黑水河特大橋掛籃設計及應用研究

覃冠華 廖梓材 何石鋒

摘要：文章以黑水河特大橋為研究背景，依據(jù)橋梁節(jié)段施工作業(yè)要求進行掛籃設計，并根據(jù)掛籃在懸臂澆筑過程中不同工況下的最不利狀態(tài)，采用Midas Civil軟件對掛籃結構進行有限元分析計算。通過對掛籃進行加載預壓測試，驗證其變形性能，結果表明該掛籃整體受力、變形性能滿足施工要求。

關鍵詞：掛籃；結構設計；有限元分析；預壓；現(xiàn)場應用

中圖分類號：U445.4A270894

0引言

為適應我國高速公路建設的快速發(fā)展，大跨度橋梁也越來越多。連續(xù)剛構橋作為大跨度橋梁之一，其施工方法包括懸臂拼裝法、懸臂澆筑法等，其中常用方法為懸臂澆筑法。掛籃是懸臂澆筑施工中主要的施工設備，需要承受橋梁節(jié)段自重、施工人員及機具等全部荷載作用，其結構性能會直接影響橋梁施工質量，所以需要對掛籃結構最大應力、最大變形進行驗算。因此，本文依托黑水河特大橋，對其施工掛籃進行設計，利用有限元軟件建立模型并分析掛籃在不同荷載組合下的強度、剛度及穩(wěn)定性。

1工程概況

黑水河特大橋主橋上部結構為80 m+150 m+80 m三跨預應力混凝土連續(xù)箱梁。箱梁根部高9.3 m、底板厚140 cm、跨中高5.41 m、底板厚54.2 cm；箱梁頂寬12.75 m、底寬6.75 m，頂板懸臂長3 m。主橋單墩上部結構箱梁澆筑為8×4 m+5×3.5 m+6×3 m+13 m（0#段）+6×3 m+5×3.5 m+8×4 m，共39段，除0#段外，其余節(jié)段采用掛籃對稱施工。全橋掛籃受力1#塊最重為188.8 t，長3 m；對前吊點受力最大為12#塊，長4 m，重151.8 t。橋面縱坡為-0.55%，橋面橫坡為2%。

2掛籃結構設計

2.1設計思路

掛籃主要結構包括菱形桁架、走行錨固系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、模板系統(tǒng)及操作平臺［1］（見圖1～2）。菱形桁架由菱形架前上弦梁、菱形架下底弦梁、菱形架前斜弦梁、菱形架后斜弦梁組成。菱形架下底弦梁落在已完成節(jié)段上，作為掛籃的承重點，在菱形架的中豎梁外側設有側門聯(lián)，并在后下橫梁上增加吊框，用以承吊外模板，減輕掛籃行走時前端重量。菱形架的中心距設置為6.5 m。懸吊系統(tǒng)采用PSB830 32 mm精軋螺紋鋼吊桿及Q355鋼吊帶，掛籃前、后端采用吊掛形式，前端吊掛設置5處吊點，腹板兩側由4根吊帶和中間1根精軋螺紋鋼組成；后端吊掛在箱梁底，附近設置5個吊點，側門聯(lián)設置2個吊點，共7個吊點，各吊點均采用精軋螺紋鋼。行走錨固系統(tǒng)由行走軌道、液壓行走系統(tǒng)、扁擔梁組成，解除后錨扁擔梁，啟動液壓行走系統(tǒng)，即可使掛籃在行走軌道上移動。模板系統(tǒng)包括底模、內模和外側模，模板采用整體加工Q235鋼材制作。在梁高變化較大處，沿梁高將鋼模分為3塊左右，使模板隨梁高變化可拆裝調整。在菱形桁架的前端小懸臂梁上懸吊設置操作平臺，操作平臺主要作用為縱向預應力鋼筋張拉及管道壓漿時提供施工平臺及作業(yè)人員站立行走等，其材料可采用方鋼或角鋼。掛籃桁架結構材料數(shù)量見下頁表1。

2.2有限元分析驗算

2.2.1建立模型

利用Midas Civil軟件對掛籃實現(xiàn)了有限元模擬及計算分析。利用空間桁架結構單元模擬鋼吊桿，空間線結構單元模擬后聯(lián)桿，空間梁結構單元模擬掛籃其他型鋼構件，在掛籃與各單元構件之間連接設置節(jié)點彈性結構，在后錨壓梁、主桁架底部及各吊桿頂設置固定連接，添加施工過程中的混凝土荷載、模板荷載及風荷載，對掛籃施工、前移進行穩(wěn)定性分析。掛籃模型如圖3所示。

