大跨度上下雙室連續(xù)剛構(gòu)渡槽的掛籃施工力學(xué)行為分析

杜強(qiáng)

摘 要：在黔中水利樞紐工程中，徐家灣渡槽存在中梁段質(zhì)量大且為上下疊箱的問(wèn)題。由于菱形掛籃具有外形美觀(guān)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度大、自重輕、施工變形小、作業(yè)面開(kāi)闊和移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此懸臂澆筑段采用菱形掛籃施工工法，并對(duì)其掛籃結(jié)構(gòu)、走形模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析驗(yàn)算了掛籃行走工況和最不利荷載工況下的變形和穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，這種工法滿(mǎn)足施工要求，為相似工程提供了解決方法。

關(guān)鍵詞：大跨度;連續(xù)鋼構(gòu);掛籃施工;渡槽

中圖分類(lèi)號(hào)：TV61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0088-03

Abstract： In the Qianzhong Water Conservancy Project， the Xujiawan Aqueduct has the problem that the middle beam section is large in mass and is stacked up and down. Because the diamond-shaped hanging basket has the advantages of beautiful appearance， simple structure， large rigidity， light weight， small construction deformation， open working surface and convenient movement， the cantilever pouring section adopts the diamond-shaped hanging basket construction method， the structure and walking mode of the cradle are optimized， and the deformation and stability of the cradle under the traveling conditions and the most unfavorable load conditions are analyzed and checked. The research results show that this construction method meets the construction requirements and provides a solution for similar projects.

Keywords： large-span;continuous steel structure;hanging basket construction;aqueduct

黔中水利樞紐工程是中華人民共和國(guó)成立以來(lái)國(guó)家在貴州投入最大的水利樞紐工程。工程任務(wù)以灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用，并為改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件，開(kāi)發(fā)直接目標(biāo)是保障黔中地區(qū)用水安全，間接目標(biāo)是保障糧食生產(chǎn)安全并促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。工程分兩期建設(shè)：一期工程包括水源工程、一期輸配水工程;二期包括灌區(qū)二期、貴陽(yáng)供水二期、安順供水工程。黔中水利樞紐工程擬建在長(zhǎng)江流域的烏江干流三岔河上，涉及大、中、小型水庫(kù)91處，即大型1座、中型水庫(kù)5座、?。?）型23座、?。?）型62座。其中5座水庫(kù)承擔(dān)灌區(qū)反調(diào)節(jié)任務(wù)，4座水庫(kù)承擔(dān)貴陽(yáng)供水調(diào)節(jié)任務(wù)。總庫(kù)容為10.8億m3，將水引入黔中地區(qū)十多個(gè)縣（市）的49個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，解決這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、城市等用水，覆蓋面積達(dá)4 711 km2。干渠總長(zhǎng)為156.5 km，總灌溉面積為43 486.6 hm2，可以解決39.5萬(wàn)人飲水困難的問(wèn)題。同時(shí)，該項(xiàng)目計(jì)劃修建一座裝機(jī)容量140.2 MW的壩后式電站，年調(diào)水量為7.41億m3。工程總靜態(tài)投資約為120億元。

黔中水利樞紐工程一期的總干高大跨渡槽C1標(biāo)徐家灣渡槽（95 m+2×180 m+95 m）連續(xù)剛構(gòu)是單箱雙室、變高度、變箱寬結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬為9.5 m，底寬變化為6.25 m→6.05 m→5.85 m→5.25 m→5.85 m→6.05 m→6.25 m。梁高從9.8 m變化到4.6 m，腹板變化（從1號(hào)段開(kāi)始）為1.0 m→0.9 m→0.8 m→0.5 m→0.8 m→0.9 m→1.0 m。另外，箱梁的箱室為上下分布，上面箱室內(nèi)凈高3.47 m保持不變，下箱室內(nèi)凈高則根據(jù)梁高逐漸變小，上箱室、下箱室分割的中板厚度為35 cm，保持不變[1]。

該連續(xù)梁通過(guò)掛籃懸灌施工，0#段長(zhǎng)度為12.0 m，設(shè)計(jì)懸灌長(zhǎng)度為3.0、3.5、4.0 m。1#節(jié)段開(kāi)始為3.0 m長(zhǎng)，混凝土方量是121.1 m3;9#節(jié)段開(kāi)始為3.5 m，混凝土方量是88.4 m3;19#節(jié)段開(kāi)始為4.0 m，混凝土方量是68.1 m3。

1 大噸位上下雙室掛籃建模及有限元計(jì)算

由于菱形掛籃具有外形美觀(guān)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度大、自重輕、施工變形小、作業(yè)面開(kāi)闊、移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，而徐家灣渡槽中梁段質(zhì)量大，最大質(zhì)量將近300 t，且為上下疊箱，所以徐家灣渡槽主槽的懸臂澆筑施工設(shè)計(jì)使用菱形掛籃[2]，如圖1所示，施工流程如圖2所示。圖中，數(shù)據(jù)單位均為毫米（mm）。

下面利用Midas有限元分析軟件，針對(duì)菱形掛籃的主要結(jié)構(gòu)建立空間有限元模型。本模型中，菱形掛籃的主桁架結(jié)構(gòu)、吊桿和吊帶采用桁架單元，其他結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧?，共建? 018個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 052個(gè)單元。

