廣陳塘大橋掛籃施工及結構分析

范文質，修占國，劉振華，袁義臣，梁 平

(1.中建五局華東建設有限公司， 浙江 平湖 312400；2.東北大學 資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

1 工程概述

廣陳塘大橋，河面寬度50 m左右，水流平穩(wěn)無暗流，河底相對平坦。大橋引橋采用25 m預應力混凝土T梁，主橋采用(40+70+40) m變截面現(xiàn)澆預應力連續(xù)箱梁。其主橋截面為單箱單室直腹板結構形式。主橋預應力連續(xù)箱梁頂面寬10.00 m，翼緣板寬2.0 m，跨中梁高2.6 m，腹板厚65 cm～50 cm，底板厚度為80 cm(根部)～32 cm(跨中)，懸澆段頂板厚度為28 cm。

廣陳塘大橋橋面公路荷載等級為一級，橋面凈寬2×12.5 m，總寬27.5 m。全橋共5聯(lián)，總長共計450 m。為了加快施工速度，主橋按7#、8#墩號對稱懸臂現(xiàn)澆施工。除了0#梁段在橋墩頂旁搭支架、邊跨現(xiàn)澆段搭設滿堂支架外，其余梁段均采用對稱掛籃懸澆施工。全橋變截面連續(xù)箱梁段C50混凝土，數(shù)量約3 426 m3，其中懸澆最重梁段1#塊重123.5 t。大橋的合攏步驟采用：先邊跨后中跨的施工順序[1-3]。

鑒于該主橋的連續(xù)箱梁施工采用對稱雙懸臂現(xiàn)澆模式，經(jīng)專家討論，宜采用菱形掛籃施工。該施工方法不僅能夠保證施工過程中的質量與安全問題，而且菱形掛籃的主要受力構件均為二力桿，構件受力與傳力方式簡單明確。二力桿的受力模式不僅能夠充分發(fā)揮材料本身性質的優(yōu)勢，而且其結構分布十分明確，組裝、錨固及拆除施工方便，結構布置形式更加簡明輕巧[4-5]。

2 掛籃結構組成

該菱形掛籃結構形式主要由主桁架系統(tǒng)(雙榀菱形鋼桁架)、行走及錨固系統(tǒng)、吊帶系統(tǒng)、模板支撐系統(tǒng)、模板系統(tǒng)五大部分組成[6-7]。掛籃的各個子系統(tǒng)相互協(xié)作、依靠、制約，從而保證正常施工。該掛籃系統(tǒng)適用于最大梁段重20 t；梁段長4 m；梁高7 m；梁寬13.5 m；走行方式為倒鏈牽引；掛籃自重為50 t；傾覆穩(wěn)定系數(shù)空載時為8.60，灌注時為2.89。掛籃結構示意圖如圖1所示。

圖1掛籃結構布置圖

2.1 主桁架系統(tǒng)

廣陳塘大橋的主橋采用單箱單室的連續(xù)箱梁結構形式，用于施工的每副掛籃的主桁系統(tǒng)為兩榀結構模式。主桁架由兩片菱形的桁片組成。為了提高主桁架系統(tǒng)的穩(wěn)定性和剛度，防止桁架傾覆。在前、后橫梁上設置了兩層聯(lián)結桿件。

主桁架為Q235B槽鋼雙拼結構焊接而成，每一榀菱形主桁架由9個單元構件組成，包括4個連接件與5個連接桿。其主桁架系統(tǒng)的結構組成如圖2所示。

圖2菱形主桁構造

2.2 行走及錨固系統(tǒng)

菱形掛籃系統(tǒng)在懸澆完一段箱梁，通過質量驗收，簡單清理檢查后，方可開始前移[8]。通過設置在連續(xù)箱梁前端的限位器來保證掛籃系統(tǒng)的行走安全及位移限制。前移牽引工具為10 t手拉葫蘆，在前移過程中，必須保證兩榀主桁架具有時間、位移、速度上的同步，所有的手拉葫蘆必須保證同步進行，防止掛籃系統(tǒng)再移動過程中產(chǎn)生受力不均勻，導致構件產(chǎn)生應力集中而破壞。

掛籃的錨固系統(tǒng)是安全施工的重要保證工程，主要由斜拉索、錨箱、后錨桿等錨固形式組成[9]。斜拉索錨固于橫梁底面的錨箱內，錨箱則焊接于橫梁上，并設置加勁板進行穩(wěn)定處理。為了便于錨固系統(tǒng)的操作，在橫梁前端底板位置處開人洞并設置吊籠。充分利用已完成梁端的底板、翼緣板和預埋孔，將后錨點設置在已完成梁段的頂板或底板上。在設置錨固系統(tǒng)時要保證錨件與被錨件的受力均勻，防止錨固失效。圖3為后錨壓梁及軌道錨固示意圖。

