超寬橋面懸澆連續(xù)梁掛籃設(shè)計及施工安全探討

馬曉旭

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

超寬橋面懸澆連續(xù)梁掛籃設(shè)計及施工安全探討

馬曉旭

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

以溫州繞城小溪港大橋超寬橋面掛籃施工為例,應(yīng)用邁達(dá)斯軟件,對超寬橋面掛籃的設(shè)計及施工過程中的安全性能進(jìn)行了驗算,其結(jié)果能滿足該橋施工要求。這一結(jié)果對同類工程具有一定的參考和借鑒意義。

混凝土連續(xù)箱梁；超寬橋面掛籃；結(jié)構(gòu)計算；施工工藝

1 概 述

溫州繞城高速公路北線二期工程小溪港大橋,主橋采用主跨80 m的預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁,其跨徑組合為(45+80+45)m,整幅箱梁截面采用單箱五室斜腹板截面。箱梁頂寬32.80 m,底板寬21.33～24.00 m,懸臂節(jié)段長度3.5 m。箱梁根部斷面梁高4.5 m,跨中和邊跨現(xiàn)澆梁段梁高2 m。橋梁采用掛籃懸臂澆筑施工,箱梁為單箱5室結(jié)構(gòu),在該工法中較為少見。由于橋面寬度的加大,對掛籃設(shè)備及施工過程安全控制都提出了更高的要求。如施工過程中主桁架受力的協(xié)調(diào)性；寬體掛籃強度、剛度、穩(wěn)定性保證；以及掛籃行走過程中的同步性,行走過程中后橫梁剛度問題等。這導(dǎo)致超寬掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工相較于普通掛籃難度加大,結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性、行走過程中的安全性，及對橋梁縱橫向線形的控制要求增高。本文采用Midas Civil對其掛籃建立整體有限元模型,根據(jù)實際的施工荷載,模擬掛籃施工全過程力學(xué)行為,從而指導(dǎo)掛籃的設(shè)計及優(yōu)化,結(jié)合施工實踐,總結(jié)施工過程中的注意事項及關(guān)鍵控制工序,為同類橋梁的懸臂掛籃施工提供參考。

2 掛籃設(shè)計

根據(jù)以往工程類似經(jīng)驗,對應(yīng)每道腹板放置一榀主桁架,本橋為五箱室結(jié)構(gòu),需放置6榀主桁,但是主桁數(shù)量較多的話,每榀主桁受力差別較大,受力同步性較差,行走時同步性也較難保證?；诖它c,掛籃設(shè)計時采用少主桁結(jié)構(gòu)。在中間箱室兩道腹板及兩道邊腹板上各布置1榀主桁。為保證加工的便捷性,各榀主桁架采用的材料及結(jié)構(gòu)尺寸一致。為增加剛度,各主要受力構(gòu)件采用桁架結(jié)構(gòu)。

2.1 掛籃構(gòu)造

掛籃采用三角形結(jié)構(gòu)掛籃,主梁采用雙根HN600×200 型鋼,立柱采用雙根HN500×200 型鋼,斜拉帶采用δ=40/Q345 鋼板制作而成,并通過銷軸鉸接形成剛架[1]。其結(jié)構(gòu)清晰,受力明確。受力結(jié)構(gòu)圖見圖1。

掛籃底籃前橫梁采用雙根HN400×200 型鋼,后橫梁采用雙根HN400×200 型鋼與[16a組成剛架。底籃縱梁為36支HN350×175型鋼。上前橫梁為雙根H450×200 型鋼及[16a 組成的剛架。采用Φ32的高強精軋螺紋做混凝土澆注受力吊帶；其在安裝、調(diào)整、拆卸等工作上較為方便且效果良好?？v橋向單邊掛籃共由12 根后錨錨固在箱梁腹板的豎向預(yù)應(yīng)力墩筋上；前支點放置鋼箱或抗壓混凝土承受澆筑混凝土重(如需軌道支撐懸澆混凝土重,需另行加固)。掛籃行走通過后小車配合軌道使主桁滑動前行,并由4 個千斤頂牽引前行,行走安全方便。底籃行走吊帶為Q345/20×200 mm 鋼板[1]。掛籃結(jié)構(gòu)見圖2、圖3。

圖1 受力結(jié)構(gòu)圖

圖2 掛籃主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)圖一

圖3 掛籃主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)圖二

2.2 掛籃設(shè)計

掛籃施工時主要分為前移狀態(tài)和澆筑狀態(tài)。根據(jù)掛籃結(jié)構(gòu),主要對底籃系統(tǒng)和主桁系統(tǒng)進(jìn)行建模計算,共進(jìn)行兩種工況的強度驗算[2]：1) 工況一,掛籃前移；2) 工況二,最重節(jié)段混凝土澆筑。整體模型見圖4。

