跨海大橋掛籃法懸臂澆筑施工力學(xué)特性及技術(shù)方法

甄國君

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司,天津 300381）

0 引言

跨海大橋是我國交通網(wǎng)的重要組成部分，掛籃工藝在懸臂澆筑中較為常用，具有結(jié)構(gòu)簡單、方便拆裝、穩(wěn)定性高、可循環(huán)利用等優(yōu)點[1]。然而，掛籃的使用具有較多樣式，且缺少統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，分析其力學(xué)特性才能保證施工安全和進(jìn)度。有限元分析是采用數(shù)學(xué)近似法，用簡單的、相互作用的元素去解決復(fù)雜性問題，在工程分析領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。以下結(jié)合實際案例，探討了菱形掛籃的施工力學(xué)特性和施工技術(shù)方法，以供參考。

1 工程概況

某跨海特大橋，起止樁號為K4+020~K6+070，全長2 050 m。主橋上部采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，箱梁頂板寬11.5 m，底板寬6.5 m，翼緣板懸臂長2.7 m。箱內(nèi)頂板標(biāo)準(zhǔn)厚度0.3 m，根部加厚至0.7 m，端部加厚至0.6 m。底板厚度線性變化，最大為0.8 m，最小為0.3 m。橫隔板僅設(shè)置在邊跨端部與0#塊頂部，0#塊現(xiàn)場澆筑時利用鋼管樁支架系統(tǒng)，其他節(jié)段則采用懸臂澆筑工藝。1#、6#和11#塊是懸臂澆筑的控制關(guān)鍵，基本信息見表1。

表1 關(guān)鍵控制節(jié)段的基本信息

2 菱形掛籃的結(jié)構(gòu)組成和鋼材參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

菱形掛籃主要包括5 個部分：

（1）掛籃系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主桁架、走行、錨固、底籃、吊掛、模板、平臺及防護(hù)等組成，各部分既是獨立的，同時又相互聯(lián)系。

（2）主桁架系統(tǒng)。作為主要受力構(gòu)件，由承重桿、連接桁架、銷軸、上橫梁等組成。其中的主桁架是經(jīng)型鋼桿件和節(jié)點連接而成，外觀上呈菱形，方便拆裝運輸[2]。

（3）走行系統(tǒng)。該系統(tǒng)由軌道、壓梁、墊梁、滑座、吊掛滾輪等組成。其中，掛籃移動時，液壓油缸提供動力，鋪設(shè)軌道作為移動路徑，在吊掛滾輪、后錨固的輔助下，實現(xiàn)掛籃向前、向后移動。

（4）錨固系統(tǒng)。主要構(gòu)件是扁擔(dān)梁和錨桿，輔助構(gòu)件是有墊塊、螺帽等，實現(xiàn)主桁架的自錨平衡。

（5）底籃系統(tǒng)。由下橫梁（前、后）、底籃縱梁組成，材質(zhì)均是型鋼。

（6）模板系統(tǒng)。由底模、內(nèi)模、外側(cè)模三部分組成，采用鋼木組合模板，內(nèi)模與外模之間設(shè)置拉桿。

2.2 鋼材參數(shù)

菱形掛籃的總質(zhì)量約65 t，懸臂澆筑時分段長度最大為4.0 m，鋼材使用Q235 和Q345，主要參數(shù)見表2，強(qiáng)度設(shè)計值為770 MPa。

表2 掛籃鋼材主要參數(shù)

3 菱形掛籃施工力學(xué)特性的有限元分析

3.1 建立模型

對掛籃主要構(gòu)件的強(qiáng)度、變形進(jìn)行驗算，分析菱形掛籃的施工力學(xué)特性。結(jié)合該工程實際情況建立橋梁模型。掛籃以施加力的方式呈現(xiàn)，結(jié)合施工過程及構(gòu)造特點，將整個橋梁劃分為110 個單元，其中X、Y、Z分別代表橋梁的橫向、縱向、豎向。邊界條件設(shè)置為過渡墩與主梁的連接，設(shè)置橫向、豎向線性彈簧，模擬支座的抗風(fēng)效應(yīng)。

