西郊大橋懸臂澆筑施工掛籃優(yōu)化設(shè)計

劉 偉，宋新新，吳雨航，王 斌，呂 盟

(1.中建鐵投路橋有限公司，湖北 武漢 460014;2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

懸臂澆筑施工具有結(jié)構(gòu)整體性較好、不中斷橋下交通、造價低等特點，是連續(xù)剛構(gòu)橋、連續(xù)梁橋及斜拉橋中普通施工方法之一[1-3]。掛籃作為懸臂澆筑常用設(shè)備，其結(jié)構(gòu)技術(shù)已較為成熟[4-5]，但當(dāng)橋面寬度和橫坡較大時，掛籃澆筑過程受力較大、行走難度增加、調(diào)坡過程繁瑣，對掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。許多學(xué)者結(jié)合具體工程對寬幅橋梁掛籃結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計展開了研究。

張洪斌等[6]通過對某鐵路橋掛籃進行理論與試驗測試得出結(jié)論，掛籃強度設(shè)計相對保守，仍有較大優(yōu)化空間；靳會武等[7]對鎮(zhèn)山大橋44 m超寬橋面掛籃施工進行仿真分析，并根據(jù)計算結(jié)果對掛籃進行了優(yōu)化；李長坤等[8]提出使用密布吊桿解決某城市寬幅橋梁掛籃前托梁變形較大的問題；吳月星等[9]通過改變掛籃錨吊桿數(shù)目和位置，使拱圈節(jié)段受力更加合理。以上研究通過建立掛籃有限元模型，對掛籃進行受力分析，并對懸臂澆筑施工方法進行了技術(shù)總結(jié)，可為寬幅橋梁掛籃設(shè)計提供參考，不過仍缺乏對橫坡較大的橋梁掛籃施工技術(shù)的研究。

目前，掛籃主要依靠支墊鋼板的方式進行調(diào)坡，該過程材料消耗大、調(diào)坡過程繁瑣且安全性不高。以西郊大橋為工程背景，提出一種簡易的掛籃調(diào)坡裝置，并對該裝置使用方法進行介紹。

1 工程概況

西郊大橋14#～17#墩跨徑為47 m+88 m+47 m，如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)采用直腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，箱梁為單箱三室斷面，箱梁頂寬24.5 m，底寬21.5 m，懸臂長1.5 m。合龍段處箱梁中心高度為2.5 m，頂板厚0.3 m，底板厚0.3 m；0#塊中心高度為5.5 m，頂板厚0.5 m，底板厚0.8 m。箱梁懸澆段長度3～4 m，中跨合龍段2 m，最重懸澆段為1#塊，重約302.12 t，14#～17#墩處于半徑為800 m的圓曲線上，橫坡較大，達到4%，左右兩側(cè)掛籃主構(gòu)架高差為810 mm。

圖1 橋梁立面圖(單位：m)

2 菱形掛籃優(yōu)化設(shè)計

西郊大橋橫坡較大、橋面較寬且位于曲線上，傳統(tǒng)的掛籃較難滿足施工要求，具體為：

(1)橋面橫坡漸變，由2%逐漸變到4%，掛籃4片主桁始終不在同一高度，施工時，每一節(jié)段均需對掛籃主桁進行調(diào)坡，調(diào)坡過程繁瑣。

(2)橋面較寬，采用全幅整體式施工方法，掛籃后托梁長度達到30 m，掛籃在行走工況下自身變形較大。

2.1 掛籃調(diào)坡改進設(shè)計

采用全液壓調(diào)節(jié)方案，坡度可以隨意調(diào)整，且安全系數(shù)高，不可調(diào)節(jié)高度的菱形架為基本形式，其位于連續(xù)梁梁體高側(cè)，采用軌道、澆筑制作直接支撐即可滿足要求；圖2為可調(diào)節(jié)高度菱形架架構(gòu)，其位于連續(xù)梁梁體低側(cè)，通過調(diào)節(jié)菱形架與滑移支座之間的支座來調(diào)節(jié)菱形架高度，使菱形架無論梁體坡度如何變化，均可調(diào)整為與其他3組菱形架平行，保證受力安全?？烧{(diào)支座分為上支座、下支座和中間集成的自鎖式液壓千斤頂，如圖3所示。液壓千斤頂用于調(diào)節(jié)菱形架的準確高度并自鎖，上下支座用于保持調(diào)節(jié)和澆筑時的穩(wěn)定性。

