中央索面斜拉橋前支點(diǎn)復(fù)合式掛籃施工技術(shù)

司義德，袁堂濤

(青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266100)

1 工程概況

背景工程為主橋?yàn)殡p塔中央索面的塔梁剛接、塔墩分離的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主橋全長(zhǎng)340m，橋梁跨徑布置為80m+180m+80m，橋面寬度為26.5m，主梁截面采用的是閉口預(yù)應(yīng)力等截面連續(xù)箱梁，采用C50混凝土，截面形式為單箱三室，主梁高度為2.65m。主塔采用C50混凝土，采用變截面形式，中央單柱式結(jié)構(gòu)形式。橋梁的斜拉索是中央雙索面形式，每個(gè)塔柱左、右共12對(duì)，斜拉索采用扇面形式布置，斜拉橋錨固點(diǎn)橫橋向間距為80cm，跨中縱橋向間距為7.1m，邊跨8～11號(hào)斜拉索其縱向間距為4.7m，其他斜拉索縱向間距為7.1m。引橋采用移動(dòng)模架現(xiàn)澆，主橋采用掛籃現(xiàn)澆，所選用的掛籃是前支點(diǎn)復(fù)合式掛籃，需掛籃4個(gè)，兩側(cè)同步對(duì)稱澆筑，這種掛籃的特點(diǎn)為兩側(cè)的行走鋼梁是用吊帶和底模連接，吊帶可通過(guò)千斤頂進(jìn)行調(diào)整，這樣可更好地控制標(biāo)高。

2 掛籃種類

掛籃根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)可有如下分類。

1)根據(jù)掛籃主體材料可分為萬(wàn)能桿件拼裝、貝類梁桿件組裝及型鋼加工等。

2)根據(jù)掛籃受力原理可分為斜拉索式、剛性模板式、垂直吊桿式等。

3)根據(jù)掛籃主要承重結(jié)構(gòu)形式可分為桁架式、斜拉式、鋼板梁式及牽索式等，三角桁架式及菱形桁架式為較常用形式。

4)根據(jù)掛籃保持整體穩(wěn)定的方式可分為全壓重式、全錨固式及半壓半錨式等。

5)根據(jù)掛籃前移方式可分為滾動(dòng)式、滑動(dòng)式及滾動(dòng)滑動(dòng)組合式等，其中根據(jù)施工工況及施工現(xiàn)場(chǎng)的可操作性等因素，以上幾種方法可分別采取1次行走到位或2次行走到位的前移方式。

6)根據(jù)掛籃支點(diǎn)錨固位置可分為前支點(diǎn)掛籃、后支點(diǎn)掛籃、前后支點(diǎn)組合式掛籃等。

本例工程結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，所選擇的是前支點(diǎn)復(fù)合式掛籃。

3 本例掛籃系統(tǒng)

1)承重系統(tǒng) 主縱梁貫穿于前后橫梁，并與斜拉索相連接，承受主要自重。

2)行走系統(tǒng) 待斜拉索三張以后，將掛籃的梁底部分錨固于已澆筑梁段上，兩側(cè)的行走鋼梁通過(guò)牽引往前移動(dòng)到特定位置后固定，然后梁底的行走鋼梁和梁頂2個(gè)吊帶的吊點(diǎn)一塊往前行走，行走到特定位置后進(jìn)行錨定。

3)錨固系統(tǒng) 用的是精軋螺紋鋼筋進(jìn)行錨固，每次錨固時(shí)都達(dá)到相應(yīng)要求。

本例掛籃用的是復(fù)合式前支點(diǎn)掛籃，與其他前支點(diǎn)掛籃不同的是，行走鋼梁端部用的是吊帶，操作簡(jiǎn)單方便，具體的掛籃細(xì)部構(gòu)造如圖1所示。

圖1 具體的掛籃細(xì)部構(gòu)造

4 掛籃預(yù)壓

4.1 掛籃預(yù)壓目的

在實(shí)際澆筑混凝土前需對(duì)掛籃進(jìn)行預(yù)壓，這樣可消除掛籃制作過(guò)程中的非彈性變形，保證施工過(guò)程中數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)還可保證掛籃在使用過(guò)程中的安全性，對(duì)預(yù)壓過(guò)程中出現(xiàn)的不安全因素進(jìn)行調(diào)整加固。預(yù)壓時(shí)的荷載完全模擬實(shí)際澆筑過(guò)程中階段的最大梁重，通過(guò)實(shí)地測(cè)量在預(yù)壓過(guò)程中每個(gè)階段掛籃的數(shù)據(jù)變化，對(duì)掛籃的彈性變形進(jìn)行確定，以及在預(yù)壓過(guò)程中出現(xiàn)的掛籃的結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)改進(jìn)完善。預(yù)壓過(guò)程中的荷載施加以及持荷時(shí)間要嚴(yán)格按掛籃的預(yù)壓方案進(jìn)行，每一級(jí)的加載持荷時(shí)間≥30min，在最后加載到最大梁重的1.1倍后需持荷≥36h，每個(gè)工況下掛籃的撓度變化都需測(cè)量記錄以備分析數(shù)據(jù)，觀測(cè)均在每級(jí)荷載持荷完畢并補(bǔ)足相應(yīng)等級(jí)荷載后進(jìn)行。由于施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地較充足，所以此例掛籃預(yù)壓所選用的方法是堆積砂袋。

