波形鋼腹板PC組合箱梁橋同步異位懸臂施工新型掛籃設(shè)計研究*

舒宏生，侯潤鋒，劉新華，劉 勛

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

近年來，波形鋼腹板橋梁因抗震性能好、具有良好的經(jīng)濟性和可施工性等優(yōu)點，在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在建和已建波形鋼腹板橋梁采用的施工方法主要有滿堂支架法、懸臂施工法、頂推法等，但大部分該類型橋梁施工普遍采用傳統(tǒng)掛籃懸澆工法。針對波形鋼腹板橋梁懸臂施工，日本提出Rap.con/RW工法，應(yīng)用于多座波形鋼腹板橋梁中，技術(shù)較成熟，但在國內(nèi)應(yīng)用較少。王達(dá)等[1]對四川頭道河大橋利用ANSYS建立有限元計算模型，對采用Rap.con/RW工法的波形鋼腹板PC組合箱梁橋進行相關(guān)研究，明確該工法具有傳統(tǒng)掛籃懸澆工法無可比擬的優(yōu)越性，結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化合理。高天明[2]以MIDAS Civil有限元軟件對RW工法施工流程進行模擬，進一步驗證施工過程中橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。筆者所在單位通過比選研究，在Rap.con/RW工法和傳統(tǒng)掛籃懸澆工法基礎(chǔ)上提出同步異位新型掛籃懸澆工法，基于該工法創(chuàng)新研制的新型掛籃可很好實現(xiàn)大跨徑波形鋼腹板橋懸澆施工，符合掛籃輕型化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計理念。

1 工程概況

昭君黃河特大橋由主橋、灘橋及跨堤橋組成，主橋跨徑布置為85+9×150+85=1 520m，跨堤橋包括南、北兩部分，跨徑布置為40+70+40=150m，全長4.3km。主橋及跨堤橋上部結(jié)構(gòu)為波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單幅主梁采用單箱單室直腹板形式。主橋單一聯(lián)長達(dá)1 520m，建成后將成為國內(nèi)聯(lián)長最長的梁式橋，橋跨布置如圖1所示。

圖1 橋跨布置(單位：m)

主梁整體劃分為16個節(jié)段，最重梁段為1號梁段，重約258t(內(nèi)含93t內(nèi)襯混凝土)，主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。上部結(jié)構(gòu)波形鋼腹板波長1.60m，波高0.22m，水平面板寬0.43m，水平折疊角度為30.7°，彎折半徑為15t(t為波形鋼腹板厚度)。波形鋼腹板與頂、底板混凝土連接，其中與頂板混凝土采用雙PBL鍵的方式連接，與底板采用└200×200×18連接，波形鋼腹板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 主橋主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

圖3 波形鋼腹板結(jié)構(gòu)

2 掛籃懸澆工法研究

考慮本橋大跨徑結(jié)構(gòu)特點及現(xiàn)場施工作業(yè)條件，采用掛籃懸澆工法應(yīng)是最優(yōu)選擇。因此，下面重點討論波形鋼腹板橋梁施工不同掛籃懸澆工法的比選。

2.1 傳統(tǒng)掛籃懸澆工法

通過對國內(nèi)波形鋼腹板連續(xù)梁橋施工工法的統(tǒng)計分析可知，目前普遍采用的掛籃懸澆施工工法仍為傳統(tǒng)掛籃懸澆工法，據(jù)此設(shè)計的掛籃結(jié)構(gòu)形式如下：①混凝土頂、底板采用三角或菱形掛籃澆筑，波形鋼腹板利用塔式起重機或汽車(履帶)式起重機等進行定位安裝，這種掛籃結(jié)構(gòu)形式需要起重機械作業(yè)通道或滿足波形鋼腹板吊裝要求的長懸臂塔式起重機。根據(jù)宋隨弟等[3]對波形鋼腹板橋跨度的研究分析，波形鋼腹板橋最大跨度達(dá)400m，隨著跨度增加，這種掛籃結(jié)構(gòu)形式的弊端越明顯；②利用原有常規(guī)掛籃進行結(jié)構(gòu)改進，使之具備波形鋼腹板定位安裝功能，這種掛籃結(jié)構(gòu)形式雖然能實現(xiàn)混凝土澆筑和波形鋼腹板定位安裝要求，但掛籃結(jié)構(gòu)自重大，使懸澆梁段受力大，增加橋梁施工監(jiān)控難度，掛籃通用性不強且需重復(fù)改裝設(shè)計。同時，上述傳統(tǒng)掛籃設(shè)計方案中頂、底板鋼筋綁扎及混凝土澆筑等作業(yè)在同一工作面內(nèi)，作業(yè)面受限且存在交叉作業(yè)的安全隱患，具有很大局限性，成本較高、周期較長、工效較低?；趥鹘y(tǒng)掛籃懸澆工法的掛籃設(shè)計方案如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)掛籃設(shè)計方案