2.2.2施工荷載工況

最大節(jié)段為72.6 m3（1#梁段），最長節(jié)段為58.4 m3（12#梁段），最小節(jié)段為46 m3（19#梁段），混凝土容重取26 kN/m3，模板荷載取0.45 N/m2。橋梁施工過程中應考慮風荷載、施工荷載共同作用，其荷載計算時應參考《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）［2］。

掛籃自重為31.5 t，模板自重為22.8 t；在施工中及運行時的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均≥2.0；掛籃靜荷載系數(shù)為1.2；動荷載系數(shù)為1.4。

掛籃結構鋼材等級為Q355，容重為78.5 kN/m3，彈性模量Es=2.06×105MPa，極限應力［σ］=210MPa，［τ］=145MPa。

工況1：1.2×掛籃結構自重+1.2×最大節(jié)段鋼筋混凝土自重+1.2×模板自重+1.4×施工荷載+1.4×風荷載，最大節(jié)段混凝土澆筑。

工況2：1.2×掛籃結構自重+1.2×最長節(jié)段鋼筋混凝土自重+1.2×模板自重+1.4×施工荷載+1.4×風荷載，最長節(jié)段混凝土澆筑。

工況3：1.2×掛籃結構自重+1.2×最小節(jié)段鋼筋混凝土自重+1.2×模板自重+1.4×施工荷載+1.4×風荷載，最小節(jié)段混凝土澆筑。

工況4：1.2×掛籃結構自重+1.2×模板自重+1.4×風荷載，掛籃行走。

2.2.3各荷載工況下計算結果（表2～3）由表2可知，在各種工況下，掛籃精軋螺紋鋼構件最大抗拉應力為550.6MPa，均不超過精軋螺紋鋼最大抗拉強度設計值705MPa；Q355鋼構件的最大拉應力為157.1MPa，均不超過Q355鋼最大抗拉強度設計值305MPa；Q355鋼構件的最大剪應力為61.9MPa，均不超過Q355鋼材最大抗剪強度設計值175MPa。掛籃上所有結構的內部應力均不超過鋼強度的設計上限值，掛籃強度滿足要求［3］。

從表3可以看出，在不同工況下，掛籃變形以豎向變形為主，其在最不利荷載工況作用下發(fā)生的最大變形位移為14.3 mm，對應在Q355鋼材主桁片懸臂端前上橫梁位置，兩菱形架之間的距離為6.5 m，最大位移處的容許位移［δ］=L/400=6 500/400=16.3 mm。最大位移值未超過容許位移值，掛籃系統(tǒng)總變形為14.9 mm，＜20 mm（《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）要求），掛籃剛度滿足要求［3］。

2.2.4掛籃穩(wěn)定性分析

（1）屈曲穩(wěn)定性分析（圖4和表4）

（2）掛籃抗傾覆分析（表5）

單側后錨點采用直徑32 mm的精軋螺紋鋼6根，容許最大拉力為：

［N］=6A［σ］＝6×3.14×322/4×930×10-3＝4 485.4 kN

利用Midas Civil軟件計算可知掛籃實際最大拉力N。

通過驗算所得結果可知，在荷載因素綜合影響下，掛籃構件的屈曲穩(wěn)定性系數(shù)最小值為6.931，＞4，而且掛籃構件的抗傾覆安全系數(shù)最小值為4.20，＞2，因此掛籃的穩(wěn)定性各項指標均滿足設計要求。

3掛籃預壓測試

整套掛籃設備牽涉到的系統(tǒng)構件和機械裝置較多，本文通過測試整套裝置在不同荷載情況下的構件承載力和機械裝置的工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)在安裝階段的絕對安全和正常工作，并得到經(jīng)過加載測試的各項技術參數(shù)以指導今后的施工。

3.1加載試驗方案

針對現(xiàn)場施工要求，掛籃預壓試驗是對掛籃構件進行加載測試，以驗算其在荷載作用情況下的強度和剛度穩(wěn)定性。通過在0#塊腹板處預埋預壓用的反力牛腿焊接件，用作后續(xù)反頂架安裝施工，利用液壓千斤頂加載進行掛籃構件的預壓。千斤頂荷載采用計算最大節(jié)段鋼筋混凝土重量模擬，0#塊兩端各1臺千斤頂同步加載預壓。

