蘇州長滸大橋復(fù)合式牽索掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

李建寧 徐興偉 靳江海 陳進(jìn)明

（1.中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006；2.山東高速科技發(fā)展有限公司 山東濟(jì)南 250000）

1 工程概況

蘇州長滸大橋輔道橋全長407 m，主跨為（104＋m預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。斜拉橋結(jié)構(gòu)為塔墩梁固結(jié)體系，拉索為密索、扇形單索面形式。全橋共設(shè)置24對斜拉索，每對斜拉索由橫向間距為1.4 m的兩根拉索組成，平行布置于中央分隔帶內(nèi)，扇形索面，標(biāo)準(zhǔn)索距為7 m。索塔呈寶塔形，塔高69.457 m，其中上塔柱高32.016 m，中塔柱高23.984 m，下塔柱高13.457 m，索塔在橋面以上高度為55 m。主梁為單箱雙室斜腹板箱梁截面，中心梁高2.1 m，頂板寬19 m，底板寬8 m，箱梁頂板設(shè)1.5%的單向橫坡，底板水平，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長7 m，重約230 t，采用復(fù)合式牽索掛籃懸臂澆筑施工。該橋橋型布置及斷面如圖1、圖2所示。

圖1 橋型布置（單位：cm）

圖2 箱梁橫斷面（單位：mm）

2 復(fù)合式牽索掛籃設(shè)計(jì)思路

目前斜拉橋懸臂施工中傳統(tǒng)掛籃結(jié)構(gòu)包括后支點(diǎn)掛籃和牽索掛籃，常規(guī)的傳統(tǒng)掛籃在長節(jié)段、大噸位、寬主梁和單索面斜拉橋懸臂澆筑施工存在缺陷與不足，復(fù)合式牽索掛籃在傳統(tǒng)掛籃的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，綜合了后支點(diǎn)掛籃和牽索掛籃的優(yōu)勢，使得結(jié)構(gòu)受力更合理，適應(yīng)性得到進(jìn)一步拓展。

2.1 后支點(diǎn)掛籃特點(diǎn)

采用后支點(diǎn)掛籃進(jìn)行斜拉橋懸臂施工，掛籃與索塔沒有直接聯(lián)系，掛籃行走到位后將后錨系統(tǒng)錨固在已澆筑梁段完成下一節(jié)段混凝土澆筑。該掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及懸臂澆筑工藝較為簡單，不需要調(diào)索，結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定。其缺點(diǎn)在于掛籃主梁為懸臂受力，對其剛度有很高的要求。此外，掛籃自重、混凝土濕重及施工荷載通過后錨點(diǎn)傳遞到已澆筑梁段，錨固點(diǎn)受力大且集中，會使后錨點(diǎn)頂板處混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至出現(xiàn)裂縫等危害?，F(xiàn)在混凝土箱梁截面越來越大，懸臂澆筑階段越來越長，后支點(diǎn)掛籃的劣勢越來越明顯［1］。

2.2 牽索掛籃特點(diǎn)

牽索掛籃［2-3］前端設(shè)置弧首結(jié)構(gòu)與斜拉橋拉索相連，改變了后錨點(diǎn)掛籃懸臂受力為前后支點(diǎn)共同受力的簡支形式，大大改善了掛籃的受力狀況［4］，該掛籃形式在雙索面斜拉橋和寬度小、節(jié)段輕的單索面斜拉橋中應(yīng)用較多。長滸大橋?yàn)閱嗡髅嫘崩瓨?，兩根拉索橫向間距1.4 m，受力點(diǎn)集中，傳統(tǒng)牽索掛籃懸臂澆筑時前端橫向穩(wěn)定性差。該橋梁梁體截面寬度大，懸臂澆筑節(jié)段長，加載不對稱和河面風(fēng)荷載均會造成掛籃的橫向失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不易控制。此外，掛籃前端橫向懸臂伸出長，懸臂施工對牽索掛籃主橫梁的剛度要求很高，橫向標(biāo)高、撓度控制難度大。若設(shè)置C型梁，支撐點(diǎn)選擇和設(shè)計(jì)制作難度較大，并且會增加鋼材使用量，結(jié)構(gòu)笨重不便于施工。

2.3 復(fù)合式牽索掛籃設(shè)計(jì)思路

復(fù)合式牽索掛籃［5-7］是在充分發(fā)揮后支點(diǎn)掛籃和牽索掛籃各自特點(diǎn)和優(yōu)勢互補(bǔ)的基礎(chǔ)上提出的。

（1）相比于后支點(diǎn)掛籃，復(fù)合式牽索掛籃在底承重系統(tǒng)中增加了中縱梁及弧首結(jié)構(gòu)，將拉索與弧首連接作為掛籃前支點(diǎn)，通過前支點(diǎn)將混凝土濕重等荷載傳遞至主塔，大大減小了后錨點(diǎn)處已澆混凝土承受的局部力，使結(jié)構(gòu)整體受力更加合理，材料使用效率更高。此外，通過分次調(diào)節(jié)索力值和分階段澆筑混凝土使得各個施工階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和主梁線形更便于控制。

