大跨度跨線連續(xù)梁施工技術(shù)及安全性分析

【摘要】為保證銀川繞城高速公路立交特大橋（48+80+48）m連續(xù)梁項(xiàng)目施工的安全性，文章對(duì)該項(xiàng)目連續(xù)梁的施工技術(shù)和安全性進(jìn)行了分析。首先對(duì)連續(xù)梁相關(guān)施工技術(shù)進(jìn)行了介紹，然后采用MIDAS/Civil有限元仿真模擬軟件，對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)在兩個(gè)危險(xiǎn)工況下進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算，驗(yàn)證其強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性指標(biāo)，結(jié)果表明，在兩個(gè)工況下，掛籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性均能滿足相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，能夠保證施工的安全性。

【關(guān)鍵詞】有限元；連續(xù)梁；掛籃；施工技術(shù)

【中圖分類號(hào)】TU99 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2025）02-0143-04

0 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)發(fā)展，衍生出許多新材料新技術(shù)，這些新興的產(chǎn)物逐漸占據(jù)了越來(lái)越多的市場(chǎng)份額。但對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的施工來(lái)說(shuō)，預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁掛籃施工澆筑技術(shù)仍然是當(dāng)今最常用的技術(shù)之一，是橋梁施工中不可或缺的一種施工技術(shù)手段[1]。

閔凱[2]對(duì)連續(xù)梁掛籃施工在鐵路橋梁建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，分析了連續(xù)梁掛籃施工在鐵路橋梁建設(shè)中的應(yīng)用難點(diǎn)及應(yīng)用策略，提出掛籃的選擇、掛籃制作質(zhì)量控制、混凝土施工質(zhì)量控制、線形控制等技術(shù)優(yōu)化措施，明確連續(xù)梁掛籃施工技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，為類似工程提供技術(shù)參考。王瑞[3]對(duì)大跨度現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁施工技術(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)大跨度連續(xù)梁施工中存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出永久支座施工、墩梁臨時(shí)固結(jié)及相應(yīng)測(cè)試方法的具體方案，通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試與驗(yàn)證確保支撐結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。謝慶璽[4]對(duì)公路橋梁工程中掛籃懸澆重點(diǎn)施工技術(shù)進(jìn)行了探討，詳細(xì)闡述了掛籃的主要結(jié)構(gòu)、懸澆過(guò)程中的荷載監(jiān)控、掛籃行走及其施工控制要點(diǎn)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了施工管理與質(zhì)量控制的重要性，通過(guò)對(duì)其設(shè)計(jì)原理、施工流程、關(guān)鍵技術(shù)難題及解決方案的深入探討，旨在為該技術(shù)在同類型工程施工中的應(yīng)用提供一定的理論支撐。慕浩[5]對(duì)不對(duì)稱懸臂掛籃法在海外橋梁施工中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并對(duì)邊跨現(xiàn)澆、掛籃拼裝、線性監(jiān)控、混凝土澆筑、梁體合龍等施工工序進(jìn)行詳細(xì)介紹，以期進(jìn)一步推動(dòng)不對(duì)稱懸臂掛籃法施工在海外橋梁施工中的應(yīng)用。

結(jié)合上述學(xué)者的研究成果，本文對(duì)銀川繞城高速公路立交特大橋（48+80+48）m連續(xù)梁的施工技術(shù)及安全性進(jìn)行分析，通過(guò)有限元仿真模擬計(jì)算來(lái)驗(yàn)證掛籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性指標(biāo)，確保整個(gè)橋梁施工過(guò)程中的安全性，順利完成橋梁結(jié)構(gòu)的施工。

1 工程概況

銀川繞城高速公路立交特大橋（48+80+48）m連續(xù)梁為單箱單室、變高度、直腹板、箱形截面有砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁全長(zhǎng)257.5 m，計(jì)算跨度為（48+80+48）m，箱梁頂寬12.2 m，翼緣板長(zhǎng)2.75 m，底板寬6.7 m，支點(diǎn)梁高6.65 m，跨中梁高3.85 m，梁高按拋物線變化。腹板厚480～900 mm，底板厚90～400 mm，頂板厚400 mm。連續(xù)梁上跨銀川繞城高速公路，橋梁立面如圖1所示。

