三角掛籃與菱形掛籃在懸臂施工中的比較分析

張文貴（上海市政建設(shè)有限公司，上海 200126）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對城市道路及航道運(yùn)輸?shù)男枨笕找嬖黾?，城市化進(jìn)程也出現(xiàn)了迅速的發(fā)展。多處河道上原有老式橋梁已不能滿足現(xiàn)階段航道運(yùn)輸及車輛通行需求。大量河道中的老橋需要拆除后新建大跨度懸臂梁橋。受河流空間環(huán)境制約，大跨度橋梁大多使用懸臂掛籃施工方法。本文以實(shí)際工程出發(fā)，對三角掛籃及菱形掛籃進(jìn)行對比分析，為同類型懸臂施工掛籃形式的選取提供參考。

1 工程概況

某市政橋梁采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，橫斷面為分離式兩幅橋布置，且兩幅橋結(jié)構(gòu)形式相同。施工時東幅橋主橋懸臂施工采用三角掛籃，西幅橋主橋懸臂施工采用菱形掛籃。

主橋為 73 m＋125 m＋73 m 三跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。箱梁斷面為變截面單箱單室直腹板，采用 C 55 混凝土。箱梁頂寬 14.55 m，底寬 7 m，翼緣板寬 3.775 m，根部梁高 6.861 m，腹板厚 50～100 cm，底板厚度為30.3～68.5 cm，頂板厚度 28 cm。

箱梁 0 號塊在支架上施工，梁段總長 13 m，邊、中合攏段長為 2 m；掛籃懸臂澆筑箱梁 1～2 號塊段長 3.5 m，3～5 號塊段長 4 m，6～13 號塊段長 4.5 m，箱梁懸臂澆注采用掛籃進(jìn)行施工。懸臂澆筑的箱梁中最重塊段為 3 號塊，重量為 200 t。懸臂梁橋設(shè)計立面圖如圖 1 所示。

圖1 懸臂梁橋設(shè)計立面圖

2 三角掛籃與菱形掛籃設(shè)計

2.1 掛籃整體要求

2.1.1 掛籃重量要求

根據(jù) JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中17.5.1 條關(guān)于掛籃的重量要求:“掛籃與懸澆梁段混凝土的質(zhì)量比宜 ≤0.5 且掛籃的總重應(yīng)控制在設(shè)計規(guī)定的限重之內(nèi)?！?。主梁懸澆節(jié)段最大恒載重為 200.0 t，故上限取為200.0 t×0.5=100.0 t；同時設(shè)計圖紙要求掛籃重量 ≤80 t。綜上，掛籃施工系統(tǒng)的重量的控制值在 80 t 以內(nèi)。

2.1.2 掛籃變形要求

掛籃最大組合變形控制在 20 mm 以內(nèi)。

2.1.3 安全系數(shù)要求

掛籃在澆筑混凝土狀態(tài)和行走時的抗傾覆安全系數(shù)、錨固系統(tǒng)的安全系數(shù)及限位系統(tǒng)的安全系數(shù)均應(yīng) ≥2.0。

2.2 三角掛籃設(shè)計

如圖 2 所示三角掛籃主要由主桁系、底模系、外模內(nèi)模系、前吊系、底錨系、走行系和施工平臺七大系統(tǒng)組成。單只掛籃重量 55.6 t。

圖2 三角掛籃總體布置圖

掛籃拼裝完成后，進(jìn)行整體預(yù)壓試驗，以消除其非彈性變形，測定其彈性變形與荷載的關(guān)系，為懸澆段立模標(biāo)高提供數(shù)據(jù)，驗證掛籃各部分結(jié)構(gòu)安全性。由掛籃受力分析可知施工 3# 塊時，主桁架受力最大。針對這一情況確定以 1.2倍 3 號塊重量（G=1.2×200 t=240 t）為加載荷載。預(yù)壓材料采用預(yù)制混凝土塊進(jìn)行堆載預(yù)壓。

2.3 菱形掛籃設(shè)計

本橋掛籃設(shè)計如圖 3所示，裝配式整體移動菱形鋼桁架拼裝掛籃，由由主桁系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、底籃系統(tǒng)、吊掛系統(tǒng)、平臺及防護(hù)系統(tǒng)、模板系統(tǒng)等部分組成。單只掛籃重量 67.5 t。

