菱形掛籃與三角斜拉式掛籃施工應(yīng)用對(duì)比分析

卓海金 胡文學(xué) 段躍華

文章依托崇左至水口高速公路建設(shè)項(xiàng)目，結(jié)合Midas Civil有限元分析軟件，從施工工藝、構(gòu)造設(shè)計(jì)、受力特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面對(duì)三角斜拉式掛籃和菱形掛籃的施工應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出兩種掛籃形式在實(shí)際工程應(yīng)用中的施工特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)特性，可為同類橋型施工提供借鑒。

建設(shè)項(xiàng)目;三角斜拉式掛籃;菱形掛籃;研究分析

0?引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的不斷發(fā)展，橋梁施工技術(shù)的創(chuàng)新性與實(shí)用性變得愈來愈重要。其中，懸臂澆筑掛籃法是當(dāng)前大跨度橋梁施工的主要施工方法之一，主要包括三角斜拉式掛籃、菱形掛籃、桁架式掛籃、弓弦式掛籃等形式，其具有施工快捷、簡(jiǎn)便、跨越能力強(qiáng)、受地形因素影響小等特點(diǎn)，對(duì)橋梁工程建設(shè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。本文依托實(shí)際工程，從掛籃的施工工藝、構(gòu)造設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)受力、安全穩(wěn)定性等方面對(duì)菱形掛籃與三角斜拉式掛籃施工應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析，旨在創(chuàng)新思路，為同類橋型施工提供參考和借鑒。

1?工程概況

崇左至水口高速公路項(xiàng)目中崇左西左江大橋與上金左江大橋主橋橋跨布置均為77 m+145 m+77 m，全長(zhǎng)299 m，Ⅰ級(jí)高速公路。大橋分為左、右兩幅，左右幅橋面凈間距0.5 m。主梁采用變截面單箱單室混凝土箱梁，箱梁頂板寬14.93 m，0#塊梁高8.6 m，現(xiàn)澆段及合龍段梁高均為3 m，梁底下緣曲線按1.8次方拋物線變化。崇左西左江大橋采用菱形掛籃施工方法，上金左江大橋采用三角斜拉式掛籃施工方法。

2?掛籃構(gòu)造設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.1?工藝流程

綜合實(shí)際情況，兩種形式掛籃施工工藝流程基本一致。主要為：縱移掛籃就位→錨固后錨→模板打磨→安裝箱梁底模、外?！装濉⒏拱邃摻罱壴邦A(yù)應(yīng)力管道安裝→安裝

內(nèi)?！敯邃摻罱壴邦A(yù)應(yīng)力管道安裝→封堵端模→梁段混凝土澆筑→養(yǎng)生→拆端模、內(nèi)?！╊A(yù)應(yīng)力鋼束及張拉錨具→孔道壓漿、封錨→拆底?！v移掛籃。

2.2?構(gòu)造設(shè)計(jì)

兩種掛籃主要由主桁架系統(tǒng)、橫梁系統(tǒng)、后錨系統(tǒng)、滑梁系統(tǒng)、底縱梁系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、吊帶系統(tǒng)、模板系統(tǒng)等組成，構(gòu)造設(shè)計(jì)分別如圖1和圖2所示。從構(gòu)造上可以發(fā)現(xiàn)：

（1）三角斜拉式掛籃主桁架較菱形掛籃多了兩道橫向連接桿，將兩道主縱梁連接起來，這使得三角斜拉式掛籃的整體性更好。但在實(shí)際施工過程中，因?yàn)閮蓚€(gè)橫向連接桿的垂直高度在1.2～1.4 m之間，會(huì)阻礙材料的搬運(yùn)及人員通行，影響工作效率。

（2）三角斜拉式掛籃的吊帶系統(tǒng)由40Cr吊桿與截面為（130×24） mm的鋼板連接而成，該吊帶系統(tǒng)不僅抗拉性能較好，而且具有較好的柔性，能有效地預(yù)防橫向沖擊力引發(fā)的脆性破壞;而菱形掛籃吊帶系統(tǒng)采用的是32 mm精扎螺紋鋼，該吊帶系統(tǒng)抗拉強(qiáng)度高，但柔性效果欠佳，表面若出現(xiàn)裂紋、結(jié)疤等缺陷，較易發(fā)生橫向脆性破壞。