2 施工技術(shù)分析

箱梁共分為11個(gè)塊段：0#段總長(zhǎng)10 m，采用支架現(xiàn)澆；1#～9#塊為懸臂澆筑節(jié)段，采用掛籃懸臂澆筑；10#塊為合龍段，采用掛籃改裝臨時(shí)吊架澆筑；11#塊為邊跨直線段，采用支架現(xiàn)澆。

2.1 施工步驟

總體來(lái)說(shuō)，連續(xù)梁的施工共分為7個(gè)步驟，具體如下。

1）步驟1：對(duì)樁基礎(chǔ)、承臺(tái)以及墩身等進(jìn)行施工，如圖2所示。

2）步驟2：在墩頂拼裝0#塊支架并施工0#塊，在中墩頂安裝永久支座，張拉并錨固相關(guān)預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力束，如圖3所示。

3）步驟3：0#塊施工完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，安裝掛籃進(jìn)行1#節(jié)段的對(duì)稱澆筑施工，張拉并錨固相關(guān)預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力束，如圖4所示。

4）步驟4：以中墩中心線為準(zhǔn)，依次向相反方向移動(dòng)掛籃懸臂澆筑2#～9#段，張拉并錨固相關(guān)預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力束，最后留存其中1個(gè)掛籃進(jìn)行中跨合龍。依次進(jìn)行臨時(shí)鎖定、拆除臨時(shí)固結(jié)、澆筑合龍段的施工，待澆筑的合龍段達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行張拉錨固工作，拆除臨時(shí)鎖定及支架，張拉剩余相關(guān)預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力束，如圖5所示。

5）步驟5：中跨合龍后拆除掛籃，做邊跨現(xiàn)澆段施工準(zhǔn)備，架設(shè)支架并實(shí)施預(yù)壓，如圖6所示。

6）步驟6：對(duì)邊跨實(shí)施合龍施工，進(jìn)行臨時(shí)鎖定后直接澆筑合龍段。待澆筑的合龍段達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，進(jìn)行張拉錨固工作，拆除臨時(shí)鎖定及邊跨支架（支架在張拉剩余相關(guān)預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力束后拆除），如圖7所示。

7）步驟7：施工墩帽，全面成橋，如圖8所示。

2.2 掛籃施工工藝

2.2.1 掛籃參數(shù)

銀川繞城高速公路立交特大橋（48+80+48）m連續(xù)梁1#～9#塊懸臂澆筑采用菱形架式結(jié)構(gòu)掛籃，每套掛籃由2組（4榀）主桁架組成，主桁架布置于箱梁腹板處，掛籃主桁架的中心間距為6.08 m。底模前下橫梁吊桿為6根φ32 mm精軋螺紋鋼，后下橫梁分別錨固在頂板和底板上，頂板上4根φ32 mm精軋螺紋鋼，底板4根φ32 mm精軋螺紋鋼，內(nèi)、外?；辛旱鯒U均采用φ32精軋螺紋鋼，其三維數(shù)值模擬簡(jiǎn)化模型如圖9所示。

2.2.2 掛籃拼裝

一般情況下，掛籃各桿件的連接采用焊接和銷接，先進(jìn)行滑道墊梁及滑道的安裝，在掛籃主支點(diǎn)位置的滑道墊梁需要適當(dāng)加密，然后利用塔吊進(jìn)行掛籃主構(gòu)架的安裝。為防止傾覆，在主構(gòu)架安裝以后立即安裝掛籃后錨，隨后立即安裝橫聯(lián)及后聯(lián)，在所有的主構(gòu)架和其附屬結(jié)構(gòu)安裝完畢后安裝后底橫梁、前上橫梁和前底橫梁，利用6根精軋螺紋鋼筋穿過(guò)前上橫梁預(yù)留吊帶孔與前底橫梁吊住，精軋螺紋鋼與前底橫梁通過(guò)吊座連接，如圖10所示。之后按照由外到內(nèi)的順序安裝底?？v梁，最后安裝底模模板。在所有的結(jié)構(gòu)安裝完畢后，進(jìn)行焊接作業(yè)平臺(tái)及防護(hù)并設(shè)置其他相應(yīng)的安全措施，整個(gè)掛籃拼裝完成。