因橋梁不同部位的受力特點不同，需假定力學(xué)作用，包括翼緣板混凝土、頂板混凝土、底板混凝土及其模板支架等。以頂板混凝土為例，該部位混凝土、內(nèi)模、支架三者的荷載組合，其中一部分荷載傳遞給前一節(jié)段的箱梁頂板（已施工完成），另一部分荷載傳遞給掛籃的前上橫梁。

3.2 參數(shù)設(shè)置

主要材料參數(shù)：橋梁結(jié)構(gòu)采用C55 混凝土，彈性模量為3.55 kN/mm2，容重為2.5×10-8kN/mm3，泊松比為0.2。計算參數(shù)：混凝土容重為26 kN/m3，模板支架總荷載為1 kN/m2，人員和材料的堆放荷載為1 kN/m2，混凝土傾倒時的沖擊荷載為2 kN/m2，混凝土振搗產(chǎn)生的荷載為2 kN/m2，風(fēng)荷載取值1.59 kN/m2。

3.3 荷載工況

分別在混凝土澆筑時、掛籃行走時計算掛籃的荷載情況。荷載組合分為三種情況：①混凝土和掛籃自重+模板荷載+人員和材料的堆放荷載+混凝土傾倒和振搗荷載；②混凝土和掛籃自重+模板荷載+人員和材料的堆放荷載；③掛籃自重+走行沖擊荷載。掛籃行走時的沖擊系數(shù)取值1.3，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)取值2.0。

3.4 計算結(jié)果

3.4.1 主桁架承重

主桁架壓桿材質(zhì)是I30b 槽鋼，拉桿材質(zhì)是I28b 槽鋼，底籃和滑梁荷載傳遞至主桁架。分析計算顯示，主桁架最大應(yīng)力值為135.2 MPa ＜215 MPa，處于安全范圍內(nèi)。主桁架最大位移值為14.3 mm，桿件軸向最大壓力位于前斜桿，最大拉力位于后斜桿。已知壓桿長度為4 920 mm，回轉(zhuǎn)半徑為114 mm，長細(xì)比約為43.5，屬于b 類構(gòu)件，查表得到穩(wěn)定系數(shù)是0.884 5，計算得到軸心受壓強(qiáng)度為112 MPa ＜215 MPa，可見前斜桿的穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

3.4.2 底籃前后下橫梁受力

下橫梁材質(zhì)均是I40b 工字鋼，下橫梁的彎曲應(yīng)力為54.1 MPa ＜205 MPa，處于安全范圍內(nèi)；最大剪應(yīng)力為32.5 MPa ＜120 MPa，處于安全范圍內(nèi)。前下橫梁的跨中變形量為3.2 mm ＜15.75 mm，懸臂端變形量為3.3 mm＜11 mm，均滿足安全要求?？梢姡昂笙聶M梁的強(qiáng)度、剛度計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.4.3 前上橫梁受力

前上橫梁承受內(nèi)外模滑梁前吊點、前下橫梁傳遞的荷載，支撐位于主桁架前部端點[3]。前上橫梁的材質(zhì)是I40b 工字鋼，彎曲應(yīng)力為126.7 MPa ＜205 MPa，處于安全范圍內(nèi)；最大剪應(yīng)力為39.6 MPa ＜120 MPa，處于安全范圍內(nèi)。前上橫梁的跨中變形量為3.3 mm ＜14.37 mm，懸臂端變形量為1.1 mm ＜13.12 mm，均滿足安全要求?？梢?，前上橫梁的強(qiáng)度、剛度計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.4.4 掛籃行走抗傾覆驗算

空載狀態(tài)下，掛籃行走過程中的傾覆力，利用支架上的反扣輪進(jìn)行平衡。此種工況下，計算模板系統(tǒng)、吊帶、操作平臺的總荷載，得到結(jié)果為426 kN。掛籃行走時的沖擊荷載系數(shù)為1.3，計算可得單個主桁架承受荷載為138.5 kN。在單個主桁架的前部端點施加138.5 kN，建立模型后計算，得到后輪反力為124.9 kN。軌道由2 根精軋螺紋鋼固定，其承載力為1 238.5 kN，計算得到安全系數(shù)為9.9 ＞2.0，說明掛籃行走時的抗傾覆安全性能滿足規(guī)范要求。