（3）在材料用量上，三角斜拉式掛籃整體鋼材用量為75.805 t，重758.05 kN;菱形掛籃整體鋼材用量為68.6 t，重686 kN，可見菱形掛籃較三角斜拉式掛籃輕便，從而大大節(jié)省了掛籃行走的時(shí)間。結(jié)合實(shí)際施工情況，同等條件下三角斜拉式掛籃行走就位時(shí)間為4～5 h，而菱形掛籃只需2～3 h。

（4）這兩種形式的掛籃重量與梁段最大重量（1 918.02 kN）的比值分別為0.395、0.357，均在0.3～0.5之間，滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》要求，較為合理。

2.3?施工空間

單套菱形掛籃拼裝后長(zhǎng)度為11.76 m（懸臂端為5.5 m），寬度為14.81 m，高度為5.66 m，主桁架間間距為7.4 m;單套三角斜拉式掛籃拼裝后長(zhǎng)度為13.1 m（懸臂端為6.5 m），寬度為16.70 m，高度為5.72 m，主桁架間間距為7.73 m。通過以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：兩套菱形掛籃拼裝后長(zhǎng)度（除懸臂端）為12.52 m，兩套三角斜拉式掛籃拼裝后長(zhǎng)度（除懸臂端）為13.2 m，整個(gè)0#塊長(zhǎng)度為15 m，因此拼裝完成后，三角斜拉式掛籃在0#塊橋面上施工操作空間明顯較狹小，增加了施工組織難度。同時(shí)，大橋單幅頂板寬14.93 m，左右幅中央凈間距為0.5 m，針對(duì)菱形掛籃，左右幅可以同步組裝掛籃施工;而三角斜拉式掛籃由于拼裝后寬度過大，左右幅掛籃會(huì)出現(xiàn)“打架”，不能同步組裝施工，需錯(cuò)開1～2個(gè)懸澆節(jié)段，因此組織施工較慢，還會(huì)造成部分人員“窩工”現(xiàn)象。

3?結(jié)構(gòu)受力分析驗(yàn)算

3.1?掛籃設(shè)計(jì)荷載及組合

由設(shè)計(jì)圖紙查得，該掛籃施工在進(jìn)行1#懸澆節(jié)段澆筑時(shí)所承受荷載為最大，因此取1#懸澆節(jié)段澆筑時(shí)進(jìn)行受力分析。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，荷載組合所選取的設(shè)計(jì)參數(shù)為：

混凝土澆筑時(shí)超灌系數(shù)：1.05

掛籃行走時(shí)沖擊系數(shù)：1.3

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：2.0

恒載分項(xiàng)系數(shù)：1.2

活載分項(xiàng)系數(shù)：1.4

其中，混凝土容重取26 kN/m3;動(dòng)力附加荷載（振搗）為2.0 kPa;人群及機(jī)具荷載為2.5 kPa。

施工荷載組合為：混凝土自重+超灌+掛籃自重+模板自重+動(dòng)力附加荷載+人群和機(jī)具荷載。

根據(jù)以上施工荷載組合，計(jì)算出上金左江大橋掛籃各部位受力荷載為：

（1）翼緣板荷載：翼緣模板重27.4 kN，下由兩根滑梁承載，荷載為：

q1=（1.2×0.55×3.25×26×1.05+1.2×27.4/4.5+1.4×（2+2.5）×3.25）/2=43.17 kN/m。

（2）腹板底荷載：腹板模板重63.3 kN，下由5根縱梁承載，考慮腹板高度漸變，所以荷載為：

腹板底荷載（近端）：q2=（1.2×8.163×0.7×26×1.05+1.2×63.3/4.5+1.4×（2+2.5）×0.7）/5=41.697 kN/m;

腹板底荷載（遠(yuǎn)端）：q2=（1.2×7.743×0.7×26×1.05+1.2×63.3/4.5+1.4×（2+2.5）×0.7）/5=39.77 kN/m。

（3）頂板荷載：頂板模板重48 kN，下由2根內(nèi)滑梁承載，荷載為：

頂板底荷載：q3=（1.2×0.625×7.03×26×1.05+1.2×48/4.5+1.4×（2+2.5）×7.03）/2=100.514 kN/m。

（4）底板荷載：底板模板重21 kN，下由7根縱梁承載，考慮底板厚度漸變，所以荷載為：

底板底荷載（近端）：q4=（1.2×1.06×7.03×26×1.05+1.2×21/4.5+1.4×（2+2.5）×7.03）/7=42 kN/m;

底板底荷載（遠(yuǎn)端）：q4=（1.2×0.85×7.03×26×1.05+1.2×21/4.5+1.4×（2+2.5）×7.03）/7=35.092 kN/m。