2.2.3 掛籃施工

銀川繞城高速公路立交特大橋（48+80+48）m連續(xù)梁1#～9#塊為懸臂澆筑節(jié)段，采用掛籃懸臂澆筑。連續(xù)梁懸臂端施工工藝流程與現(xiàn)有常規(guī)掛籃施工技術(shù)相似，即先做施工前的準(zhǔn)備，然后進(jìn)行掛籃的安裝，調(diào)整底、外模板，安裝底、腹板鋼筋及預(yù)應(yīng)力管道，然后進(jìn)行內(nèi)、端模安裝，安裝頂板鋼筋、預(yù)應(yīng)力管道，進(jìn)行混凝土的澆筑及養(yǎng)護(hù)工作，之后進(jìn)行拆端模穿預(yù)應(yīng)力筋以及預(yù)應(yīng)力筋的張拉，最后進(jìn)行落地模、掛籃前移以及孔道壓漿。

3 安全性分析

為保證銀川繞城高速公路立交特大橋（48+80+48） m連續(xù)梁1#～9#塊懸臂澆筑施工的安全性，本文對(duì)整個(gè)澆筑過(guò)程中掛籃的力學(xué)行為進(jìn)行分析，確保整個(gè)過(guò)程的順利實(shí)施。

3.1 有限元仿真模擬分析介紹

在有限元仿真模擬分析中，采用MIDAS/Civil仿真軟件進(jìn)行施工計(jì)算。除精軋螺紋鋼吊桿采用受拉單元建模外，其余單元均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，考慮施工過(guò)程中涉及的所有重力荷載、動(dòng)荷載、其他荷載以及荷載系數(shù)，對(duì)強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及剛度進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，取不同的荷載組合。

經(jīng)分析，根據(jù)連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)特性、梁體參數(shù)以及施工方法等情況，擬對(duì)以下兩種工況進(jìn)行施工驗(yàn)算：①工況1：進(jìn)行1#梁段混凝土灌注，此工況下混凝土重量大、荷載集中，主控該工況下的桿件強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性；②工況2：掛籃走行工況，該工況下主控掛籃走行狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性。

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 工況1

1）強(qiáng)度驗(yàn)算。由仿真計(jì)算結(jié)果可知，底縱梁的彎曲應(yīng)力與剪應(yīng)力最大值分別發(fā)生在桿件的中間部位和端部，大小分別為119、22 MPa；底橫梁的2個(gè)應(yīng)力最大值均發(fā)生在同一根桿件的1/3處，大小分別為74.1、26.8 MPa；外滑梁的最大彎曲應(yīng)力為55.2 MPa，發(fā)生在梁體中間，最大剪應(yīng)力大小為12.6 MPa，發(fā)生在1/3處；內(nèi)滑梁的最大彎曲應(yīng)力為90.5 MPa，最大剪應(yīng)力大小為10.6 MPa，發(fā)生位置與外滑梁相同；前上橫梁的最大彎曲應(yīng)力與最大剪應(yīng)力分別為83.3、23 MPa，均發(fā)生在桿件大約1/3處；門架的2個(gè)應(yīng)力最大值偏小均在30 MPa以內(nèi)；主桁架的最大彎曲應(yīng)力及最大剪應(yīng)力分別為73.8、2.45 MPa，均發(fā)生在主桁架的底部位置；除此之外，精軋螺紋鋼吊桿（d = 32 mm）的最大軸力N = 211.4 kN，計(jì)算面積A = 804 mm2，其應(yīng)力大小為σ= N/A = 262.9 MPa≤[σ] = 282 MPa，所有桿件的應(yīng)力強(qiáng)度校核情況見(jiàn)表1。