2.2 同步異位新型掛籃懸澆工法

根據(jù)前述分析，傳統(tǒng)掛籃懸澆工法未能有效利用波形鋼腹板抗剪力學(xué)性能。鑒于此，對國內(nèi)外同類型橋梁施工工藝及現(xiàn)有技術(shù)理論進行研究，提出適用于大跨徑波形鋼腹板連續(xù)梁橋標(biāo)準(zhǔn)化施工的同步異位新型掛籃懸澆工法，利用波形鋼腹板結(jié)構(gòu)自承重，設(shè)計有獨立的波形鋼腹板吊運系統(tǒng)，實現(xiàn)波形鋼腹板定位安裝，適應(yīng)范圍更廣、經(jīng)濟性更高。基于同步異位新型掛籃懸澆工法的新型掛籃結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型掛籃設(shè)計方案

同步異位新型掛籃懸澆工法是將梁段頂板和底板異位施工同步澆筑，即掛籃利用第n個梁段的波形鋼腹板做支撐，同步進行第n個梁段底板和第(n-1)個梁段頂板鋼筋安裝及混凝土澆筑施工，待混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度的70%后，利用波形鋼腹板吊運系統(tǒng)進行第(n+1)個梁段波形鋼腹板定位安裝，如此循環(huán)直至梁段合龍。本設(shè)計方案將施工作業(yè)面劃分成(n-1)，n，(n+1)作業(yè)面，作業(yè)面互不干涉，縮短作業(yè)周期，提升施工效率。

2.3 掛籃懸澆工法比選確定

根據(jù)工程特點，設(shè)計人員對掛籃懸澆工法進行優(yōu)缺點對比[4]，比選分析結(jié)果如表1所示。傳統(tǒng)掛籃懸澆工法材料及加工費為1 546.6萬元，設(shè)備費1 260萬元，人工費280萬元，共計3 086.6萬元；同步異位新型掛籃懸澆工法材料及加工費為1 106.6萬元，設(shè)備費658萬元，人工費224萬元，共1 988.6萬元。最終確定采用同步異位新型掛籃懸澆工法，總體節(jié)約施工成本約1 100萬元，經(jīng)濟效益明顯。

表1 工法特點比較

3 新型掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計

同步異位新型掛籃設(shè)計為前后整體移動式，采用波形鋼腹板自承重，由掛籃主桁結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、波形鋼腹板吊運系統(tǒng)、底籃和工作平臺等構(gòu)成。新型掛籃結(jié)構(gòu)如圖6所示，設(shè)計主要性能參數(shù)如下：懸臂澆筑標(biāo)準(zhǔn)梁段長4.8m，最大梁段重165t(不含內(nèi)襯混凝土)，掛籃總重約50.3t，自重荷載比為0.3，錨固系統(tǒng)及抗傾覆安全系數(shù)均>2，最大變形<20mm。

圖6 新型掛籃總體結(jié)構(gòu)

3.1 掛籃主桁結(jié)構(gòu)

掛籃主桁結(jié)構(gòu)是掛籃整體承重系統(tǒng)，整個結(jié)構(gòu)通過下部適應(yīng)橋面橫坡的高低支腿支承于波形鋼腹板倒π形槽內(nèi)，高低支腿上設(shè)置前后上橫梁，以直接承受懸吊系統(tǒng)傳遞的施工荷載；前后上橫梁間設(shè)置橫向聯(lián)系，采用螺栓連接，既滿足構(gòu)件運輸要求，又實現(xiàn)不同節(jié)段長度安裝，通用性強；主桁前部懸臂設(shè)置電動葫蘆縱移軌道，前后上橫梁間設(shè)置可縱移的平車托架，滿足波形鋼腹板施工作業(yè)要求。

