潮白河大橋長平臺牽索掛籃設計

莫以操 邱 攀

(中鐵大橋局集團有限公司 武漢 430050)

預應力混凝土斜拉橋是一種橋面體系受壓、支撐體系受拉的橋梁，一般以平衡懸臂法對稱施工，但主梁節(jié)段尺寸及混凝土方量較大，普通掛籃難以滿足施工的要求，因此，預應力混凝土斜拉橋多采用牽索掛籃進行對稱施工。牽索掛籃可根據(jù)斜拉橋主梁結構的不同、斜拉索錨固點位置及平、縱面角度的變化等因素進行選型及設計。

1 工程概況

潮白河大橋為徐尹路上的一座特大橋梁，位于燕郊國家高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)西部，是整個徐尹路打通燕郊與北京快速路連接的控制性關鍵工程。該橋主橋采用165 m+165 m倒Y形單塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，采用墩塔梁固結體系，塔高99.12 m。本橋采用平行鋼絞線拉索體系，空間雙索面扇形布置，索距8 m,全橋共38對斜拉索。主橋立面見圖1。

圖1 主橋立面圖(單位：m)

主梁基本斷面形式為邊主梁，截面頂全寬27.5 m，截面高2.3 m，設雙向1.5%橫坡。主梁節(jié)段劃分為(2×3 m+18×8 m+6 m+2×9 m+6 m+18×8 m+2×3 m。其中，第0號節(jié)段、1號節(jié)段及邊跨直線段采用現(xiàn)澆支架施工，第2號～19號節(jié)段采用牽索掛籃現(xiàn)澆施工。主梁標準截面見圖2。

圖2 標準橫斷面圖(單位：mm)

2 牽索掛籃結構設計

由于主梁結構、斜拉索空間限制及工程實際情況，主梁采用長平臺牽索掛籃進行施工。掛籃主要結構包括承重系統(tǒng)、牽索系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、吊掛及走行系統(tǒng)、抗剪系統(tǒng)及操作平臺等組成。牽索掛籃結構示意圖見圖3、圖4。

圖3 牽索掛籃立面布置圖(單位：mm)

圖4 牽索掛籃橫斷面布置圖(單位：mm)

承重系統(tǒng)由主縱梁，前、中、后橫梁等組成平臺結構。為了運輸及吊裝的方便，主縱梁及橫梁在工廠分節(jié)段制造，節(jié)段之間采用高強螺栓連接。根據(jù)結構受力分析，主縱梁主要承受斜拉索張拉產(chǎn)生的水平分力，主梁待澆節(jié)段混凝土產(chǎn)生的彎矩和剪力，前、中、后橫梁及拱架產(chǎn)生的扭矩[1]；橫梁結構主要承受主梁橫隔板混凝土自重及模板結構荷載。

牽索系統(tǒng)為特制的加長連接裝置，其下端錨固在主縱梁弧形首分配梁之上，上端與斜拉索錨具相連，起傳遞荷載及后期體系轉換之用。

模板系統(tǒng)分為側模系統(tǒng)及底模系統(tǒng)。側模系統(tǒng)采用液壓桿及模板組成；為減少施工現(xiàn)場模板拆裝的工作量，掛籃底模設計摒棄了常用的腳手架+方木+竹膠板的結構形式，采用拱架及可開合式組合鋼模板的結構形式，澆筑混凝土時，模板展開使之支撐于拱架及橫梁之上；混凝土澆筑完畢，模板收攏于拱架之上，拱架下落，模板整體脫模。

吊掛系統(tǒng)將掛籃承重系統(tǒng)錨固于已澆筑節(jié)段頂部，根據(jù)分布位置不同可分為中外吊掛、中內吊掛及后吊掛，中外吊掛錨固于已澆筑節(jié)段前端，主要承受掛籃豎向荷載；中內吊掛、中后吊掛分別錨固于后橫梁、主縱梁后部，使掛籃在混凝土澆筑過程中頂面與已澆段底面緊貼。

走行系統(tǒng)由走行滑道及掛鉤組成。掛鉤僅用于掛籃走行，為焊接箱型結構，主要承受掛籃走行過程中自重及模板荷載，其一端與主縱梁栓接，另一端則通過連續(xù)千斤頂拽拉滑塊在滑道內進行滑動。滑道為U形組焊結構，2 m一節(jié)，節(jié)與節(jié)之間通過螺栓連接，滑道錨固于已澆筑梁端頂部，正對掛鉤滑塊。

