用于垂直分段施工的拱橋下承式掛籃研究

楊寶林，熊慧珺

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，武漢 430050）

1 研究背景

由于拱形結(jié)構(gòu)的受力特點，在陡峭峽谷、湍急河流地帶拱橋具有較大的競爭力[1]。重慶禮嘉嘉陵江大橋為三跨連續(xù)式梁拱組合預應力混凝土剛構(gòu)橋，其單跨橋梁總體結(jié)構(gòu)及分段示意圖如圖1所示。

圖1 嘉陵江大橋總體結(jié)構(gòu)及分段示意圖

此橋為創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)，施工工藝獨特，上下弦懸臂梁施工過程中，采用臨時扣索，輔助懸臂梁受力。其中下弦結(jié)構(gòu)為典型的拱橋結(jié)構(gòu)，本文以下弦拱形主梁施工為研究對象，其標準分段長度為5 m，斷面采用箱型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 下弦標準斷面圖

該橋下弦主梁主要有以下特點：1）拱橋的節(jié)段分縫，不是常見的豎直分縫形式，為垂直分縫；2）箱梁寬度達9 m，屬同類橋梁特寬斷面；3）單節(jié)主梁最大質(zhì)量為228 t，且無預應力。

2 掛籃設計思路

分析嘉陵江大橋的下弦主梁特點不難發(fā)現(xiàn)，掛籃的設計存在以下難點：1）傳統(tǒng)的后支點三角掛籃通過設置前懸吊吊桿來傳遞混凝土載荷，吊桿宜豎向布置以承受拉力；本項目主梁為垂直分縫，隨著施工的進行，拱形節(jié)段的斜率越來越小，其水平投影總長度將越來越大，三角掛籃將無法滿足施工要求；2）主梁無預應力，混凝土承受壓力的能力有限，掛籃結(jié)構(gòu)應盡量輕巧，以減小支點反力；同時掛籃各支點位置的選擇也尤為關(guān)鍵；3）掛籃的整體剛度要強，才能保證掛籃在施工中反復行走后不會變形[2]；而剛度控制與結(jié)構(gòu)自重的控制又相矛盾，要找到最佳節(jié)點；4）掛籃在斜面上施工及前移，需采用專項機構(gòu)以解決掛籃在重力作用下的下滑問題；5）大型結(jié)構(gòu)的安全性保障也尤為重要。

本文以此項目為依托，對下承式掛籃的設計進行研究，將著重解決以下幾個問題：1）垂直分縫的拱橋施工解決方案；2）承重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自重與剛度控制的最佳節(jié)點；3）防掛籃下滑專項機構(gòu)的研究；4）大型承重結(jié)構(gòu)強度及剛度的有限元分析。

3 下承式掛籃研究

3.1 設計思路及總體結(jié)構(gòu)研究

傳統(tǒng)后支點三角掛籃不能用于垂直分縫的最主要原因是：吊桿只能承受豎向拉力，不能承受彎矩。因此，采用由縱梁和橫梁組成的鋼結(jié)構(gòu)直接承力，可較好地解決垂直分縫拱形結(jié)構(gòu)的澆筑問題。

借鑒斜拉橋施工用到的前支點掛籃結(jié)構(gòu)體系，將承力桁架布置到混凝土節(jié)段梁的下方，就能夠承受拱圈節(jié)段的荷載[3]。通過錨桿將承重結(jié)構(gòu)錨固于已澆筑混凝土主梁的下方，由承重結(jié)構(gòu)自身的強度及剛度來承受澆筑混凝土荷載，即可無須設置前吊桿。掛籃澆筑的姿態(tài)完全平行于主梁，不受斜率變化的影響，可較好地滿足垂直分縫的拱橋節(jié)段施工需要。本項目研發(fā)的掛籃總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 適用于拱橋垂直分縫的下承式掛籃

該下承式掛籃由承重結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)（主要包括主行走機構(gòu)和后行走小車）、定位系統(tǒng)（包括主頂系統(tǒng)、防滑機構(gòu)和后頂升機構(gòu)）、錨固系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、工作平臺和預埋件系統(tǒng)組成，掛籃自重與節(jié)段混凝土質(zhì)量之比僅為0.35，結(jié)構(gòu)輕巧，滿足無預應力箱梁的受力要求。