3.2 底籃系統(tǒng)

掛籃底籃系統(tǒng)主要由前橫梁、中橫梁、后橫梁及小縱梁組成，橫梁采用雙拼H型鋼，間距3.8m+1.8m，小縱梁采用H型鋼并按荷載分布特點進行非等間距設(shè)置，共同承受底板及內(nèi)襯混凝土荷載。底籃中橫梁除需保證混凝土施工作業(yè)，還需提供掛籃自行回退作業(yè)時底籃結(jié)構(gòu)的支撐，強度及撓度均滿足設(shè)計要求。

3.3 波形鋼腹板吊運系統(tǒng)

波形鋼腹板吊運系統(tǒng)包括運輸系統(tǒng)和吊裝系統(tǒng)，運輸系統(tǒng)由平車和托架構(gòu)成，吊裝系統(tǒng)由三角吊裝支架、手拉葫蘆和電動葫蘆等構(gòu)成。波形鋼腹板放置于運輸平車上，在已澆筑梁段頂面和托架上布設(shè)平車軌道。波形鋼腹板經(jīng)平車運輸至托架上方，電動葫蘆及手拉葫蘆配合將波形鋼腹板豎向提離運輸平車，托架及運輸平車回退，波形鋼腹板兩次轉(zhuǎn)體實現(xiàn)定位安裝。波形鋼腹板吊運系統(tǒng)是該新型掛籃設(shè)計的創(chuàng)新點，解決波形鋼腹板定位安裝難題，無須安裝大型塔式起重機，可實現(xiàn)大跨徑波形鋼腹板橋掛籃懸澆標(biāo)準(zhǔn)化施工。

3.4 行走、懸吊系統(tǒng)

行走系統(tǒng)采用液壓千斤頂向前頂推，利用波形鋼腹板倒π形槽兩側(cè)φ60銷孔進行錨固并提供支撐。掛籃采用40Cr絲桿+Q345C鋼帶組合懸吊系統(tǒng)，鋼帶通過鋼銷與底籃前橫梁及中橫梁連接，絲桿利用千斤頂頂升調(diào)節(jié)，底籃操作更加方便可靠。

3.5 掛籃主要技術(shù)指標(biāo)

新設(shè)計的同步異位法懸臂施工新型掛籃滿足JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，掛籃自重50.3t，最重節(jié)段的混凝土重165t，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長4.8m，自重荷載比為50.3/165=0.3，錨固系統(tǒng)及抗傾覆安全系數(shù)均≥2，采用液壓推進方式，掛籃最大變形≤20mm，最大工作風(fēng)速為6級。

4 新型掛籃結(jié)構(gòu)計算

4.1 結(jié)構(gòu)計算相關(guān)參數(shù)

混凝土最重梁段為1號梁段，計算質(zhì)量165t，超載系數(shù)1.05。掛籃自重采用軟件自動計入。施工機具及人群荷載為2.5kN/m2。動力附加荷載動力系數(shù)為1.2，沖擊附加荷載沖擊系數(shù)為1.3，風(fēng)荷載考慮6級大風(fēng)條件。

4.2 計算工況分析

新型掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)掛籃在施工階段下的荷載情況，劃分如下荷載組合，其中荷載組合Ⅰ，Ⅱ用于掛籃主桁結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性計算，荷載組合Ⅲ用于變形計算，荷載組合Ⅳ用于掛籃行走驗算。各工況荷載系數(shù)按規(guī)范進行取值。

1)荷載組合Ⅰ ①混凝土質(zhì)量+②掛籃自重+③施工機具及人群荷載+④動力附加荷載。

2)荷載組合Ⅱ ①混凝土質(zhì)量+②掛籃自重+⑥風(fēng)荷載。

3)荷載組合Ⅲ ①混凝土質(zhì)量+②掛籃自重+③施工機具及人群荷載。

4)荷載組合Ⅳ ②掛籃自重+⑤沖擊附加荷載+⑥風(fēng)荷載。

根據(jù)昭君黃河特大橋施工工藝，計算時分別對1，2，3，14，15號合龍段澆筑施工工況、鋼腹板吊裝工況、掛籃行走工況、掛籃回退工況、非工作狀態(tài)工況及鋼腹板運輸與吊裝工況進行分析。