同理，計(jì)算出崇左西左江大橋掛籃各部位受力荷載：

（1）翼緣板荷載：（翼緣板模板重25.5 kN），q1=42.917 kN/m。

（2）腹板底荷載：（腹板模板重52.3 kN）

腹板底荷載（近端）：q2=51.388 kN/m;

腹板底荷載（遠(yuǎn)端）：q2=48.98 kN/m。

（3）頂板荷載：（頂板模板重45 kN），q3=100.114 kN/m。

（4）底板荷載：（底板模板重20 kN）

底板荷載（近端）：q4=48.957 kN/m;

底板荷載（遠(yuǎn)端）：q4=40.897 kN/m。

3.2?掛籃澆筑時(shí)受力分析

3.2.1?強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算荷載，運(yùn)用Midas Civil有限元軟件對(duì)兩種形式掛籃進(jìn)行建模分析，受力結(jié)果如圖3～8所示。

分別將各主要構(gòu)件受力結(jié)果提取分析如表1～2所示。

通過以上數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：兩種形式的掛籃各構(gòu)件受力檢算均滿足規(guī)范要求，且具有一定的安全儲(chǔ)備。其中，最大彎應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)滑梁上，分別為154 MPa和189.9 MPa;最大拉應(yīng)力發(fā)生在吊帶系統(tǒng)的精扎螺紋鋼上，分別為243.6 MPa和324.3 MPa。三角斜拉式掛籃最大剪應(yīng)力發(fā)生在后下橫梁上，為42 MPa;菱形掛籃最大剪應(yīng)力發(fā)生在前上橫梁處，為45 MPa，應(yīng)力安全儲(chǔ)備較大。根據(jù)受力情況還可看出兩種掛籃主桁架受力形式不同：三角斜拉式掛籃主縱梁以受彎為主，斜拉帶及立柱分別以受拉、受壓為主，因此三角斜拉式掛籃主桁架屬于桿梁組合結(jié)構(gòu)，這種組合結(jié)構(gòu)能較好地發(fā)揮材料的自身特性，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好;菱形掛籃的主桁架主要受拉壓應(yīng)力作用，屬于桿系結(jié)構(gòu)，各桿件受力較為均衡，結(jié)構(gòu)變形小。由于受力形式的不同，使得掛籃主桁架在材料和截面形式的選擇上有差異，綜合看來菱形掛籃整體鋼材用量較小，同時(shí)也較輕便，更有利于實(shí)際施工應(yīng)用。

3.2.2?抗傾覆性驗(yàn)算

1#塊混凝土澆筑時(shí)為最不利狀態(tài)，因此檢算主桁架的抗傾覆性。主桁架受力如圖9～10所示。

根據(jù)圖9可得，三角斜拉式掛籃懸挑端所受的合力P=（976.9-423.2）kN=553.7 kN，則傾覆彎矩為Mq=553.7×5.5=3 045.35 kN/m。單根主縱梁后錨采用6根32 mm精扎螺紋鋼錨固，則抗傾覆彎矩為Mk=6×3.14×（0.032/2）2×770×103×6.5=24 139.315 kN/m，抗傾覆安全系數(shù)K=Mk/Mq=24 139.315/3 045.35=7.9>2，滿足要求。

同理，由圖10可得，菱形掛籃懸挑端所受合力P=905.5 kN，則傾覆彎矩為Mq=905.5×5.5=4 980.25 kN/m。單根主桁下弦桿后錨采用6根32 mm精扎螺紋鋼錨固，則抗傾覆彎矩為Mk=22 839.505 kN/m，抗傾覆安全系數(shù)K=4.5>2，滿足要求。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，三角斜拉式掛籃在澆筑時(shí)的安全穩(wěn)定系數(shù)較高，即安全性較優(yōu)于菱形掛籃。

4?結(jié)語

綜合以上分析可知，菱形掛籃與三角斜拉式掛籃施工工藝基本相同，但在構(gòu)造設(shè)計(jì)上，菱形掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)便、靈活、適用性強(qiáng)，較為經(jīng)濟(jì)合理，施工速度較快，且桿件受力較均勻;三角斜拉式掛籃雖然在構(gòu)造設(shè)計(jì)上不夠優(yōu)化，但經(jīng)過受力分析檢算，其整體的穩(wěn)定性較高，安全性能較好。因此，在實(shí)際施工應(yīng)用中兩種形式掛籃各有利弊。

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