4 菱形掛籃施工技術(shù)方法

該項目中，菱形掛籃施工工序為準(zhǔn)備工作→安裝掛籃→堆載預(yù)壓→安裝鋼筋和預(yù)埋件→澆筑混凝土→掛籃前移→掛籃拆除。技術(shù)要點如下：

4.1 施工技術(shù)要點

4.1.1 準(zhǔn)備工作

（1）熟悉設(shè)計圖紙和現(xiàn)場環(huán)境，嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)施工。重點檢查預(yù)埋件的位置和數(shù)量，出現(xiàn)問題及時糾正處理。

（2）0#塊施工完成、張拉滿足要求后，測量人員復(fù)核高程、坐標(biāo)，在梁體兩側(cè)腹板的頂面放出行走軌道的中心線，方便后續(xù)掛籃安裝、移動。

（3）使用M20 砂漿調(diào)平行走軌道的中心線，軌道兩側(cè)中心線的高差要求≤5 mm，當(dāng)砂漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計值可鋪設(shè)行走軌道。

4.1.2 安裝掛籃

掛籃在0#塊拼裝，兩側(cè)對稱安裝。通過測量放線調(diào)平底座，安裝滑軌，依次吊裝主桁架、主錨、橫聯(lián)、吊帶、吊桿；安裝底模、側(cè)模及外滑架、內(nèi)模及內(nèi)滑架、端模。利用千斤頂頂立柱時，要測出掛籃主梁前段頂面的高程，將高程增量控制在20 mm 內(nèi)。檢查斜拉帶的松緊度，同一側(cè)的斜拉帶若松緊不一，則打入鋼楔緊繃斜拉帶。前后吊帶安裝后，檢查線形保持順直，組織技術(shù)人員對掛籃的拼裝質(zhì)量進(jìn)行檢查。

4.1.3 堆載預(yù)壓

掛籃安裝完成，檢查各部件質(zhì)量，使用前進(jìn)行走行試驗，測量加載狀態(tài)下的彈性變形量，調(diào)整后續(xù)施工參數(shù)。1#塊混凝土澆筑量最大、節(jié)段長度最短，計算得到混凝土方量約58 m3，單位重量為26 kN/m3，模板質(zhì)量為14 t，人員、材料堆載荷載為49 kN。按照最大施工荷載的1.2倍控制，預(yù)壓荷載值為2 009 kN，根據(jù)掛籃不同部位的受力特點對配重進(jìn)行分配。堆載預(yù)壓采用沙袋，如圖1所示，第一次施加至總荷載的60%，第二次至總荷載的100%，第三次至總荷載的120%，并測量掛籃的變形值[4]。

圖1 掛籃堆載預(yù)壓示意圖

4.1.4 安裝鋼筋和預(yù)埋件

（1）根據(jù)施工方案檢查鋼構(gòu)件外觀質(zhì)量，去除表面的銹跡和雜質(zhì)；調(diào)直機(jī)調(diào)直，斷筋機(jī)截斷，彎曲機(jī)制彎。

（2）鋼筋加工處理后，運輸至橋梁施工部位，經(jīng)塔吊運輸至模板內(nèi)，按照設(shè)計圖紙綁扎，完成后及時對鋼筋安裝工程驗收。

（3）預(yù)埋件施工要準(zhǔn)確定位，確保數(shù)量符合設(shè)計要求。針對預(yù)埋件數(shù)量不足、位置偏移等情況，及時向上級通報，采取補(bǔ)救措施[5]。