（2）相比于牽索掛籃，復(fù)合式牽索掛籃在箱梁兩側(cè)頂部各增加了一組主梁，該主梁選用自重輕、便于拼裝拆卸的貝雷桁架，形成類似后節(jié)點(diǎn)掛籃的結(jié)構(gòu)形式。該貝雷片主梁既可作為走行結(jié)構(gòu)又可以在澆筑過程中輔助受力，解決了澆筑和走行狀態(tài)下單索面斜拉橋拉索作用在橋軸線位置引起的掛籃橫向不平衡和扭曲變形問題。此外，在梁面兩側(cè)增加兩個前支點(diǎn)解決了掛籃前端橫梁懸臂過長引起的撓度變形問題，便于梁體橫斷面線形控制。

（3）復(fù)合式牽索掛籃通過拉索對掛籃施加向上預(yù)拉力使掛籃產(chǎn)生一個負(fù)向彎矩，可以大大削減掛籃結(jié)構(gòu)內(nèi)力峰值。為了避免拉索施加預(yù)應(yīng)力時外側(cè)前支點(diǎn)產(chǎn)生向上反力引起前吊帶受壓和貝雷片主梁反撓問題，在張拉過程中應(yīng)釋放前吊帶約束，待張拉到位后再將前吊帶與底承重系統(tǒng)進(jìn)行約束，然后前吊帶與弧首處拉索共同承受澆筑過程中混凝土濕重、施工荷載等各類荷載。

（4）本掛籃設(shè)計(jì)采用分級張拉［8］、分階段澆筑的施工工藝使得掛籃結(jié)構(gòu)的受力形式更加優(yōu)化合理，具體為拉索索力預(yù)張拉至30%后澆筑混凝土30%（底板上倒角處），第二次索力張拉至60%后澆筑混凝土至60%（頂板下倒角處），第三次索力張拉至100%后澆筑剩余全部混凝土，第四次索力張拉至110%后完成拉索錨固端從掛籃弧首到混凝土主梁的體系轉(zhuǎn)換，掛籃弧首約束釋放后由貝雷片主梁作為主承力結(jié)構(gòu)完成掛籃走行，進(jìn)行下一節(jié)段混凝土澆筑。

（5）在斜拉橋懸臂澆筑過程中，每一節(jié)段的拉索傾角是不斷變化的，因此本掛籃前端設(shè)計(jì)為弧形梁結(jié)構(gòu)，在弧形梁中間設(shè)置便于拉索通過的通道。本掛籃還設(shè)計(jì)了一個可以在弧首底面自由滑動的弧首工作錨，工作錨左右面設(shè)置吊鉤反吊在弧首上防止掉落，前后面設(shè)置能與倒鏈連接的拉環(huán)來調(diào)整角度?；∈坠ぷ麇^及弧首結(jié)構(gòu)見圖3～圖4。該設(shè)計(jì)使得弧首受力面始終與拉索拉力垂直，結(jié)構(gòu)受力合理，材料性能得到了充分利用。

圖3 弧首工作錨結(jié)構(gòu)

圖4 弧首結(jié)構(gòu)

3 掛籃結(jié)構(gòu)形式

該掛籃設(shè)計(jì)包括底承重系統(tǒng)、弧首牽索系統(tǒng)、梁頂主梁系統(tǒng)、吊帶及平衡錨固系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、止推系統(tǒng)、模板系統(tǒng)等［9-10］。結(jié)構(gòu)形式見圖5～圖6。

圖5 掛籃底承重系統(tǒng)平面

圖6 掛籃結(jié)構(gòu)形式

（1）底承重系統(tǒng)：由4根縱向鋼箱梁和前、后橫向鋼箱梁及邊縱梁尾端走行桁架組成，縱、橫箱梁頂面以分配桁架代替?zhèn)鹘y(tǒng)型鋼分配梁可以減少材料用量及結(jié)構(gòu)自重。

（2）弧首牽索系統(tǒng)：在底中縱梁前端設(shè)置弧形梁結(jié)構(gòu)及操作平臺，進(jìn)行拉索張拉及錨固工作。弧首結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此應(yīng)進(jìn)行局部加強(qiáng)。

