三角掛籃在普通干線公路橋梁建設(shè)中的應(yīng)用分析

李 瓏

（濱州市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 濱州 256600）

0 引言

我國從20世紀(jì)80年代起開始推廣應(yīng)用掛籃作為懸臂澆筑施工的主要設(shè)備，如今我國懸臂澆筑施工中應(yīng)用的掛籃已不斷向高強(qiáng)、輕型、大跨發(fā)展，從最初的平行桁架式，發(fā)展出菱形、三角形、全錨式等眾多形式，日趨多樣化，結(jié)構(gòu)更加簡便，安裝使用更加方便，結(jié)構(gòu)受力更加合理，應(yīng)用也更加廣泛。

雖然各種形式的掛籃大量應(yīng)用于橋梁工程施工過程中，但現(xiàn)有技術(shù)資料大多偏重于前期的設(shè)計計算，或是具體的施工過程，很少有結(jié)合成橋后橋梁檢測以驗證掛籃的合理性及可行性，本文以施工方案和相關(guān)規(guī)范為依據(jù)，確定掛籃結(jié)構(gòu)在掛籃預(yù)壓、混凝土澆筑以及掛籃行走階段的荷載組合，通過建立有限元模型對三角掛籃在不同工況下各桿件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗算，并結(jié)合后期大橋荷載試驗檢測驗證分析橋梁承載能力，為項目的順利實施提供了技術(shù)保障，并為類似工程實踐提供有益經(jīng)驗。

1 工程背景

K33+126.9徒駭河大橋位于S247樂胡線改建工程新建段，跨越徒駭河，橋梁中心樁號為K33+126.9，橋梁全長667 m，橋梁正交水流方向。主橋橋跨組合為50 m+80 m+50 m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。

主橋主要的施工工序，首先采用支架現(xiàn)澆0梁段，然后采用8套掛籃于9、10墩左、右幅同時對稱澆筑懸臂梁段。其次利用支架澆筑邊跨現(xiàn)澆段，最后采用掛籃澆筑中跨合攏段。

2 掛籃的選擇

本橋掛籃選擇三角形掛籃。優(yōu)點是自重較輕，結(jié)構(gòu)簡單，行走方便，計算簡便。主要由五個系統(tǒng)組成，即主桁、錨固、提吊、行走、模板和張拉作業(yè)平臺。

3 計算荷載

荷載包括混凝土重量、掛籃自重和施工荷載。

3.1 混凝土重量

梁段混凝土最大重量為1 285 kN（1號節(jié)段），懸澆長度為3.5 m。

3.2 掛籃自重

掛籃自重根據(jù)實際情況計算得350 kN。掛籃與梁段混凝土重量之比均小于0.5。

3.3 施工荷載

振搗荷載采用4 kN/m；人群和施工荷載可采用2.5 kN/m；基本風(fēng)壓采用W=0.55 kN/m。

3.4 計算模型

本橋掛籃利用有限元法輔助相關(guān)專業(yè)軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)合理的施工方案對其進(jìn)行工況分析。

4 掛籃預(yù)壓階段

4.1 荷載組合

采用的荷載組合及其分項系數(shù)見表1。

表1 掛籃預(yù)壓階段設(shè)計計算荷載效應(yīng)組合及分項系數(shù)

4.2 強(qiáng)度分析

強(qiáng)度計算考慮采用基本組合。由軟件分析計算可得，其計算結(jié)果見圖1所示，構(gòu)件最大應(yīng)力為129MPa，小于Q235設(shè)計強(qiáng)度215MPa；螺紋吊桿內(nèi)力最大為353MPa，小于設(shè)計強(qiáng)度770MPa，所以構(gòu)件強(qiáng)度滿足規(guī)范規(guī)定。

圖1 掛籃預(yù)壓應(yīng)力圖

4.3 撓度分析

由軟件計算分析，其計算結(jié)果見圖2所示，在沒有安裝內(nèi)外導(dǎo)梁并以1.2倍最大梁段重量進(jìn)行預(yù)壓時，下橫梁最大豎向撓度為20 mm，滿足規(guī)范規(guī)定。

圖2 掛籃預(yù)壓撓度圖

4.4 錨固安全性分析

錨固安全計算采用標(biāo)準(zhǔn)組合。掛籃設(shè)計每根主梁上設(shè)置兩組分配梁，每組分配梁上的后錨上設(shè)置4根φ32高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋。

由軟件分析，其計算結(jié)果見圖3所示，后錨抗拔力單根最大為N=215 kN，

圖3 掛籃預(yù)壓后錨應(yīng)力圖

已知φ32鋼筋允許軸向拉力為550 kN，并且P=215 kN＜Q=550 kN。

內(nèi)側(cè)掛籃后錨安全系數(shù)為：K=550/215=2.55＞2，符合規(guī)范的規(guī)定。

所以掛籃后錨在預(yù)壓階段安全。

4.5 穩(wěn)定性驗算

依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《鋼規(guī)》）規(guī)定，兩端簡支的箱形截面壓彎Q235構(gòu)件，如果h與b之比小于或等于6時，且l與b之比不超過95時，可以不驗算構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。

5 混凝土澆筑階段

5.1 荷載組合

采用的荷載組合及其分項系數(shù)見表2。

表2 掛籃混凝土澆筑階段設(shè)計計算荷載效應(yīng)組合及分項系數(shù)