4.2 掛籃預(yù)壓流程

掛籃安裝到位→掛籃預(yù)壓前準(zhǔn)備→斜拉索第1次張拉→預(yù)壓50%的荷載→斜拉索第2次張拉→預(yù)壓100%的荷載→預(yù)壓110%的荷載→卸載至100%的荷載→卸載至50%的荷載→斜拉索調(diào)整到第1次張拉的索力值→斜拉索卸載為0→荷載全部卸載。在每一級(jí)加載時(shí)都需注意掛籃各結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)要做到加載時(shí)保證縱橋向和橫橋向的對(duì)稱加載，兩端的最大不平衡配重不大于設(shè)計(jì)要求的20t，并對(duì)主要布測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)高測(cè)量，根據(jù)掛籃預(yù)壓方案進(jìn)行操作。

預(yù)壓結(jié)束后需對(duì)預(yù)壓過(guò)程中出現(xiàn)的局部不合理處進(jìn)行檢查或進(jìn)行加固，保證在澆筑梁段過(guò)程中掛籃的安全性和穩(wěn)定性。

5 有限元分析

前支點(diǎn)復(fù)合式掛籃主梁采用箱形結(jié)構(gòu)，截面尺寸為1 400mm×2 000mm，其中直線段腹板厚10mm，內(nèi)部設(shè)置10mm厚加勁板，設(shè)置25mm厚頂、底板；主縱梁前端曲梁腹板厚20mm，內(nèi)部加勁板厚均為16mm；中吊點(diǎn)、擋塊部分均采用20mm鋼板；材質(zhì)均為Q345B；掛籃設(shè)置前橫梁和后橫梁，以增加結(jié)構(gòu)的橫向剛度，采用工字組合鋼梁結(jié)構(gòu)，高1.6m，寬0.5m，頂板厚25mm，腹板厚10mm；次縱梁采用工字組合鋼梁結(jié)構(gòu)，高1.2m，寬0.5m，頂板厚20mm，腹板厚10mm；底縱梁采用H型鋼H400×200，鋪設(shè)在橫梁上用于支立掛籃底模；側(cè)模采用整體排架結(jié)構(gòu)。利用有限元軟件MIDAS/Civil進(jìn)行建模分析，主縱梁、行走鋼梁和前后橫梁等都采用梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用桁架單元。將梁段自重分不同工況進(jìn)行模擬施加，結(jié)合面荷載和節(jié)點(diǎn)荷載共同模擬，如圖2，3所示。

圖2 掛籃有限元模型

圖3 掛籃應(yīng)力

通過(guò)有限元軟件MIDAS/Civil模擬預(yù)壓過(guò)程中的不同施加順序，模擬施工過(guò)程中最不利工況，梁段最重的塊段自重385t。模擬了掛籃預(yù)壓過(guò)程中的不同工況，分析可得掛籃各階段的應(yīng)力都在容許應(yīng)力范圍內(nèi)，對(duì)于局部應(yīng)力集中處在拼裝掛籃時(shí)進(jìn)行加固。為了確保施加壓重過(guò)程中的安全，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)管理措施，嚴(yán)格控制對(duì)稱平衡加載，保證掛籃受力均衡。仿真分析中各工況下應(yīng)力和撓度變化值如表1所示。

表1 有限元模型掛籃各工況下應(yīng)力和撓度變化值

由表1中數(shù)據(jù)可看出，掛籃各部件的最大應(yīng)力是在主縱梁處208MPa，小于容許應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。此種復(fù)合式前支點(diǎn)掛籃的受力特點(diǎn)復(fù)雜，在模型數(shù)據(jù)分析中可看出主縱梁在各工況中的變化浮動(dòng)最大，說(shuō)明斜拉索的作用明顯，同時(shí)兩邊的變化幅度明顯小于主縱梁，這種掛籃的橫向剛度需加強(qiáng)，也就體現(xiàn)了吊帶作用。由于復(fù)合式掛籃的受力分析復(fù)雜，在有限元模擬預(yù)壓過(guò)程中與實(shí)際的掛籃預(yù)壓存在誤差，在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)模型加強(qiáng)局部位置，同時(shí)也應(yīng)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)修正模型中的相關(guān)數(shù)據(jù)，相互參考，相互校核。