圖2 自鎖式液壓頂升裝置可調(diào)高度菱形架結(jié)構(gòu)

圖3 自鎖式液壓頂升裝置示意圖

2.2 使用方法

因本橋梁體為單箱三室結(jié)構(gòu)，因此單支掛籃(半套)共設(shè)置4片菱形架，其中最高側(cè)2片菱形架采用軌道+高低墊梁+墊片形式調(diào)節(jié)，低側(cè)2片菱形架采用套筒調(diào)節(jié)高度。具體包括以下4個步驟：

(1)當(dāng)掛籃安裝到位后，測量0#塊或已澆筑混凝土塊段的坡度及相應(yīng)菱形架下梁體標高，計算出最高側(cè)菱形架與其他3片菱形架之間高差。

(2)根據(jù)所測數(shù)據(jù)，采用液壓油缸對液壓千斤頂進行頂升，頂升到位后即刻停止，泄壓后自鎖完成。

(3)采用相同方法調(diào)節(jié)最低側(cè)菱形架高度至指定位置，并完成自鎖。

(4)按正常掛籃操作流程調(diào)節(jié)其他位置標高，準備澆筑。

另外水平穩(wěn)定器、手動式鎖死裝置、后部可調(diào)伸縮反扣裝置，因每片主構(gòu)架高度均不相同，可采用這種頂升裝置，在澆筑混凝土?xí)r將主構(gòu)架調(diào)平，達到水平效果。

2.3 掛籃后托梁改進設(shè)計

掛籃行走工況下，后托梁錨固全部松開，后托梁變形過大。為減小掛籃行走過程中后托梁變形，采取以下2個措施，如圖4所示。

圖4 掛籃后視圖(單位：cm)

(1)在后托梁底側(cè)增設(shè)2道雙拼[32#b槽鋼，底導(dǎo)梁前端錨固在前托梁上，后端錨固在箱梁底板上。

(2)掛籃行走時將后托梁與導(dǎo)梁使用倒鏈或螺紋桿連接，減小后托梁變形。

3 掛籃有限元模型

3.1 掛籃構(gòu)造

考慮西郊大橋第2聯(lián)小半徑(R=800)和大橫坡(4%)的特點，在傳統(tǒng)菱形掛籃的基礎(chǔ)上，降低前吊點高度，采用變異菱形掛籃施工。該掛籃結(jié)合菱形掛籃和三角形掛籃優(yōu)點，加強受力穩(wěn)定和平衡的同時方便工人操作。掛籃主要構(gòu)件規(guī)格見表1。掛籃整體模型如圖5所示。

圖5 掛籃三維圖

表1 掛籃主要構(gòu)件規(guī)格

3.2 基本設(shè)計參數(shù)

掛籃主要構(gòu)件采用Q235和Q345鋼材，鋼材抗壓強度和抗剪強度見表2。計算時，混凝土容重取26 kN/m3，混凝土脹膜等超載系數(shù)取1.05；掛籃行走沖擊系數(shù)取1.3，掛籃抗傾覆系數(shù)取2。

表2 材料用表

3.3 荷載工況

分混凝土澆筑和掛籃行走2種對該掛籃進行分析。西郊大橋懸臂澆筑12個節(jié)段，其中1#塊混凝土體積116.2 m3，梁重為3 021.2 kN，為最重節(jié)段，因此選擇該節(jié)段為最不利澆筑工況?？紤]荷載：a為混凝土荷載；b為掛籃自重；c為模板荷載；d為人群及機具荷載；e為振搗和傾倒混凝土荷載;f為護欄荷載；g為掛籃沖擊荷載，0.3倍掛籃自重。2種工況下作用在掛籃上的荷載組合如表3所示。

表3 荷載組合

3.4 澆筑工況掛籃檢算

采用Midas/Civil建立掛籃有限元模型。模型采用梁單元進行模擬，掛籃主桁前支點約束所有自由度，后支點約束3個線自由度，中門架與主桁之間、底縱梁與前后托梁之間、行走導(dǎo)梁與前后托梁之間均采用剛性連接。計算時荷載以線荷載的形式施加在掛籃內(nèi)外導(dǎo)梁及底縱梁上。掛籃主桁架、前上橫梁及前后托梁為掛籃承重構(gòu)件，主要對其進行受力分析。

3.4.1 掛籃主桁檢算

掛籃主桁主要承受由前上橫梁傳遞的導(dǎo)梁及底籃荷載。掛籃主桁計算結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6可知，掛籃最大應(yīng)力值為158.2 MPa<215 MPa；由圖7可知，主桁架最大位移為11 mm，滿足文獻[10]規(guī)定的20 mm限值。