3.2 承重系統(tǒng)研究

承重系統(tǒng)是掛籃支承模板體系和懸臂澆筑荷載的主體結(jié)構(gòu)，為了找到結(jié)構(gòu)自重與剛度變形控制的最佳節(jié)點，本項目的承重系統(tǒng)采用魚腹式桁架體系，如圖4所示。

圖4 掛籃的承重系統(tǒng)

此承重系統(tǒng)主體為由主縱梁、聯(lián)系橫梁、魚腹架、掛腿和底模縱梁組成的空間桁架結(jié)構(gòu)。錨固系統(tǒng)通過精軋螺紋吊桿與承重系統(tǒng)連接固定于已澆筑混凝土主梁上。掛腿上部安裝有前行走小車，前行走小車在橋面上鋪設的專用軌道上滑移以完成掛籃的前移。整個承重系統(tǒng)劃分為小桿件進行加工和運輸，桁架桿件采用高強螺栓進行連接，以適應山區(qū)項目的交通運輸和現(xiàn)場起重吊裝條件。

這種設計結(jié)構(gòu)輕巧、受力明確、安裝方便，澆筑工況下的總體變形可控制在25 mm以內(nèi)，既能滿足結(jié)構(gòu)剛度要求，又能滿足承載平臺拼裝的空間要求，同時結(jié)構(gòu)質(zhì)量也得到較好的控制。

3.3 行走系統(tǒng)研究

傳統(tǒng)的三角掛籃行走大多是采用千斤頂?shù)拈g歇式人工作業(yè)，且行程有限（多為20 cm），將導致中間轉(zhuǎn)換工序繁多（行走一個節(jié)段長度，需轉(zhuǎn)換約25次）。同時難以保證左右兩側(cè)掛腿的同步性，掛籃極易走偏（糾偏工作難度較大，嚴重影響掛籃施工效率）。為了解決上述問題，本掛籃的行走機構(gòu)設計為由油缸作為主動力，引入液壓控制系統(tǒng)進行同步控制。主要由行走軌道、前后行走小車及推進油缸組成，如圖5所示。

圖5 掛籃的行走系統(tǒng)

掛籃的行走主動力為兩個行走油缸，行走油缸的控制摒棄傳統(tǒng)的人工直接操作液壓泵車的方式，由于傳統(tǒng)的方式無法可靠保證兩側(cè)行走的同步性，容易出現(xiàn)掛籃走偏的情況。本項目引入PLC控制系統(tǒng)來實現(xiàn)兩側(cè)行走油缸的同步，有效解決掛籃走偏的問題。前行走小車的前后始終有軌道壓梁將軌道可靠地錨固在橋面上。前小車與軌道腹板之間設置插銷作為保險裝置，以防止在油缸回程時掛籃下滑。同時各行走部件均布置在箱梁實腹板位置，以滿足無預應力箱梁的受力要求。后行走小車直接采用螺桿升降的設計，不同于傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)設計。

3.4 定位系統(tǒng)研究

掛籃的定位系統(tǒng)由布置在掛腿處的主頂升機構(gòu)、布置在承重系統(tǒng)中后部的防滑機構(gòu)及布置在承重系統(tǒng)尾部的后頂升機構(gòu)組成[5]，如圖6所示。

圖6 掛籃的定位系統(tǒng)

該定位系統(tǒng)的亮點為液壓式防滑機構(gòu)，一方面有效解決掛籃在斜面上施工及行走所產(chǎn)生的斜向分力，防止下滑[3]；另一方面防滑機構(gòu)中裝有液壓油缸可以快速地調(diào)整掛籃的縱向位置。定位系統(tǒng)各機構(gòu)與行走機構(gòu)縱向或橫向錯開（與前行走小車橫向錯開，與后行走小車縱向錯開），均同樣布置在主梁的實心腹板位置。其他部件（如主頂系統(tǒng)及后頂升機構(gòu)）與傳統(tǒng)掛籃基本相同，在此不再贅述。