4.3 有限元計算及結(jié)果

本新型掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計采用MIDAS Civil軟件進行有限元計算，建立掛籃結(jié)構(gòu)整體模型，設(shè)置約束邊界條件，按上述工況及荷載進行計算分析[5]，得到如下結(jié)果。

1)掛籃主桁高低支腿最大應(yīng)力182.7MPa，主桁前后上橫梁最大應(yīng)力108.8MPa，底籃橫梁最大應(yīng)力131.7MPa，底籃縱梁最大應(yīng)力109.1MPa，內(nèi)外滑梁最大應(yīng)力162.5MPa；主桁結(jié)構(gòu)強度均滿足要求。

2)掛籃整體相對最大變形18.5mm<20mm，結(jié)構(gòu)整體剛度滿足規(guī)范要求[6]。

3)掛籃設(shè)計采用同步異位懸臂澆筑工藝，混凝土澆筑工況下掛籃結(jié)構(gòu)自平衡，僅波形鋼腹板吊裝工況下存在負(fù)向反力，計算抗傾覆安全系數(shù)5.7>2，穩(wěn)定性滿足要求。

5 試驗驗證

5.1 靜載對拉試驗

為檢查掛籃主桁架、絲桿及吊帶等構(gòu)件加工及安裝質(zhì)量，測量掛籃彈性變形及消除非彈性變形，驗證新型掛籃各項指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，在掛籃拼裝完成后進行兩階段加載試驗。在第1階段，設(shè)計靜載對拉試驗檢驗掛籃主桁架承載力，分級加載，最大加載為最重梁段荷載的1.2倍，具體加載方案如下。根據(jù)試驗得出主桁架相對最大變形15mm，小于理論計算值，滿足要求。靜載對拉試驗方案如圖7所示。

圖7 靜載對拉試驗方案

5.2 現(xiàn)場預(yù)壓試驗

在掛籃現(xiàn)場安裝完成后，進行第2階段現(xiàn)場預(yù)壓試驗。根據(jù)同步異位新型掛籃懸澆工法施工特點，本掛籃預(yù)壓分2次進行，第1次是直接預(yù)壓1號塊底板對應(yīng)底籃；第2次是1號塊底板澆筑完成，掛籃前移到位，對2號塊底板對應(yīng)底籃及1號塊頂板對應(yīng)高低側(cè)翼緣板模板及內(nèi)頂模進行預(yù)壓。預(yù)壓前按荷載分級制作混凝土預(yù)制塊，采用塔式起重機吊裝混凝土預(yù)制塊，分別對加載前、加載后、卸載后階段進行各控制點標(biāo)高測量。經(jīng)過預(yù)壓消除非彈性變形，實測平均彈性變形16mm，滿足要求。

6 結(jié)語

1)同步異位新型掛籃充分利用波形鋼腹板抗剪性能，采用波形鋼腹板臨時承重，多作業(yè)面互不干涉，施工效率高，作業(yè)安全風(fēng)險低，有效解決因黃河凌汛期長導(dǎo)致施工作業(yè)時間短、工期緊的問題。

2)新型掛籃結(jié)構(gòu)簡單，受力明確，自重小、穩(wěn)定性好、通用性強，可滿足大跨徑甚至超大跨徑波形鋼腹板橋梁標(biāo)準(zhǔn)化施工。

3)波形鋼腹板吊運系統(tǒng)可實現(xiàn)鋼腹板多方位吊裝，無須配置長懸臂塔式起重機，波形鋼腹板既可后方喂入安裝，也可前方垂直起吊安裝，同時兼顧側(cè)面吊裝，適用性強。

目前，新型掛籃已完成昭君黃河特大橋南、北岸跨堤橋及主橋部分節(jié)段箱梁懸澆施工任務(wù)，經(jīng)實踐證明新型掛籃設(shè)計滿足現(xiàn)場實際使用要求。該掛籃的成功設(shè)計與應(yīng)用，為波形鋼腹板橋懸澆施工提供了參考，對推動超大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋在國內(nèi)進一步發(fā)展起到積極作用。