圖3掛籃錨固示意圖

2.3 吊帶系統(tǒng)

吊帶系統(tǒng)是保證模板和澆筑施工的前提手段，需保證在最不利工況下能夠安全運行。吊帶系統(tǒng)主要與主桁架、已完成梁段、滑梁等構件相連接，如圖1(a)所示。吊桿構件采用長度不一的Φ32 mm精軋螺紋鋼組成。吊帶系統(tǒng)的上端主要與前上橫梁及已完成箱梁的頂面翼緣板以及底板上。下端則與底板平臺、側模和內模的支撐滑梁連接，吊帶系統(tǒng)需控制整體傾斜度，保證施工質量。

2.4 模板支撐系統(tǒng)

模板支撐系統(tǒng)主要為模板架設及混凝土澆筑系統(tǒng)服務，主要由掛籃底部的下橫梁構件、底模板支撐的縱向分配梁及側模板支撐架等組成[10]；橫梁包括前、后下橫梁各一根，前下橫梁與主桁架的前上橫梁上通過吊桿相連接，后下橫梁則通過吊桿與已完成段箱梁的底板相連；縱向分配梁支撐于前、后下橫梁上，底模板平臺下的縱向分配梁采用加密處理。側模模板支撐搭設于前、后下橫梁與縱向分配梁上，如圖1(a)所示?？v向分配梁采用I28工字鋼、16 mm厚鋼板焊接而成?？v向分配梁單節(jié)長度為4.26 m。待連續(xù)箱梁施工結束后，底平臺系統(tǒng)與掛籃整體同步向前移動，保證移動過程中的穩(wěn)定性。其整體如圖4所示。

圖4底平臺系統(tǒng)示意圖

2.5 模板系統(tǒng)

模板系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性是保證正?；炷翝仓那疤釛l件，需保證模板連接可靠、易脫模、不漏漿等基本技術要求[11]。模板系統(tǒng)主要由外模和內模組成。

外模采用鋼模，鋼模板具有循環(huán)利用及抵抗變形能力大的優(yōu)勢。外模板與內模采用螺桿連接，外加支撐固定，保證內外模板協(xié)調工作，極大提高穩(wěn)定性。面板由6 mm鋼板加型鋼帶組成，外模單節(jié)長4.8 m。模板骨架由槽鋼焊接而成，與面板焊接牢固。

側模支撐于外滑梁上，外滑梁每側兩根，共四根，由雙[32槽鋼和雙[25槽鋼與10 mm厚鋼板焊接而成，外滑梁前端通過吊桿與前上橫梁連接，后端與完成段箱梁的翼緣板混凝土連接。

內模由面板、內模桁片、連接件等構件組成。面板采用1.5 cm竹膠板，下鋪10 cm×10 cm木方，支撐于桁架片上，桁架片支撐在內滑梁上。內模側模采用竹膠板后背木方加鋼管用對拉桿與外模拉緊固定，以此保證內模板的穩(wěn)定性。

3 掛籃設計計算

3.1 掛籃主要設計參數(shù)

設計荷載及組合：

(1) 梁段混凝土重量：2.65 t/m3。

(2) 人群及機具荷載取2.5 kN/m2。

(3) 超載系數(shù)取1.05。

(4) 新澆混凝土動力系數(shù)取1.2。

(5) 掛籃行走時的沖擊系數(shù)取1.3。

(6) 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)2.0。

(7) 荷載組合[12-13]：

① 強度計算：混凝土自重+掛籃自重+施工、人、機自重+動力附加系數(shù)。

② 剛度計算：混凝土自重+掛籃自重+施工、人、機自重。

③ 行走穩(wěn)定性驗算：掛籃自重+沖擊附加系數(shù)。

3.2 各桿件計算分析

基于MIDAS/Civil建立該施工掛籃系統(tǒng)的有限元計算模型(如圖5所示)，對掛籃的各桿件進行計算分析。掛籃系統(tǒng)的各個構件的結構承載力驗算采用容許應力法[14]。該菱形掛籃構件的材質均為Q235B，其容許正應力為[σ]=145 MPa[15]。