圖3 菱形掛籃總體布置圖

菱形掛籃預(yù)壓試驗加載重量與三角掛籃一致。

3 菱形掛籃與三角掛籃對比分析

3.1 結(jié)構(gòu)形式對比分析

掛籃是懸臂施工中的主要設(shè)備，按結(jié)構(gòu)形式可分為桁架式、斜拉式、型鋼式及混合式4種。菱形掛籃及三角掛籃均屬于桁架式掛籃，具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固穩(wěn)定、前移和裝拆方便、具有較強(qiáng)的可重復(fù)利用性，受力后變形小等特點(diǎn)。

掛籃主要材料采用 Q 345、Q 235 型鋼及鋼板，三角掛籃吊帶采用Φ32 mm 精扎螺紋鋼，菱形掛籃鋼吊帶采用120 mm×40 mm（Q 345）鋼板。

3.2 受力對比分析

3.2.1 有限元模型建立

根據(jù)設(shè)計圖紙，對三角掛籃及菱形掛籃的主要構(gòu)造進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模，采用橋梁有限元分析程序 MIDAS Civil 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[1]。計算中對傳力作了如下的假定。

（1）箱梁頂板混凝土、內(nèi)模支架、內(nèi)模重量通過內(nèi)滑梁傳力至已澆筑完成的前一個節(jié)段的箱梁頂板及掛籃主桁的前上橫梁。

（2）箱梁翼緣板處模板及混凝土重量通過其下的外滑梁傳力至已澆筑完成的前一個節(jié)段的箱梁翼板和掛籃主桁的前上橫梁。

（3）箱梁底部模板及底板、腹板砼重量由縱梁及鋼吊帶傳力至已澆筑完成的前一個節(jié)段的箱梁和掛籃主桁的前上橫梁。

掛籃結(jié)構(gòu)計算模型見下圖，包括主桁架、立柱間橫向連接系、前上橫梁、底籃、導(dǎo)梁等所有的承重系統(tǒng)。

3.2.2計算參數(shù)

（1）材料特性。鋼材密度：γ=78.5 kN/m3，彈性模量：E=206 GPa，混凝土自重：26.0 kN/m3。

（2）允許設(shè)計值如表 1、表 2 所示。

表1 鋼材強(qiáng)度設(shè)計值

表2 受彎構(gòu)件撓度容許值

（3）荷載組合。強(qiáng)度計算：1.2×混凝土重＋1.4×（人群機(jī)具荷載＋振動荷載）。人群及機(jī)具荷載:2.5 kN/m2，振動荷載：4.0 kN/m2。

取重量最大 3# 節(jié)段進(jìn)行計算，每個掛籃共 2 個主桁架，故每個桁架受力。

3.2.3 掛籃后錨穩(wěn)定性分析

掛籃系統(tǒng)所受的力最終由后錨系統(tǒng)進(jìn)行整體穩(wěn)定性保障，相同受力情況下，三角掛籃后錨受力如圖 4 所示，菱形掛籃后錨受力如圖 5 所示，在簡化模型下由有限元計算可知：三角掛籃后錨與菱形掛籃后錨受力相同，均為 F=1440 kN。兩者后錨系統(tǒng)均按 6 根Φ32 mm 精軋螺紋鋼筋承擔(dān)，單根Φ32 精軋螺紋鋼抗拉力為：N=625×804/1000=502.5 kN，故后錨安全系數(shù) k=502.5×6/1440=2.1 ＞ 2，均能滿足要求。

圖4 三角掛籃后錨系統(tǒng)受力（單位：kN）

圖5 菱形掛籃后錨系統(tǒng)受力（單位：kN）

3.2.4 主桁架受力分析

由外形觀看，三角掛籃、菱形掛籃主桁架均由兩個直角三角形構(gòu)成，主桁 5 根桿件分別以 A 1、A 2、A 3、A 4、A 5 代號進(jìn)行表示。每個桿件采用相同截面形式型鋼方管，尺寸截面 400 mm×300 mm，壁厚 14 mm。兩者主桁整體區(qū)別在于菱形掛籃將三角掛籃由 A 2、A 4、A 5 組成的三角形進(jìn)行倒置，如圖 6 及圖 7 所示。相應(yīng)的總體受力也發(fā)生改變，在外力作用下，兩者掛籃模型各桿件受力經(jīng)分析如圖 6及圖 7 所示。A 4 桿在三角掛籃中為受壓桿件，在菱形掛籃中變?yōu)槭芾瓧U件；A 5 桿在三角掛籃中為受拉桿件，在菱形掛籃中變?yōu)槭軌簵U件。同時對兩者總體受力大小進(jìn)行比較：三角掛籃 A 2 立桿受力較大為 2832 kN，A 3、A 5 斜桿受力基本一致為 1955 kN，故在桿件選取上主控 A 2 立桿的材料強(qiáng)度及截面面積。菱形掛籃 A 2 立桿受力適中為 1445 kN，A 3、A 5 桿件受力大小相同為 1980 kN，但一個受壓、一個受拉。三角掛籃 A 2 立桿桿件受力幾乎為菱形掛籃的 2 倍，故三角掛籃桿件立桿選取時需進(jìn)行加強(qiáng)。因此從主桁架軸力情況來說，菱形掛籃優(yōu)于三角掛籃。