5.2 強(qiáng)度驗算

強(qiáng)度計算采用基本組合。由軟件計算分析，其計算結(jié)果見圖4所示，鋼構(gòu)件最大應(yīng)力為126MPa，小于Q235設(shè)計強(qiáng)度215MPa；螺紋吊桿內(nèi)力最大299MPa，小于設(shè)計強(qiáng)度770MPa，滿足規(guī)范規(guī)定。

圖4 混凝土澆筑應(yīng)力圖

5.3 銷釘驗算

抗剪計算：連接斜拉帶鋼銷采用40Cr號，鋼銷直徑為60.5cm，根據(jù)連接情況可知為雙剪，其計算結(jié)果見圖5所示，故作用在剪切面上的剪力為Q=N/2=836/2=418 kN。

圖5 主桁架軸力圖（KN）

5.4 錨固性安全驗算

由軟件分析，其計算結(jié)果見圖6所示，掛籃后錨單根最大抗拔力N=200 kN。

圖6 后錨應(yīng)力圖

已知φ32鋼筋允許軸向拉力為550 kN，

并且P=200 kN＜Q=550 kN，

內(nèi)側(cè)掛籃后錨安全系數(shù)為K=550/200=2.7＞2，符合規(guī)范的規(guī)定。

所以掛籃后錨在混凝土澆筑階段安全。

5.5 變形驗算

掛籃變形驗算采用標(biāo)準(zhǔn)組合。由軟件計算分析，其計算結(jié)果見圖7所示，砼澆筑狀態(tài)下，橫梁撓度為19 mm，掛籃前端的撓度（包括吊桿變形）小于20 mm，滿足規(guī)范規(guī)定。

圖7 撓度圖

5.6 穩(wěn)定性分析

同上文4.5，依據(jù)《鋼規(guī)》規(guī)定，可以不驗算構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。

6 行走階段

6.1 荷載組合

采用的荷載組合及其分項系數(shù)見表3。

表3 掛籃行走階段設(shè)計計算荷載效應(yīng)組合及分項系數(shù)

6.2 強(qiáng)度驗算

強(qiáng)度計算采用基本組合。由軟件計算分析，構(gòu)件最大應(yīng)力為106MPa，小于Q235設(shè)計強(qiáng)度215MPa；螺紋吊桿內(nèi)力最大88MPa，小于設(shè)計強(qiáng)度770MPa，強(qiáng)度滿足規(guī)范規(guī)定。掛籃向前行走2.5 m，不僅可以滿足梁端長度的要求，同時可以保證掛籃具有足夠的安全系數(shù)，建議采用2.5 m的限位。圖8是向前行走2.5 m的桿件應(yīng)力圖。

圖8 掛籃行走階段桿件應(yīng)力圖

6.3 錨固安全驗算

錨固安全采用標(biāo)準(zhǔn)組合。

由軟件分析，其計算結(jié)果見圖9所示，掛籃后錨抗拔力單根最大為N=62 kN。

圖9 掛籃行走階段后錨應(yīng)力圖

已知φ32鋼筋設(shè)計允許的軸向拉力為550 kN，

并且P=62 kN＜Q=550 kN。

內(nèi)側(cè)掛籃后錨安全系數(shù)為K=550/62=8.9＞2，所以符合規(guī)范的規(guī)定。

所以掛籃后錨在行走階段安全。

6.4 構(gòu)件穩(wěn)定驗算

同上文4.5，依據(jù)《鋼規(guī)》規(guī)定，可以不驗算構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。

7 橋梁荷載試驗

徒駭河大橋在成橋后，對其進(jìn)行了橋梁荷載試驗，檢測內(nèi)容包括橋梁靜載試驗和動載試驗。通過測定橋跨結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的控制截面應(yīng)力和撓度，對試驗現(xiàn)象和試驗數(shù)據(jù)綜合分析，以判定橋梁技術(shù)狀況。

主橋及引橋的靜載試驗結(jié)論：其靜力荷載試驗主橋和引橋荷載工況的試驗效率值最大為1.04，最小為0.92，均介于0.85～1.05之間，試驗結(jié)果能夠反映結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的技術(shù)狀態(tài)；主要測點應(yīng)變校驗系數(shù)均小于1.0，主橋和引橋的強(qiáng)度均滿足設(shè)計要求，主要測點撓度校驗系數(shù)均小于1.0，主橋和引橋的剛度滿足設(shè)計要求；試驗殘余應(yīng)變統(tǒng)計值的最大值為13.9%，殘余撓度統(tǒng)計值的最大值為14.1%，均小于20%，說明主橋和引橋的整體結(jié)構(gòu)基本接近彈性工作狀態(tài)。

主橋及引橋的動載試驗結(jié)論：經(jīng)自振模態(tài)檢測，主橋和引橋的實測一階自振頻率均大于其理論頻率計算值，主橋和引橋符合設(shè)計要求；經(jīng)行車試驗檢測，主橋及引橋的實測沖擊系數(shù)均小于其理論沖擊系數(shù)，主橋和引橋符合設(shè)計要求。

因此橋梁荷載試驗檢測徒駭河大橋主橋、引橋承載能力符合設(shè)計荷載公路-I級要求。

8 結(jié)語

通過設(shè)計驗算以及成橋后橋梁荷載試驗的結(jié)果分析驗證，掛籃結(jié)構(gòu)在最不利工況的作用下，桿件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、剛度均滿足有關(guān)規(guī)范的規(guī)定，適合本工程的施工要求，并且掛籃重量與最大梁段自重比值，掛籃前端的豎向變形（包括吊桿變形），掛籃的抗傾覆后錨安全系數(shù)等各項技術(shù)指標(biāo)也滿足規(guī)范規(guī)定。故本項目掛籃設(shè)計可行。