6 掛籃預(yù)壓數(shù)據(jù)分析

對(duì)掛籃預(yù)壓過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，A，B，C，D，E分別代表上游翼緣板處、上游底模、中間底模、下游底模、下游翼緣板處的測(cè)點(diǎn)位置，整理數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 掛籃預(yù)壓數(shù)據(jù)分析 mm

由掛籃的預(yù)壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，掛籃底板標(biāo)高在預(yù)壓過(guò)程中的每個(gè)荷載工況下的變化，通過(guò)每一級(jí)的加載，逐漸消除掛籃的非彈性變形(立?？蛰d的標(biāo)高與最后斜拉索索力為0標(biāo)高的差值)，等全部預(yù)壓結(jié)束后，也可計(jì)算出掛籃的彈性變形(加載到110%荷載的標(biāo)高與最后斜拉索索力為0標(biāo)高的差值)，這些數(shù)據(jù)可使實(shí)際梁段的立模標(biāo)高更精確。主縱梁位置處的標(biāo)高變化比兩邊稍高，這是由于斜拉索的直接作用，也是這種掛籃的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以在確定最終立模標(biāo)高和在澆筑混凝土過(guò)程中需特別注意，也需采取一些措施，根據(jù)實(shí)際情況澆筑一定混凝土?xí)r，調(diào)整兩邊吊帶的高度來(lái)控制，使得在澆筑完混凝土?xí)r使得最終底模平齊(見(jiàn)圖4)。

圖4 掛籃預(yù)壓各測(cè)點(diǎn)標(biāo)高變化

對(duì)比掛籃主縱梁的實(shí)際預(yù)壓數(shù)據(jù)和MIDAS/Civil有限元分析數(shù)據(jù)整理如表3和圖5所示。

通過(guò)對(duì)比主縱梁處的標(biāo)高變化值，可看出實(shí)際掛籃的變化值與模型的變化值存在差異，這也說(shuō)明掛籃的實(shí)際剛度大于模型中的剛度，說(shuō)明偏安全，變化趨勢(shì)一致，所以在實(shí)際施工中合理可行。

表3 掛籃主縱梁撓度變化值 mm

圖5 掛籃主縱梁撓度變化值對(duì)比

7 結(jié)語(yǔ)

1)由于中央索面斜拉橋結(jié)構(gòu)的特殊性，在施工過(guò)程中也需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行掛籃選擇，為了充分利用斜拉索的作用，現(xiàn)在普遍選用牽索式掛籃，同時(shí)這也是一種復(fù)合式結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜，但同時(shí)使得施工方便與快捷。由于這種掛籃的受力復(fù)雜，所以在對(duì)這種掛籃選擇時(shí)需用有限元進(jìn)行模擬，有限元模擬可分析整體結(jié)構(gòu)及局部受力特點(diǎn)，在實(shí)際梁段澆筑時(shí)進(jìn)行有效的加固指導(dǎo)。

2)通過(guò)對(duì)這種復(fù)合式掛籃的預(yù)壓數(shù)據(jù)分析可知，主縱梁處底板標(biāo)高在施工過(guò)程中的變化并不是和兩邊的底板標(biāo)高一致，由于斜拉索作用，主縱梁的浮動(dòng)較大，所以這也就給施工中立模標(biāo)高的確定帶來(lái)麻煩，好在兩邊行走鋼梁通過(guò)吊帶作用于底板，對(duì)底板的標(biāo)高有可調(diào)范圍。所以在實(shí)際立模過(guò)程中應(yīng)當(dāng)參考實(shí)際掛籃預(yù)壓的變化情況，以中間主縱梁來(lái)調(diào)整立模標(biāo)高，同時(shí)掛籃的預(yù)壓對(duì)主縱梁和兩側(cè)標(biāo)高的變化差值也給了數(shù)據(jù)依據(jù)，所以可在第2次張拉完后根據(jù)掛籃的實(shí)際情況進(jìn)行吊帶提升，使得在全部澆筑完混凝土后底模的標(biāo)高相同，這樣充分體現(xiàn)了掛籃預(yù)壓的指導(dǎo)意義。當(dāng)然每個(gè)掛籃在實(shí)際拼裝過(guò)程中不可能完全相同，具體掛籃具體分析，應(yīng)以掛籃預(yù)壓的數(shù)據(jù)指導(dǎo)實(shí)際混凝土澆筑。同時(shí)，需與模型中的數(shù)據(jù)相互校核，除去個(gè)別誤差進(jìn)行修正來(lái)指導(dǎo)施工。