圖4 掛籃受力模型圖

2.2.1 約束條件

一般支承：1)后錨點采用固定鉸支座模擬；2) 前支點采用滑動鉸支座模擬,且考慮橫向線位移限制；3)吊桿在混凝土面的錨固采用固定端模擬。

連接模擬：1)對于鉸接采用釋放梁端的抗彎剛度的方式模擬；2) 對于焊接采用剛體連接, 計算結(jié)果中桿端彎矩值偏大；3)對于非接觸點的連接采用剛性連接的方式[3]。

2.2.2 荷載模擬

模型中考慮的荷載有兩種。

1)靜荷載：掛籃自重、模板自重、新澆混凝土自重、臨時支架自重荷載；

2)可變荷載：施工人員及施工機具運輸或堆放的荷載，振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的豎向荷載，風(fēng)荷載。

2.2.3 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

1)應(yīng)力分析

各工況下主要受力構(gòu)件應(yīng)力情況見表1。

表1 主要構(gòu)件應(yīng)力 MPa

采用極限應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計,各構(gòu)件均未超出應(yīng)力值,滿足要求。

2)剛度分析

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTG/T F50—2011)》第5.2章節(jié)相關(guān)規(guī)定,計算模板支架等時,只考慮模板、支架自重+新澆筑混凝土、鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋或其他圬工結(jié)構(gòu)物的重力+設(shè)于水中的支架所承受的水流壓力、波浪力、流冰壓力、船只等的撞擊力+其他可能產(chǎn)生的荷載。剛度計算時將除風(fēng)荷載外其他可變荷載去除掉,同時去掉組合系數(shù)[4]。澆筑時計算剛度見圖5。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTG/T F50—2011)》第5.2章節(jié)相關(guān)規(guī)定,掛籃的最大變形(包括吊帶變形的總和)應(yīng)不大于20 mm[4],最大變形值18.95 mm,滿足規(guī)范要求。

掛籃前移狀態(tài)剛度見圖6。

掛籃前移時最大變形134 mm,但是應(yīng)力值在彈性變化范圍內(nèi),掛籃前移掛籃剛度不影響施工。

圖5 澆筑狀態(tài)掛籃變形圖

圖6 前移狀態(tài)掛籃變形圖

3 掛籃施工安全性

3.1 事故的主要原因分析

通常掛籃的設(shè)計缺陷分為以下幾類：

1)設(shè)計者采用不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式,關(guān)鍵部位設(shè)計尺寸和選用材料不適當(dāng),造成強度不足,忽略了橫向連接桿的作用,造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2)材料代用不規(guī)范：由于制造掛籃的原材料市場缺貨,采用代用材料時,未能與設(shè)計者溝通,未按照“以強代弱、以大代小”的原則,對設(shè)計意圖理解不透,選用非適用材料代替了原設(shè)計掛籃構(gòu)件,造成構(gòu)件強度不足。

3)未按設(shè)計圖紙要求安裝掛籃構(gòu)件：如受力構(gòu)件聯(lián)結(jié)采用高強螺栓,由于工作失誤將普通螺栓安裝在構(gòu)件上,掛籃連接銷子未“對號入座”,隨意安裝,使聯(lián)接件強度不足,造成事故。

4)技術(shù)交底不到位,工人操作失誤：操作工人未進(jìn)行認(rèn)真培訓(xùn),項目對操作層技術(shù)交底不到位,工人對掛籃高空作業(yè)和掛籃施工工藝不熟悉,造成操作失誤引發(fā)事故。

3.2 掛籃施工安全注意事項

3.2.1 預(yù)留孔預(yù)埋精度

梁段頂板、底板上的預(yù)留孔、預(yù)埋件要準(zhǔn)確并與水平面垂直,若與底板鋸齒塊相遇,不準(zhǔn)改變波紋管的位置或碰上波紋管,鋸齒塊鋼筋先預(yù)留,待以后恢復(fù)。預(yù)留孔周邊應(yīng)安裝加強鋼筋。掛籃后錨預(yù)留孔位置要準(zhǔn)確,吊桿下端及扁擔(dān)底面用鐵楔塊墊平,上端橫梁上用千斤頂調(diào)整,安裝時要有專人下到箱內(nèi)同時操作。必須做到嚴(yán)格細(xì)心檢查,確保錨固絕對可靠。掛籃主縱梁錨桿組預(yù)留孔預(yù)埋位置偏差不得大于10mm,垂直度不得大于5 mm。