抗剪系統(tǒng)由設置于主縱梁頂部的抗剪柱及圓弧形插片組成，主要起抵抗斜拉索水平分力的作用，同時適當調整掛籃的位置，使之滿足主梁施工線形的要求[2]。

操作平臺則可根據(jù)實際需要，在主縱梁兩側設計三腳架進行搭設。

3 牽索掛籃施工過程斜拉索中間索力確定因素

牽索掛籃在施工過程中斜拉索預拉索力的方向和大小均不斷發(fā)生變化，計算時斜拉索的施工索力根據(jù)以下因素確定。

1) 牽索掛籃的主縱梁抗彎能力滿足設計要求。

2) 牽索掛籃中、后吊掛軸向拉力滿足設計要求。

3) 初張索力按掛籃安裝到位，混凝土澆筑50%且掛籃主縱梁前端錨固點變形為0時的豎向分力確定。

4) 第二次調索索力按混凝土澆筑100%且掛籃主縱梁前端錨固點變形為0時的豎向支撐分力確定。

由于主塔兩側主梁節(jié)段斜拉索的初張力相同，且斜拉索豎向角度差別很小，故在表1中僅示意單側斜拉索中間索力值。

表1 斜拉索中間索力表

4 牽索掛籃結構設計計算

4.1 牽索掛籃荷載分析

計算荷載主要包括掛籃結構自重、待澆筑主梁混凝土荷載、模板荷載、施工人員及施工機具荷載、混凝土振搗荷載及斜拉索2次張拉荷載。

4.2 牽索掛籃工況分析

主梁節(jié)段施工均采用2次調整中間索力，根據(jù)節(jié)段施工流程，可分為以下7個工況。

1) 工況1，吊裝掛籃，安裝模板及吊掛系統(tǒng)，

掛籃與已澆筑節(jié)段進行錨固。

2) 工況2，斜拉索初張拉。

3) 工況3，綁扎待澆節(jié)段鋼筋骨架，安裝預應力管道，澆筑主梁50%混凝土。

4) 工況4，斜拉索第二次張拉。

5) 工況5，澆筑主梁100%混凝土。

6) 工況6，解除牽索接長裝置，斜拉索體系轉換，掛籃脫模，然后整體下降。

7) 工況7，掛鉤落于走行滑道之上走行至下一節(jié)段。

4.3 有限元建模計算

采用有限元軟件midas Civil建立各個工況下牽索掛籃空間計算模型。模型中除主縱梁、掛鉤采用板單元模擬外，其余結構均采用梁單元進行模擬。邊界條件按實際工況進行模擬。主梁標準節(jié)段混凝土用量約174.18 m3，其中，控制節(jié)段為19號節(jié)段，混凝土用量約為179.1 m3。計算模型以最不利節(jié)段19號節(jié)段進行計算分析，按節(jié)段混凝土一次澆筑成型計算考慮。計算模型見圖5。

圖5 牽索掛籃有限元模型

根據(jù)計算模型，得出牽索掛籃在各工況下的各構件內力結果，從而對主縱梁、橫梁、拱架、掛鉤等構件的強度、剛度、穩(wěn)定性進行檢算。經(jīng)計算，掛籃澆筑最不利節(jié)段19號節(jié)段時，構件最大應力197 MPa；掛籃走行時，構件最大應力204 MPa，均小于230 MPa的許用應力[3-5]，滿足規(guī)范要求。各工況下的應力圖見圖6。

圖6 最不利節(jié)段施工階段主縱梁最大組合應力圖

各工況下的位移見表2。

表2 各個工況下的位移

注：“+”表示位移向上，“-”表示位移向下。

一般情況下，為保證立模標高調整量不大、后期成橋索力調整方便，在澆筑混凝土后，主縱梁前端位移保證在±10 mm范圍內，潮白河大橋牽索掛籃在工況3與工況5時，主縱梁前端位移分別為2.5 mm與4.3 mm，滿足要求。

5 結語

預應力混凝土斜拉橋牽索掛籃對稱懸臂施工以其施工速度快、方便主梁線形控制而得到廣泛應用。本工程所使用的牽索掛籃具有以下優(yōu)點。

1) 牽索掛籃剛度大，定位鎖定后，掛籃與已澆筑主梁節(jié)段連為一體，掛籃隨主梁轉動而轉動，對控制主梁線形有利。

2) 掛籃采用在工廠制造，現(xiàn)場組拼，施工完成后整體下放，降低了安全風險。同時，采用整體式模板系統(tǒng)，拱架及模板系統(tǒng)聯(lián)動，可沿滑動軌道整體上升或下落，并隨牽索掛籃走行至下一節(jié)段，解決了常用的腳手架模板拆裝工序多、速度慢的問題，降低了施工難度、節(jié)約了施工工期。

[1] 張小川.牽索掛籃結構設計與數(shù)值模擬[J].四川建筑，2014，34(1)：155-158.

[2] 李宗長，唐宏路，張志長.牽索式掛籃設計及施工若干問題的探討[J].交通科技，2005(5)：53-55.

[3] 鋼結構設計規(guī)范:GB 50017-2003[S].北京：中國計劃出版社,2003.

[4] 公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范:JTJ 025-86[S].北京：人民交通出版社,1988.

[5] 王向陽,夏小勇,韓麗麗，等.獨塔斜拉橋鋼拱塔豎轉施工風致抖振響應分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2016,40(2):251-255,260.