主桁架采用Q235B鋼材，截面為2[36B槽鋼對(duì)接焊縫連接。主構(gòu)架桿件間增設(shè)了橫聯(lián)，以保證主桁架結(jié)構(gòu)的整體剛度，橫聯(lián)采用鋼材為Q235B的桁架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為4 130 mm，高度為1 800 mm。上下弦、腹桿和斜桿均采用槽鋼2[12.6組成的箱形結(jié)構(gòu)，對(duì)口槽鋼之間通過(guò)鋼材為Q235B的136 mm×50 mm×8 mm綴板周邊焊縫連接。橫聯(lián)端部與主構(gòu)架通過(guò)圓銷(xiāo)材質(zhì)40Cr的鋼銷(xiāo)連接。側(cè)模吊梁采用Q235B鋼材的槽鋼2[36B組焊成的封閉箱形結(jié)構(gòu)。吊桿采用32 mm和40 mm精軋螺紋鋼筋，吊帶采用截面200 mm×30 mm的Q345B鋼板。底模由前、后橫梁和縱梁組成，橫梁采用Q235B的熱軋H型鋼，縱梁采用Q235B的工字鋼[3]。

荷載工況有兩種。一是混凝土自重+人群機(jī)具荷載+超載+動(dòng)力附加系數(shù)+掛籃自重+模板自重。二是掛籃自重+沖擊附加系數(shù)+模板自重[4]。

主桁架計(jì)算結(jié)果如圖3所示，增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼板后，掛籃的變形如圖3所示，主桁架前段發(fā)生10.23 mm的位移。后拉桿所受拉力為1 681.8 kN，前拉桿所受拉力為1 209.5 kN，后壓桿所受壓力為1 037.5 kN，前壓桿所受壓力為1 198.2 kN。前上橫梁計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

前上橫梁采用Q235B鋼材，主要通過(guò)吊掛系統(tǒng)（吊桿、吊帶）連接上下內(nèi)模吊梁、側(cè)模吊梁及底模，并承受其所傳遞的荷載。計(jì)算分析結(jié)果表明，最大位移發(fā)生在橫梁兩端吊桿處，最大位移為14.92 mm，小于限值22.35 mm。

2 走行計(jì)算

掛籃走行時(shí)，前上橫梁懸吊著側(cè)模吊梁（雙根各5.75 t，共計(jì)23 t）、內(nèi)模吊梁（單根5 t，共計(jì)10 t）、底模前橫梁吊桿（總計(jì)10 t）、前上橫梁自重（2 t）。主構(gòu)架前端總計(jì)荷載是45 t。經(jīng)計(jì)算，主構(gòu)架后鉤輪的荷載大小為：45 t×4.9 m÷4.5 m=49 t。

單邊主構(gòu)架后鉤輪的荷載大小是24.5 t。軌道要承受24.5 t的荷載。

根據(jù)混凝土箱梁梁體的豎向預(yù)應(yīng)力筋布置可知，其縱向間距一般是按照0.5 m布置的。而軌道是通過(guò)豎向預(yù)應(yīng)力筋錨固在混凝土箱梁梁面上的，也就是說(shuō)，軌道的錨固間距是按0.5 m布置的[5-6]。由于掛籃位置和豎向筋的矛盾，施工人員可能不能保證每根豎向筋都能錨固軌道，那么按照1.5 m的跨度來(lái)計(jì)算軌道，即后鉤輪走行過(guò)程中其前后最多有1根豎向筋無(wú)法錨固。軌道斷面如圖5所示。圖中，數(shù)據(jù)單位均為毫米（mm）。

實(shí)際建模計(jì)算按1.5 m跨度進(jìn)行，中間加載24.5 t的集中荷載，應(yīng)力分布如圖6所示。最大應(yīng)力約是77 MPa，小于許用拉應(yīng)力（150 MPa），滿(mǎn)足要求。

按軌道鋼材屈服強(qiáng)度計(jì)算，其走行抗傾覆穩(wěn)定的安全系數(shù)是3.05，大于最小安全系數(shù)（2.0），滿(mǎn)足要求[7-8]。

3 結(jié)論

本文針對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)渡槽懸臂掛籃澆筑施工，選取最不利荷載工況和掛籃行走工況，進(jìn)行了有限元建模和計(jì)算分析。研究表明，本文設(shè)計(jì)使用的菱形掛籃可滿(mǎn)足大跨度渡槽的懸臂施工需求;本文設(shè)計(jì)使用的掛籃行走方案符合規(guī)范要求的抗傾覆穩(wěn)定要求;本文提供的掛籃設(shè)計(jì)計(jì)算方案可為類(lèi)似工程提供技術(shù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉林.懸臂掛籃工藝在橋梁施工中的應(yīng)用解析[J].四川水泥，2021（3）：214-215.

[2]徐亞芳.懸臂掛籃技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用分析[J].四川水泥，2021（2）：73-74.

[3]交通運(yùn)輸部.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范：JTG/T F50—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[4]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[5]鄭曉榮.鐵路橋梁連續(xù)梁掛籃施工控制要點(diǎn)分析[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2020（22）：135-137.

[6]孟滔.橋梁連續(xù)梁掛籃施工技術(shù)分析[J].黑龍江交通科技，2020（8）：128-129.

[7]從紹虎.Midas在連續(xù)懸臂施工掛籃主桁檢算中的應(yīng)用[J].河南科技，2015（12）：77-79.

[8]胡娟.Midas/Civil軟件在大跨徑橋梁懸臂施工中的應(yīng)用[J].西部交通科技，2011（10）：61-64.