3.2.2 掛籃吊帶(吊桿)安裝、拆除

掛籃中橫梁吊點安裝,必須先安裝中間的短吊桿使底模貼緊后,再提升兩側(cè)的長吊桿,以保證底板面線型美觀。短吊桿安裝時派人下去配合,確保下面錨固點位置準(zhǔn)確,必要時應(yīng)調(diào)整千斤頂小扁擔(dān)位置,使吊桿垂直,防止受彎面折斷。同時要防止千斤頂傾斜面自動卸載。調(diào)整掛籃前吊桿的標(biāo)高,應(yīng)在澆筑混凝土前完成,若掛籃變形過大,也可在混凝土初凝前進(jìn)行。在混凝土澆筑中,應(yīng)派人測量觀察模板的變形下?lián)锨闆r,及時收緊底模短吊桿和抬高前吊桿,防止底模漏漿和水平位移。調(diào)整掛籃標(biāo)高應(yīng)在施工中不斷總結(jié),盡可能在混凝土澆筑結(jié)束前一次完成。采用掛籃懸澆箱梁施工,應(yīng)嚴(yán)格遵守平衡對稱的原則進(jìn)行,應(yīng)嚴(yán)格控制各澆筑梁段混凝土超方,任何梁段實際澆筑混凝土超方重量不得超過設(shè)計要求。脫落底模時,應(yīng)注意先松后吊桿,再松前吊桿,否則會因底模整勁短吊桿無法卸脫,短吊桿卸下后擱于后下橫梁的懸掛腳手內(nèi),并掛上保險千斤,小扁擔(dān)梁千斤頂?shù)任锞粼谠帯旎@每次懸澆前,均須進(jìn)行檢查簽證手續(xù)。對梁段的中線、高程、塊段高度應(yīng)加控制。必須檢查全體結(jié)構(gòu)螺栓、焊縫、后錨設(shè)備聯(lián)結(jié)狀態(tài)、前后吊桿及橫梁的受力情況。并且要收緊一次吊桿,所有起吊后的吊桿限位螺栓上緊,千斤頂空隙用硬質(zhì)墊塊抄墊,進(jìn)行雙保險。

3.2.3 掛籃前移

掛籃前移之前,須清除上、下滑道表面雜物,再涂上黃油,以減少滑動阻力。為了兩側(cè)移動平穩(wěn),可在下滑道所在頂面上劃每100 mm一格的等分線,讓掛籃等距離同步滑行,兩立柱相差不超過100 mm,對稱兩套掛籃移位應(yīng)同步進(jìn)行,其距離不應(yīng)大于半個梁段長度。掛籃前移要有專人統(tǒng)一指揮,移動前必須在主析桁后端掛好防傾千斤繩,正常情況下千斤繩是不受力的。掛籃就位后,立即將后錨設(shè)備裝上并把錨桿上的螺栓擰緊,所有構(gòu)件處于受力狀態(tài)時,才能進(jìn)行懸臂作業(yè)。掛籃的前移由行走機構(gòu)完成,行走時應(yīng)在主梁上埋設(shè)預(yù)埋件用壓板將行走滑梁進(jìn)行固定?？v向精確定位由止推機構(gòu)千斤頂完成,控制縱向定位誤差小于15 mm。掛籃主桁的型鋼在使用中注意觀察,防止掛籃扭曲而失穩(wěn)。

3.2.4 掛籃預(yù)壓

為了檢驗掛籃的性能和安全,必須對已經(jīng)安裝的掛籃進(jìn)行加載試驗。預(yù)壓荷載為掛籃需承受全部荷載的1.05～1.1倍,采用分級加載的方式。通過加載試驗,可以消除結(jié)構(gòu)的非彈性變形,測出結(jié)構(gòu)的彈性變形,為設(shè)置預(yù)拱度提供數(shù)據(jù)[5]。加載的方式,可根據(jù)現(xiàn)場具體情況選擇堆載預(yù)壓或千斤頂反力架、地面對拉等進(jìn)行加載。

4 結(jié) 語

本文對整幅超寬掛籃進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,總結(jié)了超寬橋面掛籃的設(shè)計要點及施工過程安全注意事項等,并成功運用。實踐證明該掛籃的設(shè)計受力明確,結(jié)構(gòu)合理,能滿足該橋?qū)挼膽覞彩┕ひ?拓展了超寬橋面連續(xù)箱梁掛籃懸澆的經(jīng)驗,從而為同類橋梁掛籃設(shè)計與施工提供了參考與借鑒。

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Investigation on the Cradle Design and Construction Safety of the Continous Cantilever Beam of Super Wide Deck

MAXiaoxu

2017-01-18

馬曉旭(1980—)，男，遼寧朝陽人，工程師，從事鐵路、公路、市政以及其他工程的施工管理工作。

U445.4

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1008-3707(2017)02-0043-06