圖6 三角掛籃主桁軸力圖（單位：kN）

圖7 菱形掛籃主桁軸力圖（單位：kN）

3.2.5 變形分析

相同工況下，兩者位移變形情況如圖 8 及圖 9 ：三角掛籃主桁架最大變形約 15.6 mm，菱形掛籃主桁架最大變形約 13.3 mm。故菱形掛籃主桁結(jié)構(gòu)與三角掛籃主桁結(jié)構(gòu)總體變形相差不多，三角掛籃略大。

圖8 三角掛籃主桁變形圖（單位：mm）

圖9 菱形掛籃主桁變形圖（單位：mm）

同時菱形掛籃吊帶長度較三角掛籃的長 4.2 m，根據(jù)材料力學(xué)公式，變形，為了保證菱形掛籃吊帶具有較小的變形量，需增大吊帶截面積，在西幅橋建模驗算時原精扎螺紋鋼無法滿足變形量要求，重新選用 120×40mm 鋼板。按 4 根鋼吊帶考慮，每根鋼吊帶受力 p=720 kN，故懸臂4.2 m 長度所增加的變形，而三角掛籃與菱形掛籃主桁架變形差值為 15.6-13.3=2.3 mm，此兩者數(shù)值相差不大，可互相彌補(bǔ)。故總體變形而言，兩種掛籃相差不多。

3.2.6 掛籃行走抗傾覆分析

菱形掛籃行走時前端三角一直為懸臂段，受力始終偏大，行走時為了防止后錨反扣輪出現(xiàn)意外導(dǎo)致掛籃整體向前傾覆，在后錨位置設(shè)置了保險裝置，保險裝置利用上下反壓梁和精軋螺紋鋼錨固在行走軌道上。三角掛籃行走時前端三角跟隨行走過程逐漸懸空變?yōu)閼冶鄱?，受力由小逐漸變大，同時由于三角掛籃重心較低，故行走過程中三角掛籃穩(wěn)定性優(yōu)于菱形掛籃。

3.3 施工對比分析

菱形掛籃前面三角形為斜向上懸挑，相比三角掛籃具備更大的操作空間，施工人員在前節(jié)段進(jìn)行鋼筋、模板工程等施工時幾乎無干擾，但由于菱形掛籃懸空高度較高，租賃或者購買時需配備前上橫梁安全操作平臺。

菱形掛籃由于重心較高，橫向連接數(shù)量較多，設(shè)置的平聯(lián)連接增加掛籃整體重量及鋼材用量。同時菱形掛籃由于主桁架前三角桿件懸挑，導(dǎo)致安裝及拆除過程較三角掛籃繁瑣，高處安拆作業(yè)危險性也更大[2]。

掛籃在行走時的后錨傳力過程為：桁架→反扣輪→走行軌→梁體。菱形掛籃主桁架中間立桿受力較三角掛籃的要小，故菱形掛籃對立桿下軌道材料的要求較三角掛籃要低，同時掛籃行走過程的摩擦力小，施工過程中菱形掛籃的節(jié)段行走時間要遠(yuǎn)小于三角掛籃，節(jié)約每個節(jié)段的施工時間，有利于縮短工期。

4 結(jié) 語

懸臂掛籃施工在大跨度橋梁應(yīng)用越來越廣泛，而在各種掛籃形式之中，三角掛籃與菱形掛籃較為常用。三角掛籃重心較低，兩個三角桿件能貼合梁體受力，整體穩(wěn)定性較優(yōu)，但主桁架立桿受力較大。菱形掛籃各桿件受力較為均勻，但行走過程前三角桁架懸空，受慣性力作用下傾覆風(fēng)險較大，同時菱形掛籃施工過程中能提供較大的操作空間，加快施工速度?？傊罂缍葮蛄涸谑┕旎@的選型上，需綜合考慮施工現(xiàn)場工況、變形要求、受力特點(diǎn)等多方面因素，這樣才能使安全系數(shù)得到保證、施工速度達(dá)到要求、總體效益達(dá)到最優(yōu)。