2）剛度驗(yàn)算。對(duì)掛籃進(jìn)行澆筑施工狀態(tài)下的剛度驗(yàn)算，經(jīng)有限元仿真模擬分析得到掛籃整體的變形結(jié)果。分析結(jié)果表明，掛籃的最大豎向撓度值為17.9 mm＜20 mm，符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，即掛籃施工滿足剛度校核。

3）穩(wěn)定性驗(yàn)算。通過(guò)仿真結(jié)果，可以得到每個(gè)主桁架傾覆力P = 541.9 kN，計(jì)算長(zhǎng)度L = 4.3 m，傾覆彎矩M = P .L = 2 330.2 kN .m，后錨共設(shè)6根φ32 mm精軋螺紋筋，其抗力達(dá)到P = 2 104.2 kN，抗傾覆彎矩M′= P .L = 9 048.1 kN .m，主桁抗傾覆系數(shù)K = M′/M = 3.88＞2，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 工況2

在掛籃走行工況下，其抗傾覆驗(yàn)算主要針對(duì)滑道后錨系統(tǒng)里的反扣輪和軌道梁。

1）反扣輪抗傾覆驗(yàn)算。反扣輪軸直徑d = 60 mm，懸臂長(zhǎng)L = 60.9 mm，材質(zhì)為45#鋼材質(zhì)，受力模型為短懸臂梁，截面模量W = 21 205.75 mm3，切應(yīng)力τ= 178 MPa，許用應(yīng)力[σ] = 360 MPa。單只輪子能承受的最大剪力Q = 3πd .τ/16 = 377.25 kN。單只輪子能承受的極限彎矩為：M=[σ] W = 7.63 kN .m，按抗彎計(jì)算能承受的最大力為F = 2M/L = 250.6 kN。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可知，傾覆力P = 196.3 kN，計(jì)算長(zhǎng)度L = 4.3 m，傾覆彎矩M = P .L = 844.1 kN .m，單個(gè)后錨共設(shè)4個(gè)反扣輪，其抗力達(dá)到P = 4F = 1 002.4 kN，抗傾覆彎矩M′= P .L = 4 310.3 kN .m，抗傾覆系數(shù)K = M′/M =5.1＞2，滿足規(guī)范要求。

2）軌道梁抗傾覆驗(yàn)算。由模擬可得傾覆力P = 196.3 kN，計(jì)算長(zhǎng)度L = 4.3 m，傾覆彎矩M = P .L = 844.1 kN .m，掛籃走行時(shí)的后錨力由滑道承受，經(jīng)計(jì)算軌道梁I = 1.66×108 mm4，凈距Sz = 6.3885×105 mm3，切應(yīng)力τ=125 MPa，直徑d = 28 mm。通過(guò)計(jì)算最大抗力P =τ .I .d/Sz = 909 kN，抗傾覆彎矩M′= P .L = 3 908.7 kN，滑道抗傾覆系數(shù)為K = M′/M = 4.63＞2，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)銀川繞城高速公路立交特大橋（48+80+48）m連續(xù)梁項(xiàng)目施工技術(shù)及安全性分析，得到以下結(jié)論：①研究詳細(xì)介紹了整個(gè)連續(xù)梁的施工步驟，并從掛籃參數(shù)、掛籃拼裝、掛籃施工3個(gè)方面對(duì)掛籃施工工藝進(jìn)行了介紹；②研究對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)施工澆筑1#塊工況下的力學(xué)行為進(jìn)行了分析，分析表明設(shè)計(jì)的掛籃結(jié)構(gòu)在施工中強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范要求，能保證施工的安全性；③研究對(duì)掛籃在走行工況下的抗傾覆性進(jìn)行了驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明，反扣輪和軌道梁抗傾覆系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)

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[5] 慕浩.不對(duì)稱懸臂掛籃法在海外橋梁施工中的應(yīng)用[J].交通科技與管理，2024，5（21）：67-69.

[作者簡(jiǎn)介]水雪峰（1992—），男，甘肅定西人，本科，工程師，研究方向：橋梁工程。