圖6 主構(gòu)架應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖7 主構(gòu)架位移云圖(單位：mm)

3.4.2 前上橫梁檢算

前上橫梁主要承受導(dǎo)梁及底籃前吊點傳遞的荷載。前上橫梁計算結(jié)果及軸力計算結(jié)果如圖8～圖10所示。由圖8可知，前上橫梁最大彎曲應(yīng)力91.8 MPa<215 MPa。由圖9可知，前上橫梁最大剪應(yīng)力46.8 MPa<125 MPa。由圖10可知，前上橫梁跨中最大變形值122.1 mm-110.2 mm=11.9 mm

圖8 前上橫梁應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖9 前上橫梁剪力云圖(單位：MPa)

圖10 前上橫梁位移云圖(單位：mm)

3.4.3 前后托梁檢算

前后托梁主要承受底縱梁前后支點傳遞的荷載。計算結(jié)果如圖11～圖13所示。由圖11可知，前上橫梁最大彎曲應(yīng)力67.5 MPa<215 MPa，由圖12可知，前上橫梁最大剪應(yīng)力24.1 MPa<125 MPa，由圖13可知，前上橫梁最大變形值為14.6-13.38=1.22 mm

圖11 前后托梁應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖12 前后托梁剪力云圖(單位：MPa)

圖13 前后托梁位移云圖(單位：mm)

3.5 行走工況掛籃檢算

掛籃行走時，后托梁錨固在梁底板的精軋螺紋鋼全部拆除。掛籃在澆筑工況受力均小于容許應(yīng)力，在行走工況下，掛籃受力更小，因此重點關(guān)注掛籃在此工況下的變形分析。行走工況下掛籃優(yōu)化前和優(yōu)化后變形如圖14和圖15所示。由圖14可知，優(yōu)化前掛籃最大變形值為56.3 mm；由圖15可知，優(yōu)化后掛籃變形值僅為1.9 mm?？梢姡瑑?yōu)化后掛籃可顯著減小掛籃變形。

圖14 優(yōu)化前位移云圖(單位：mm)

圖15 優(yōu)化后位移云圖(單位：mm)

3.6 千斤頂型號選定與連接節(jié)點檢算

澆筑1#塊工況下，掛籃主構(gòu)架下方支座反力最大，其值為Fz=2 034.1 kN，F(xiàn)x=1 301.3 kN，F(xiàn)y值為0，如圖16和圖17所示。為使自鎖式液壓千斤頂與現(xiàn)場匹配，未選用市場上已有的千斤頂型號，千斤頂為專業(yè)廠家訂做，推力設(shè)計為260 t，能夠承受豎向最大203.41 t的壓力，千斤頂本體高度設(shè)計為450 mm，滿足最小橫坡為2%時的調(diào)坡高度，千斤頂行程設(shè)計為400 mm，能夠滿足最大橫坡為4%時的調(diào)坡高度，外徑和桿徑分別為350 mm和160 mm。

圖16 豎直方向支座反力(單位：kN)

圖17 水平方向支座反力(單位：kN)

圖18 螺栓抗剪受力簡圖(單位：kN)

螺栓的承載力取決于螺栓桿受剪和孔壁承壓2種情況。

4 結(jié)論

(1)提出一種簡易的掛籃調(diào)坡裝置，該裝置采用自鎖式液壓千斤頂調(diào)節(jié)掛籃主桁高度，操作簡單，安全系數(shù)高，解決了橋面橫坡較大，調(diào)坡過程繁瑣的問題，可為類似工程提供參考。

(2)在掛籃后托梁底側(cè)增設(shè)2道雙拼[32#b槽鋼，同時將后托梁與導(dǎo)梁使用倒鏈或螺紋桿連接，使得掛籃在行走工況下后托梁變形由56.3 mm減小為1.9 mm，遠小于規(guī)范要求的20 mm，該方法易于實現(xiàn)且效果顯著，可在工程實際中推廣使用。

(3)基于Midas/Civil軟件對優(yōu)化后的掛籃進行有限元分析，結(jié)果表明，掛籃各主要受力桿件及可調(diào)高度菱形架結(jié)構(gòu)連接節(jié)點強度均小于材料容許應(yīng)力值且結(jié)構(gòu)變形較小，滿足西郊大橋懸臂澆筑施工要求。