3.2預壓荷載確定

預壓重量以最大梁重1#塊的重量188.8 t加上模板重量22.8 t進行模擬加載，通過后下橫梁的力矩平衡，結合預壓作用點的位置，計算出預壓荷載為211.6×10=2 116 kN，每個千斤頂所施加的最大荷載為：120%預壓荷載2 116×120%÷2=1 269.6 kN。

3.3分級預壓及卸載

3.3.1分級加載數(shù)值確定

按節(jié)段的最大重量計算出的預壓荷載逐級加載，每個千斤頂加載值分別為10%（105.8 kN）、50%（529 kN）、100%（1 058 kN）、120%（1 269.6 kN）［4］。每級預壓結束后6 h，對所有斷面測點進行測量，并錄入變形信息，確定變形情況。在荷載預壓完成12 h內，對所有斷面測點進行測量，并確定標高數(shù)值，24 h內沒有變動為穩(wěn)定，可進行卸載。在卸載工作完成后，要及時對所有斷面測點進行末次測量，并記錄標高數(shù)值。

3.3.2卸載

卸載與加載過程相同，采用與加載相反程序，同樣分為四個階段120%→100%→50%→10%→0。卸載過程中測量變形情況并記錄。

3.3.3測量時間及頻率

在預壓過程中，必須注意所加荷載大小和加載速度，不要在上一級加載沉降速度未穩(wěn)定的狀況下，施加下一級荷載。若不控制加載速率，會造成掛籃總體和局部區(qū)域的加載量過大、過快而使掛籃發(fā)生剪切損傷，尤其是在加載后期更容易出現(xiàn)。在預壓工作開始之前需要先對掛籃底模高程進行一次測量，在以后的每一級加載預壓工作過程中平均每6 h進行一次測量，直至下降速度＜0.5 mm/d。在卸載過程中，按預壓荷載與增加速度相反級別對掛籃底模標高再進行一次測量，并通過預壓所得標高，測算出施工時所要求的預拱度，根據(jù)預拱度調整掛籃底模標高。通過記錄對各級加載、卸載等過程中的高程數(shù)據(jù)進行匯總，對各種情況下的數(shù)據(jù)和理論數(shù)值進行比較、分析，從而計算出掛籃預壓過程中彈性變形與非彈性變形，為掛籃立模標高調整基礎資料及依據(jù)（見表6）。計算公式為：

非彈性變形=加載0高程-卸載0高程

彈性變形=卸載0高程-加載120%高程

通過表6掛籃預壓沉降觀測記錄可知，預壓最大彈性變形為15 mm，與掛籃整體結構計算分析中的豎向位移14.3 mm相差不大，證明掛籃整體結構計算分析可靠。

4現(xiàn)場應用情況

2021年10月至2022年10月，在黑水河特大橋采用菱形掛籃懸臂澆筑施工，對箱梁線形、掛籃變形、截面尺寸、合龍相對高差等進行實時監(jiān)測。在施工過程中掛籃變形基本穩(wěn)定，與計算值基本一致，均滿足規(guī)范要求；混凝土澆筑過程，各節(jié)段箱梁撓度變化正常，現(xiàn)澆箱梁沒有出現(xiàn)過裂縫；合龍段兩側測點高差均滿足規(guī)范要求；截面尺寸符合設計規(guī)范限值要求。

5結語

黑水河特大橋懸臂現(xiàn)澆段施工按照本文所述的方法對掛籃進行設計及現(xiàn)場應用后，效果良好。掛籃的質量、剛度和性能的設計研究結論、施工預壓結果都符合施工規(guī)定，同時在施工中沒有發(fā)生其他事故，安全、質量、工期等各方面都達到了理想的要求。

參考文獻［1］ 左少華.清溪西路橋異步掛籃設計及施工關鍵技術［J］.世界橋梁，2022，50（2）：44-50.

［2］GB 50009-2012，建筑結構荷載規(guī)范［S］.

［3］JTG/T 3650-2020，公路橋涵施工技術規(guī)范［S］.

［4］CJJ/T 281-2018，橋梁懸臂澆筑施工技術標準［S］.

作者簡介：覃冠華（1978—），高級工程師，主要從事道路與橋梁施工工作。