷梁式掛籃結(jié)構(gòu)圖，圖1為貝雷梁式掛籃在0#塊上拼裝以后，進(jìn)行1#塊施工時的工況圖，此時左右兩副掛籃相連；圖2為貝雷梁式掛籃在1#塊施工完畢后前行至2#塊后的工況圖，此時左右兩副掛籃分離。

圖1 貝雷梁式掛籃1#塊施工圖

圖2 貝雷梁式掛籃2#塊施工圖

圖3、圖4為菱形掛籃結(jié)構(gòu)圖，圖3為菱形掛籃在0#塊上拼裝以后，進(jìn)行1#塊施工時的工況圖，掛籃依靠預(yù)埋于梁內(nèi)的精軋螺紋鋼錨固，此時掛籃后導(dǎo)梁未安裝，走行時壓錨小車置于菱形架內(nèi)；圖4為菱形掛籃在1#塊施工完畢后前行至2#塊后的工況圖，掛籃依靠后錨梁及后錨桿錨固掛籃，此時掛籃后導(dǎo)梁安裝完畢，其后各節(jié)段走行時壓錨小車置于后導(dǎo)梁上。

圖3 菱形掛籃1#塊施工圖

圖4 菱形掛籃2#塊施工圖

2.1 安全性能

工程施工，安全具有一票否決制，首先在安全性能上將兩種掛籃進(jìn)行比較，本處所述安全，僅涉及掛籃本身設(shè)計(jì)及材料的安全性能。

（1）桁架設(shè)計(jì)

菱形掛籃是為本榀連續(xù)梁專門設(shè)計(jì)而成的，故菱形掛籃在先天便具有對本榀連續(xù)梁施工的適用性，各項(xiàng)指標(biāo)均在專項(xiàng)設(shè)計(jì)確定無誤后再進(jìn)行掛籃加工。

貝雷梁式掛籃，主桁架是根據(jù)既有的貝雷片的力學(xué)性能來設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的主要工作在于增減貝雷梁的組數(shù)來控制桁架的撓度，以及調(diào)整貝雷梁的縱向位置以保證前后橫梁及壓錨梁盡量處于貝雷片的豎桿處。這種設(shè)計(jì)方法雖有設(shè)計(jì)驗(yàn)算進(jìn)行復(fù)核，但依然是以一定的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)上建立的。第一層經(jīng)驗(yàn)是貝雷片本身的材料力學(xué)性能，第二層經(jīng)驗(yàn)是由貝雷片所組成的貝雷梁的材料力學(xué)性能。

（2）桁架加工

菱形掛籃的主桁架是選用型鋼焊接而成，型鋼本身的性能易于檢測，桁架的質(zhì)量控制要點(diǎn)在于焊接接縫，焊接接縫本身的質(zhì)量不易于控制，若有缺陷，則存在極大的安全隱患，必須進(jìn)行100%無損檢測。

貝雷梁式掛籃的主桁架是貝雷片拼裝而成，兩片貝雷片之間的陰頭、陽頭采用銷子銷接，兩道貝雷梁之間采用豎向支撐架相連，連接方式亦是銷接。故相對菱形掛籃而言，貝雷梁式掛籃的連接更為便捷，且更易于檢查。但根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，此種方法在實(shí)際操作中亦存在一些問題，例如一些施工點(diǎn)存在銷棒保險卡缺失的通病，這需要有充足的備料及常態(tài)檢查；而貝雷片在市場上亦存在非國標(biāo)的材料，一但錯用則存在極大的安全隱患。

2.2 空間需求的差別

菱形掛籃一般所需的空間較貝雷梁式掛籃要大，故一些工程在0#塊縱向長度不足的情況下，將1#塊亦采用支架法施工，來增大掛籃拼裝的空間。這種方法無論是在地基處理、還是在支架等方面無疑帶來了極大的浪費(fèi)，一些空間位置受限制的梁體甚至不能夠采取此種方法。

貝雷梁式掛籃由于桁架采用貝雷片，故而存在極大的空間彈性，在0#塊上拼裝掛籃時，可將兩側(cè)掛籃桁架相連接為一個整體，這使得貝雷梁式掛籃適用于現(xiàn)有的各種連續(xù)梁0#塊尺寸。

2.3 撓度的差別

筆者根據(jù)實(shí)際的兩個工程相同跨度（48 m+80 m+48 m）連續(xù)梁分別運(yùn)用菱形掛籃和貝雷梁式掛籃實(shí)測掛籃撓度來描述兩種掛籃在撓度上的差別。