3.5 錨固系統(tǒng)研究

掛籃錨固系統(tǒng)包括2組中橫梁錨桿組，單組錨固如圖7所示。

圖7 掛籃的定位系統(tǒng)

錨固系統(tǒng)的主要作用是將掛籃自重和所承受的施工荷載傳遞到已澆梁段上，為了安裝施工方便，將錨固系統(tǒng)設置在拱箱底板，避免錨桿穿透整個箱梁帶來的預埋難題。同時通過計算，將錨固局部的底板加厚，以保證混凝土箱梁的安全性。

3.6 模板系統(tǒng)研究

模板系統(tǒng)如圖8所示，其主要作用是保證混凝土的成形質(zhì)量。為了簡化模板設計及加工，底模采用以直代曲來模擬拱形曲線，側(cè)模通過2組底部可調(diào)撐桿與底模連接，通過頂部斜向?qū)瓧U與頂面連接，3類模板自身就形成一個穩(wěn)定的箱型梁系，無需再設置對拉桿，提升施工效率。

圖8 掛籃的模板系統(tǒng)

4 結(jié)構(gòu)的有限元分析

利用ANSYS進行結(jié)構(gòu)有限元計算。特別需要說明的是，模型計算僅供驗證結(jié)構(gòu)的總體強度、剛度使用，各關(guān)鍵桿件的受力及穩(wěn)定性需提取模型反力后再手動進行相關(guān)復核計算，本文由于篇幅所限，僅列出模型計算結(jié)果。

4.1 模型的坐標系

模型以兩主縱梁末端截面中心連線的中點為坐標原點，橫橋向方向為X軸方向，垂直向上的方向為Y軸正方向，Z軸方向按照笛卡爾直角坐標系的右手法則建立。

4.2 模型簡化及建立

本項目重點分析承重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對模板系統(tǒng)、主要受力機構(gòu)及相關(guān)輔助部件進行相關(guān)處理：對于主要機構(gòu)，采用約束的方式添加在結(jié)構(gòu)對應位置節(jié)點上；各模板及輔助部件的質(zhì)量根據(jù)其布置位置加載在相應承重結(jié)構(gòu)上。

本掛籃承重結(jié)構(gòu)為大型空間桁架體系，各桁架桿件采用beam188 梁單元模擬，掛籃各受力機構(gòu)采用約束方式處理。掛籃承重系統(tǒng)的有限元模型如圖9所示。

圖9 承載平臺計算模型

4.3 模型的約束

ANSYS中對掛籃的自由度進行約束，在結(jié)構(gòu)分析過程中，作為位移和邊界條件出現(xiàn)。掛籃模型約束定義如表1所示。

表1 掛籃模型的約束

4.4 計算荷載

根據(jù)箱梁結(jié)構(gòu)特點，混凝土荷載、模板荷載和人群施工荷載及風荷載[6]分別加載在承載系統(tǒng)主梁及底?？v梁等各部分上。除結(jié)構(gòu)自重荷載以重力加速度的方式施加外，其余荷載以線荷載形式施加。

4.5 計算及結(jié)果分析

在ANSYS中進行計算分析，計算結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10 掛籃澆筑時的應力云圖（MPa）

圖11 掛籃澆筑時的位移云圖（mm）

圖12 掛籃行走時的應力云圖（MPa）

圖13 掛籃行走時的位移云圖（mm）

由上述計算可知，澆筑工況下掛籃最大應力為138 MPa，最大變形為23 mm；行走工況下掛籃最大應力為132 MPa，最大變形為35 mm，故掛籃強度和剛度均滿足要求。

5 結(jié)語

通過對用于拱橋施工的下承式掛籃的相關(guān)技術(shù)進行深入研究，本文有針對性地解決了垂直分縫的拱橋節(jié)段在懸臂澆注掛籃設計中的重點、難點問題，并對其結(jié)構(gòu)的安全性進行了計算分析，對類似混凝土拱橋的懸臂施工，具有較高的借鑒和指導意義。