圖5掛籃有限元模型

為了減少計算過程，優(yōu)化掛籃的結構驗算，只需考慮該施工過程中最不利施工工況下掛籃各桿件的內力即可滿足所有工況條件。選取各個工況下最重節(jié)段的混凝土澆筑施工工況，計算該掛籃系統(tǒng)中各桿件的應力和變形值。其計算結果如表1所示。

表1 各個構件的應力及位移計算結果

由表1計算結果知，掛籃最大應力為124.8 MPa，對應的施工工況為8#塊施工，最大應力構件位置為外滑梁上。掛籃最大撓度值為10.7 mm，對應的施工工況為1#塊施工，最大撓度構件為后下橫梁上。通過對各階段澆筑最不利工況的計算，掛籃的各個構件的應力計算結果均小于許用應力，且最大豎向位移均小于20 mm。所以，各構件的應力及變形均滿足規(guī)范要求，施工過程中能夠滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的基本要求。

3.3 吊桿計算分析

依據(jù)該菱形掛籃吊帶系統(tǒng)的設計，整個掛籃的吊帶系統(tǒng)共分為20根長短不一的吊桿，對稱分布。其中，底籃吊桿共計8根，滑梁吊桿共計12根。所有吊桿均采用Q235B材質的Φ32 mm精軋螺紋鋼，其抗力為500 kN。依據(jù)不同工況條件下的有限元模擬計算，確定最不利工況條件下吊桿受力情況。其計算結果如圖6所示。

圖6吊桿的計算結果

由最不利工況下吊帶的最終計算結果可知，吊桿整體受力呈對稱分布，該分布狀態(tài)可保證底平臺系統(tǒng)防止傾斜變形?；旱鯒U在8#塊施工條件下表現(xiàn)為最不利受力狀態(tài)，最大受力吊桿為后下橫梁與已澆筑箱梁連接的吊桿，最大受力為95 kN。底籃吊桿在1#塊施工條件下表現(xiàn)為最不利受力狀態(tài)，最大受力吊桿與掛籃滑梁吊桿一致，最大受力為257.8 kN<500 kN，滿足設計要求。

3.4 掛籃主桁架抗傾覆驗算

掛籃主桁架后錨系統(tǒng)采用4根材質為Q235B的Φ32 mm精軋螺紋鋼，如圖3(a)所示。錨固安全系數(shù)取2.0。其主桁架的后錨抗傾覆計算示意圖如圖7所示。

后錨點在澆注8#塊4 m節(jié)段混凝土時，后錨點的錨力達到最大值，最大為569 kN。由模擬計算可知，傾覆力為437.4 kN，傾覆彎矩M=P×L=437.4×5.3=2318.22 kN·m，后錨點共設置4根Φ32 mm精軋螺紋鋼，則后錨點的抗力共計為P1=4×500=2000 kN。抗傾覆彎矩M1=P1×L1=2000×4.05=8 100 kN·m?？箖A覆系數(shù)為K=M1/M=3.49>2，滿足規(guī)范要求。

圖7后錨抗傾覆計算示意圖

4 掛籃測試

掛籃的理論計算可作為掛籃設計的重要依據(jù)，但往往與實踐應用存在一定的誤差。然而，掛籃的現(xiàn)場預壓測試，不僅能夠驗證掛籃設計及模擬計算的合理性，而且能提前消除掛籃的主桁架系統(tǒng)、吊帶及底籃系統(tǒng)的非彈性變形。掛籃現(xiàn)場測試主要包括撓度變形和應力測試。掛籃測試過程中，施加荷載的安全系數(shù)取1.2[16]。

由現(xiàn)場測試結果表明，整個掛籃系統(tǒng)在最大設計荷載作用下，掛籃的各個桿件的撓度及變形均滿足規(guī)范設計要求。掛籃主桁結構的實際受力均小于理論計算值，原因在于理論計算過程中，處于安全設計的理念，考慮了較大的安全系數(shù)，導致具有較大的安全儲備。

5 結 語

論文基于廣陳塘大橋施工過程中采用菱形掛籃雙懸臂澆筑，通過對掛籃系統(tǒng)的各個部分的施工分析，通過有限元模型計算及抗傾覆驗算，對施工過程中存在的最不利工況下掛籃的受力情況進行受力分析，計算結果滿足施工及規(guī)范的要求。

該掛籃結構已在廣陳塘大橋的施工中成功應用，說明選用菱形掛籃施工在廣陳塘大橋預應力混凝土箱型連續(xù)梁的方案是合理可行的。該掛籃具有較高的行走效率，結構安全可靠的優(yōu)點。為以后類似施工提供了借鑒。