（4）澆筑混凝土前，使用測量儀器復(fù)核高程等指標(biāo)，無誤后才能澆筑。

4.1.5 澆筑混凝土

該項目中，C55 混凝土由商混站拌制，技術(shù)要點包括：

（1）合理選擇運輸路線，進(jìn)入現(xiàn)場后采樣檢查均勻性、坍落度等指標(biāo)，檢查模板、鋼筋、預(yù)埋件等，符合要求才能澆筑。

（2）模板內(nèi)部不能有積水、雜物，清理鋼筋表面的污垢。相鄰模板之間的縫隙，使用密封膠進(jìn)行填塞，在內(nèi)側(cè)涂刷脫模劑。

（3）混凝土入模時使用導(dǎo)管，下落距離＜2 m，防止混凝土離析[6]。澆筑后及時振搗，使用插入式和附著式振搗設(shè)備，前者快插慢拔，確保每個部位振搗均勻，直至表面停止出現(xiàn)氣泡、沒有浮漿。

（4）混凝土澆筑完成后，安排專人覆蓋薄膜、灑水保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不短于14 d，同時注意成品保護(hù)，防止機(jī)械或材料碰撞。

4.1.6 掛籃前移

（1）掛籃前移由液壓油缸提供動力，使前支腿與軌道之間相對滑動，準(zhǔn)確控制前移量。

（2）在遷移位置做出標(biāo)記，當(dāng)掛籃移動至此處，安裝后錨，調(diào)整底籃位置，用千斤頂錨固，按照設(shè)計要求施加預(yù)應(yīng)力。此時吊帶承受荷載，千斤頂不承受荷載。

（3）掛籃前移時，外模一同前移，當(dāng)箱梁腹板、底板鋼筋綁扎完成，再將內(nèi)模前移。整個施工流程如下：前一段澆筑且張拉壓漿完成→行走前準(zhǔn)備→底籃外側(cè)模下降→外側(cè)模走行小車就位→拆除掛籃后錨及箱內(nèi)、翼緣板吊帶→安裝動力裝置和保險裝置→掛籃前移→調(diào)整軸線、標(biāo)高→施加掛籃后錨→安裝箱內(nèi)、翼緣板吊帶→調(diào)整外模板→內(nèi)模前移就位。

（4）掛籃前移到位，調(diào)整掛籃軸線，在主梁后錨位置使用扁擔(dān)梁、精軋螺紋鋼筋對主梁錨固，裝設(shè)箱內(nèi)、翼緣板吊帶。

4.1.7 掛籃拆除

（1）掛籃節(jié)段施工完成，利用倒鏈拆除內(nèi)模，將其調(diào)運至梁頂和主棧橋，底籃和側(cè)模下降后置于運載船上。運至棧橋后，利用塔吊分解處理。

（2）當(dāng)內(nèi)模、側(cè)模、底模全部拆除完成，將掛籃后退至5#塊，拆除掛籃剩余部分，包括主桁架、前橫梁、軌道系統(tǒng)等。

（3）掛籃全部拆除后，將所有構(gòu)件存放在指定場所，檢查質(zhì)量后方便后續(xù)循環(huán)使用。

4.2 施工成果

以11#塊為例，采用掛籃法懸臂澆筑前、后，分別對邊跨、中跨的高程進(jìn)行測量，見表3。結(jié)果顯示，邊跨內(nèi)側(cè)最大高差為14 mm，中跨中心最大高差為17 mm，而有限元模擬值為15.1 mm，可見有限元分析結(jié)果較為接近。后主跨順利合龍，在規(guī)定工期內(nèi)完成施工任務(wù)，順利通過質(zhì)量驗收。

表3 11#塊邊跨、中跨高程實際檢測結(jié)果

5 結(jié)語

綜上所述，該研究以某跨海大橋為例，采用掛籃法懸臂澆筑施工期間，經(jīng)有限元分析發(fā)現(xiàn)最大位移發(fā)生在支架前頂部，最大彎曲應(yīng)力、切應(yīng)力和最大變形值在前上橫梁，抗傾覆穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求，可為類似項目的施工提供參考。未來施工中，應(yīng)嚴(yán)格控制工藝流程，采取質(zhì)量管理措施，以達(dá)到降本增效的目標(biāo)，提升綜合效益。