新建連云港至鎮(zhèn)江鐵路某（48 m+80 m+48 m）連續(xù)梁采用菱形掛籃施工，新建合肥至福州鐵路某（48 m+80 m+48 m）連續(xù)梁采用貝雷梁式掛籃施工，掛籃預(yù)壓得到的彈性變形見表1。

表1 兩種掛籃得到的彈性變形參數(shù)

以上兩種梁體各參數(shù)相近，且掛籃重量也相近，由以上數(shù)據(jù)可知，在相同的用鋼量下及工況下，菱形掛籃的撓度要遠(yuǎn)小于貝雷梁式掛籃的撓度，在梁體線型控制方面有較大優(yōu)勢。產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因在于主桁架本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及貝雷梁式掛籃后需接長主桁架用于掛籃走行。

2.4 走行系統(tǒng)的差別

兩種掛籃的走行系統(tǒng)的最大區(qū)別在于在掛籃走行的過程中，掛籃的傳力過程。

（1）一般菱形掛籃與貝雷梁式掛籃的區(qū)別

一般的菱形掛籃在走行時的后錨傳力過程從桁架開始為：桁架→反扣輪→走行軌→梁體。走行軌受到反扣輪向上的作用力，這便需要一定的構(gòu)造將走行軌道固定于梁面，且能承受足夠的拉力。目前基本均借用連續(xù)梁自有的豎向預(yù)應(yīng)力筋作為錨筋，加上墊片與螺帽來固定走行軌。

而貝雷梁式掛籃則是利用既有的后錨作為掛籃走行過程中的錨固，其傳力過程從桁架開始為：桁架→后錨梁→后錨桿→梁體。該種方法的傳力過程極為清晰，與禁止錨固狀態(tài)下相比不需要增加任何的孔洞或預(yù)埋件。但這種方法亦是建立在一定的經(jīng)驗(yàn)之上的，掛籃走行過程中，后錨梁與桁架之間為滑動摩擦，該摩擦力會導(dǎo)致后錨梁前移、后錨桿不鉛直等問題，需要操作經(jīng)驗(yàn)豐富的操作手來完成掛籃走行過程。

（2）有后導(dǎo)梁的菱形掛籃

上文已述具有反扣輪的菱形掛籃需要豎向預(yù)應(yīng)力筋來錨固軌道，但并非所有的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁均設(shè)計(jì)有豎向預(yù)應(yīng)力筋，尤其是小跨度的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁一般僅有縱向預(yù)應(yīng)力，或縱/橫雙向預(yù)應(yīng)力。故在此種情況下，需另行埋設(shè)較多的高強(qiáng)鋼筋來錨固軌道，這樣無疑造成極大的浪費(fèi)。而貝雷梁式掛籃之所以可以直接在走行時借用后錨梁來錨固，是由于貝雷桁架可接長的性質(zhì)。故一些菱形掛籃在其后增加了后導(dǎo)梁來模擬貝雷梁式掛籃，從而取消了反扣輪，更在其上加以改進(jìn)新增壓錨小車，將滑動摩擦變更為滾動摩擦，將走行時的傳力過程由主桁架開始變更為：桁架→后導(dǎo)梁→壓錨小車→錨桿→梁體。

這種傳力結(jié)構(gòu)解決了菱形掛籃軌道梁需要豎向預(yù)應(yīng)力筋的限制，同時解決了貝雷式掛籃走行時滑動摩擦不容易控制的問題。但在實(shí)際施工過程中，該種方法依然存在一定的問題。首先，由于后導(dǎo)梁與主桁架為銷接，且后導(dǎo)梁豎向高度較小，故在豎向方向存在一定的變形，在掛籃走行過程中，需對壓錨小車進(jìn)行多次調(diào)整。其次，由于加入壓錨小車，故每個節(jié)段每個桁梁后需另行增加4個預(yù)留孔洞穿壓錨小車的錨桿，增大了對梁體斷面的削弱，同時對后期預(yù)留孔位封堵增加了較多的工作。

2.5 再利用的可能性

筆者所參與施工的鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁一般每套掛籃介于40 t～60 t之間，以三跨連續(xù)梁為例，一片連續(xù)梁共需要4套掛籃，即160 t～240 t的鋼材。僅以連鎮(zhèn)鐵路八標(biāo)三分部為例，便設(shè)計(jì)有7座預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁，如果全部投入全新掛籃，則需消耗鋼材約1 400 t。掛籃主要結(jié)構(gòu)如果不能夠反復(fù)利用的話，勢必將造成極大的社會資源浪費(fèi)。

