大跨鋼筋混凝土箱拱懸澆掛籃設(shè)計與計算

韓洋

(貴州交通建設(shè)集團有限公司，貴州 貴陽 550000)

掛籃懸臂澆筑是混凝土拱橋、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)以及斜拉橋中非常普遍的施工方法，具有十分顯著的優(yōu)點。掛籃懸臂澆筑比懸臂拼裝更能適應(yīng)環(huán)境條件、造價低、場地限制小、吊裝要求低，且懸澆的整體性明顯優(yōu)于懸臂拼裝，后期維護費用低。對中國西部山區(qū)正大力發(fā)展的混凝土拱橋而言，懸臂澆筑技術(shù)必將成為今后施工技術(shù)的主要發(fā)展方向。

大跨度箱形拱橋的掛籃懸澆技術(shù)是一種技術(shù)難度較大的工藝，在技術(shù)和工藝上都具有一定的獨特性，無論是施工還是管理都存在各種難點、挑戰(zhàn)。其中懸澆掛籃是拱圈節(jié)段懸澆施工的主要承重構(gòu)件，掛籃的設(shè)計、計算是施工成敗的關(guān)鍵，具有技術(shù)含量高、安全質(zhì)量控制難度大、工序復(fù)雜、施工組織管理難度大等特點。該文以貴州某大跨度拱橋為工程背景，介紹大跨鋼筋混凝土箱形拱橋采用掛籃懸臂澆筑的設(shè)計、計算及結(jié)構(gòu)特點。

1 掛籃懸澆工程概況

貴州某特大跨度拱橋位于貴州沿河縣淇灘鎮(zhèn)境內(nèi)，主橋為240 m鋼筋混凝土箱形拱橋，凈矢高40 m，凈矢跨比為1/6，主拱圈采用等高變截面懸鏈線單箱雙室截面，拱軸系數(shù)為1.85，箱形截面寬10 m、高4.5 m。

主拱圈采用掛籃懸臂澆筑進行施工，根據(jù)現(xiàn)場情況與實際需要，將拱圈沿縱向?qū)ΨQ劃分為37個節(jié)段。其中：兩岸拱腳1號節(jié)段采用支架現(xiàn)澆；跨中拱頂合龍段采用吊架澆筑；中間2～18號拱34個節(jié)段為掛籃懸澆段。各個階段的頂板、底板、腹板根據(jù)設(shè)計需要沿縱向采用不同的厚度，掛籃上模板的設(shè)計根據(jù)需要進行調(diào)整。各個掛籃懸臂澆筑節(jié)段的具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 拱圈節(jié)段主要參數(shù)

2 掛籃構(gòu)造與技術(shù)參數(shù)

采用下承上行式斜爬掛籃，以適用該橋主拱寬度大、拱圈傾斜及每節(jié)段角度均不同等特點。澆筑順序為從拱腳到拱頂，且兩岸對稱。這種倒掛式的三角斜爬掛籃自重輕，施工空間大、斜爬角度大、施工操作簡單。構(gòu)造特點包括承重桁架系統(tǒng)、底籃支承系統(tǒng)相結(jié)合，三角形桁架倒置于箱底，在主桁上弦擱置型鋼，當(dāng)作分配梁放置底模。掛籃在懸澆混凝土承受荷載時，將主桁、模板用拉桿提起緊貼于箱底，同時，在后支點上通過千斤頂調(diào)整底模標(biāo)高，并在中橫梁后部設(shè)置抗剪臂抵抗下滑力。掛籃行走過程中，松開拉桿、抗剪臂及千斤頂，通過掛鉤吊起整個掛籃系統(tǒng)，此過程的力為后支點承載變?yōu)榉戳喅休d，以此推動掛鉤使掛籃前移。

掛籃由型鋼和鋼板組焊構(gòu)件組成(圖1、2)，掛籃總長16 m，高10.05 m，采用三角形桁架作為承重構(gòu)件，桁架系統(tǒng)高4.3 m，桁片中心距為(2.25+3.2+2.25)m，掛籃重約90 t，設(shè)計承載能力300 t。主桁系統(tǒng)包括縱梁、橫梁、斜桿、豎桿、掛鉤及穩(wěn)定桁架。主桁縱梁主要包括前縱梁和后縱梁。前、后縱梁均由2[40a型鋼通過綴板連接形成箱形桿件。橫梁包括前橫梁、中橫梁和后橫梁，前、中、后橫梁均由2[32a槽鋼焊接形成箱形桿件，與三角形桁架通過栓接連接。箱內(nèi)設(shè)置橫隔板，以適用受力、穩(wěn)定的要求。斜桿包括前外斜桿、前內(nèi)斜桿和后斜桿，前外斜桿由2[32a型鋼焊接形成箱形桿件，前內(nèi)斜桿由2[25a型鋼焊接形成箱形桿件，后斜桿采用2[32a型鋼焊接形成箱形桿件。豎桿采用16Mn鋼板焊接形成箱形桿件，通過栓接與主桁其他桿件相接。矩形掛鉤采用Q345鋼板構(gòu)件，與桁架相連，支承在滑板上，滑板鋪設(shè)于拱箱頂面軌道，節(jié)段混凝土澆筑時，掛鉤不承受任何荷載；掛籃前移時，承擔(dān)掛籃自身的重量，沿軌道行走到指定位置。為增加此結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，各主桁桿件之間設(shè)有水平和豎向穩(wěn)定桁架。