（3）梁頂主梁系統(tǒng)：由兩組貝雷桁架組成，每組桁架由4片貝雷片組成。

（4）吊帶及平衡錨固系統(tǒng)：前吊帶錨固在梁頂貝雷桁架前端，后吊帶錨固在混凝土梁底板。錨固系統(tǒng)由精軋螺紋鋼及扁擔(dān)梁組成。

（5）走行系統(tǒng)：以工字鋼作為軌道系統(tǒng)，尾端設(shè)置后錨抗傾裝置。貝雷桁架通過液壓千斤頂，沿軌道縱向推移，掛籃底平臺尾端設(shè)桁架式滑梁通過吊帶與滾輪裝置吊掛于橋梁底板走行。

（6）止推系統(tǒng)：由鋼板焊接成鋼箱形式，插入到混凝土梁底板預(yù)留孔內(nèi)，水平荷載由止推構(gòu)件作用于已澆筑混凝土梁段平衡。

（7）模板系統(tǒng)：掛籃底模、側(cè)模采用鋼模板，由8型鋼、75×5角鋼及Q235B鋼板組焊而成。隨底承重系統(tǒng)下降50 cm完成脫模后走行，掛籃移到位后再將其提升至標(biāo)高位置。內(nèi)模采用木模拼裝。

4 掛籃結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

對掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算［11］主要包括以下幾部分：（1）掛籃施工工況的劃分；（2）拉索索力確定；（3）掛籃結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

4.1 施工工況劃分

混凝土主梁結(jié)構(gòu)為等截面箱梁，1#～11#懸澆節(jié)段箱梁質(zhì)量基本相同。11#梁段施工時，拉索索力最大，因此以澆筑11#段對掛籃進(jìn)行最不利工況驗(yàn)算。具體劃分工況見表1。

表1 計(jì)算工況

4.2 拉索索力確定

計(jì)算索力［12-13］可假定拉索前端為支點(diǎn)，然后求得在各工況下的恒載與活載作用的豎向反力，通過豎向反力與拉索的角度換算斜拉索索力值。

4.3 掛籃結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算

4.3.1 掛籃整體模型

根據(jù)掛籃的結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)，利用有限元軟件Midas civil進(jìn)行掛籃整體及止推塊等關(guān)鍵構(gòu)件局部建模計(jì)算。掛籃整體模型見圖7。模型共有節(jié)點(diǎn)3 405個，單元4 642個。吊桿、斜拉索采用桁架單元，其他桿件均采用梁單元模擬。模型在澆筑狀態(tài)及走行狀態(tài)的約束施加情況見表2。

圖7 掛籃Midas整體模型

表2 模型約束施加情況

4.3.2 掛籃受力分析

掛籃結(jié)構(gòu)主承力構(gòu)件為底平臺系統(tǒng)，澆筑混凝土?xí)r荷載的傳遞路徑見圖8。

圖8 混凝土澆筑時荷載傳遞路徑

4.4 計(jì)算分析結(jié)果

該掛籃根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，底承重系統(tǒng)、吊帶、止推系統(tǒng)采用Q345鋼材，分配桁架縱梁采用Q235鋼材。通過計(jì)算，工況一下掛籃結(jié)構(gòu)為最不利工況，工況一中掛籃各構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果見表3。結(jié)果表明，該掛籃整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等力學(xué)性能滿足規(guī)范要求。由圖9～圖11可以發(fā)現(xiàn)，掛籃止推構(gòu)件作為抵抗掛籃水平力的關(guān)鍵構(gòu)件，最大主應(yīng)力為183 MPa，最小主應(yīng)力-183 MPa，有效應(yīng)力為177 MPa，滿足規(guī)范要求。因此，該掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全合理，能夠滿足施工需要，可投入使用。

表3 工況一中掛籃主要桿件計(jì)算結(jié)果

圖9 止推構(gòu)件最大主應(yīng)力（單位：MPa）

圖10 止推構(gòu)件最小主應(yīng)力（單位：MPa）

圖11 止推構(gòu)件有效應(yīng)力（單位：MPa）

5 結(jié)論

復(fù)合式牽索掛籃結(jié)合了后支點(diǎn)掛籃和牽索掛籃的優(yōu)點(diǎn)，利用牽索和貝雷縱梁共同傳力及進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換；拉索對掛籃施加向上預(yù)拉力使掛籃產(chǎn)生一個負(fù)向彎矩，可以大大削減掛籃結(jié)構(gòu)內(nèi)力峰值；貝雷縱梁增加了掛籃前端橫向穩(wěn)定性。研究表明，復(fù)合式牽索掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠，傳力明確合理，材料利用效率高，整體結(jié)構(gòu)輕，操作簡便，綜合性能指標(biāo)優(yōu)越。