（1）菱形掛籃再利用的條件

由于菱形掛籃是一種針對性設(shè)計(jì)的掛籃，桁架在加工完畢就已經(jīng)定型，很難進(jìn)行改裝，從而極大地制約了菱形掛籃的試用條件。

（2）貝雷梁式掛籃再利用的條件

貝雷梁式掛籃主體各構(gòu)造基本均可以進(jìn)行再利用，尤其是主桁架的可反復(fù)利用，大大降低了掛籃使用的社會成本。但貝雷梁式掛籃的反復(fù)利用亦存在一定條件，首先，貝雷片這種材料價格偏高，如果并非長期有相關(guān)業(yè)務(wù)的單位，往往難以維繼貝雷片的轉(zhuǎn)運(yùn)及保管費(fèi)用。其次，貝雷片需要專業(yè)人員進(jìn)行保養(yǎng)，若使用養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，則會造成貝雷片周轉(zhuǎn)次數(shù)的降低，甚至存在安全隱患。

2.6 對比總結(jié)

從以上幾個方面進(jìn)行對比，可得到表2中的幾個結(jié)論。

表2 兩種掛籃比較

3 掛籃形式的發(fā)展展望

工程實(shí)踐證明，不論是采用菱形掛籃還是貝雷梁式掛籃，均能滿足安全施工要求。而就筆者所參與的工程，在滿足施工不考慮再利用及豎向預(yù)應(yīng)力筋的情況下，菱形掛籃除安全可靠、有利線型控制外，還具有現(xiàn)場操作空間大、文明施工較易控制等優(yōu)點(diǎn)。我國鐵路預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁施工，貝雷梁式掛籃這種形式目前逐步被菱形掛籃及三角掛籃所取代。

但筆者認(rèn)為這種轉(zhuǎn)變過程不是一蹴而就，首先，菱形掛籃走行系統(tǒng)上的問題尚有改進(jìn)的空間；其次，一些梁體掛籃拼裝空間不足的問題還需具體處理；再次，菱形掛籃的再利用問題還需進(jìn)行更多的研究以避免社會資源的浪費(fèi)；最后，掛籃形式的變更在默默變更著掛籃施工的形式。

3.1 社會知識的轉(zhuǎn)移

在較多采用貝雷式掛籃的時期，掛籃的核心技術(shù)及隊(duì)伍基本均掌握在工程總承包手中，掛籃的設(shè)計(jì)基本由總承包的工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)，施工過程現(xiàn)場具體實(shí)施控制主體與執(zhí)行者亦均由總承包的技術(shù)、施工實(shí)力來擔(dān)當(dāng)。而在較多使用菱形/三角掛籃的今天，掛籃設(shè)計(jì)是由鋼結(jié)構(gòu)公司、設(shè)備租賃公司連同有資質(zhì)的專業(yè)公司進(jìn)行的，這便造成了掛籃設(shè)計(jì)、掛籃加工同現(xiàn)場施工及管理的分離。而這種分離看似社會分工更加詳細(xì)，實(shí)則在目前狀態(tài)下會造成操作人員對所使用掛籃不熟悉，管理人員需投入更多的精力去學(xué)習(xí)、研究新掛籃的問題。

3.2 專業(yè)公司的建立

隨著我國橋梁事業(yè)的蓬勃發(fā)展，數(shù)不勝數(shù)的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的完成，我國掛籃施工亦逐步趨向于專業(yè)隊(duì)伍對口專門掛籃。掛籃的操作人員必須由有經(jīng)驗(yàn)的工人擔(dān)當(dāng)，且由于每種掛籃的某些性能基本均存在或多或少的差別，故若非操作過相同掛籃的人員，一般不予采用。這是我國橋梁事業(yè)大發(fā)展所產(chǎn)生的結(jié)果，眾多有經(jīng)驗(yàn)的操作人員在施工現(xiàn)場被培養(yǎng)而生。也正是有著龐大的市場需求，專業(yè)的掛籃公司也在孕育，集設(shè)計(jì)、加工、租賃、技術(shù)指導(dǎo)等為一體，在未來掛籃施工能否作為進(jìn)行專業(yè)分包也值得探討。

4 結(jié)束語

由貝雷梁式掛籃向菱形掛籃、三角掛籃的變更，是社會大生產(chǎn)的結(jié)果，也是施工單位綜合能力提升的結(jié)果，同是也是監(jiān)管單位對安全文明施工提出更高要求的結(jié)果，但如何渡過這個過渡時期依然有著深層的研究意義。