圖1 掛籃整體立面圖(單位：mm)

圖2 掛籃斷面圖(單位：mm)

3 掛籃計算

采用Midas軟件模擬掛籃，建立空面桿系有限元整體模型，對掛籃的傳力過程及掛籃結(jié)構(gòu)進行有限元計算。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點整體模型共196個節(jié)點，241個單元，結(jié)構(gòu)截面特性11種，釋放梁單元約束69處(梁單元鉸接處)，支座8個(主桁豎桿支點4個、縱梁橫桿支點4個)。

采用允許應(yīng)力法進行驗算，掛籃的主要計算參數(shù)為：鋼彈性模量為2.1×105MPa, Q235鋼容許應(yīng)力[σw]=145 MPa,[σ]=140 MPa,[τ]=85 MPa,16Mn鋼容許應(yīng)力[σw]=210 MPa,[σ]=200 MPa,[τ]=120 MPa?；炷林囟?6 kN/m3,模板自重1.0 kN/m2,施工人員、機具荷載1.5 kN/m2,傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的沖擊荷載2.0 kN/m2,振搗混凝土產(chǎn)生的荷載2.0 kN/m2。掛籃空載行走沖擊系數(shù)1.4,掛籃穩(wěn)定系數(shù)≥4.0,錨固安全系數(shù)≥2.0。

計算過程主要對主桁承重系統(tǒng)強度、穩(wěn)定性以及掛籃行走進行計算，為簡化和偏安全考慮，在進行混凝土重量、掛籃自重、模板荷載、臨時荷載等組合的基礎(chǔ)上，考慮以下6種工況的計算：① 工況1：2號節(jié)段施工，角度最大，2號節(jié)段長7.227 m，重266.1 t;② 工況2：4號節(jié)段施工，節(jié)段最長，4號節(jié)段長7.324 m，重257.8 t;③ 工況3：13號節(jié)段施工，頂板變化段，節(jié)段垂直于掛籃重量變大，13號節(jié)段長6.56 m，重237.5 t;④ 工況4：15號節(jié)段施工，節(jié)段垂直于掛籃重量最大，15號節(jié)段長6.507 m，重245.3 t;⑤ 工況5：17號節(jié)段施工，角度最小，17號節(jié)段長6.475 m，重量為244.2 t;⑥ 工況6：掛籃行走，模擬掛籃行走時的工況。

前5種工況分別模擬2、4、13、15、17號節(jié)段的掛籃澆筑，這些典型節(jié)段的斷面布置如圖3所示，分配梁受載寬度為面積對應(yīng)的箱梁底部長度方向，相鄰分配梁平均分配。工況6模擬掛籃行走，掛籃自重為結(jié)構(gòu)自重乘1.4沖擊荷載系數(shù)，模板及臨時荷載按照縱梁和分配梁線荷載為3.5 kN/m計算。

圖3 典型節(jié)段的立面圖(單位：cm)

計算結(jié)果如表2所示，其中軸力以拉力為正、壓力為負(fù)，應(yīng)力以拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)。

由表2可知：掛籃各個構(gòu)件在工況1～6荷載作用下結(jié)構(gòu)的強度、變形和穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范要求。掛籃錨固共4個位置，即主桁豎桿錨固于箱梁頂面。主桁后錨最大錨固力為1 394 kN，錨固力需求為2 788 kN(2倍安全系數(shù))，即為拉桿計算荷載，經(jīng)驗算滿足有關(guān)規(guī)范要求。

表2 掛籃計算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)以大跨度混凝土拱橋懸澆掛籃施工為工程背景，介紹了大跨鋼筋混凝土拱橋懸澆掛籃的設(shè)計、計算及結(jié)構(gòu)特點。

(2)6種工況下掛籃應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性計算結(jié)果均滿足有關(guān)規(guī)范要求，實際應(yīng)用驗證了該類掛籃的可靠性。這種大跨混凝土箱形拱橋掛籃分節(jié)段懸澆技術(shù)的成功應(yīng)用，為此類橋梁掛籃懸澆技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。