菱形掛籃反力架預(yù)壓試驗(yàn)及抗傾覆分析

黨 濤 沈藝寧 張智舉

1. 陜西華山路橋集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710016；2. 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院 陜西 西安 710064

掛籃懸臂澆筑施工法是大跨徑橋梁施工的一種重要手段，已被廣泛地應(yīng)用于公路橋梁的建設(shè)中[1]。為了保證掛籃施工的絕對(duì)安全，掛籃在使用前應(yīng)進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，以驗(yàn)證其剛度和強(qiáng)度是否滿足施工要求。通過試驗(yàn)，可消除掛籃的非彈性變形，確定掛籃在混凝土濕重作用下的變形，為確定立模標(biāo)高提供依據(jù)[2]。此外，掛籃在施工過程中傾覆倒塌的隱患很大，因此有必要對(duì)掛籃施工中復(fù)雜狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。不少專家學(xué)者針對(duì)掛籃施工安全問題展開研究，孫術(shù)學(xué)[3]依托西山溝大橋，對(duì)各種掛籃形式進(jìn)行了比較和分析，選擇菱形掛籃作為工程施工的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；周向陽(yáng)等[4]結(jié)合某大橋，通過混凝土塊加載試驗(yàn)，得到了壓重與掛籃的變形關(guān)系；丁延書等[5]以溫州甌江大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^有限元計(jì)算表明在前上橫梁下加設(shè)輔助桁架，能增強(qiáng)掛籃的剛度和強(qiáng)度。

1 工程概況

石川河特大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土高墩連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為68 m＋120 m＋68 m，采用掛籃懸臂施工，最高墩高為77 m。因其具有墩高、跨鐵路的特點(diǎn)，故節(jié)段施工中掛籃的穩(wěn)定性、抗風(fēng)能力至關(guān)重要。石川河特大橋所用掛籃為菱形掛籃（圖1），具有結(jié)構(gòu)輕巧、受力明確和移動(dòng)便利等特點(diǎn)。主要由以下3個(gè)系統(tǒng)組成：

圖1 菱形掛籃立面示意

1）承重系統(tǒng)：主桁架、前后橫梁、錨固裝置等。

2）底籃和模板系統(tǒng)：底籃、模板和工作平臺(tái)等。

3）走行系統(tǒng)：行走滑軌、自錨車輪組、前支座等。

2 現(xiàn)場(chǎng)掛籃預(yù)壓試驗(yàn)

為有效消除掛籃非彈性變形，準(zhǔn)確確定立模標(biāo)高，保證結(jié)構(gòu)線形滿足施工控制預(yù)期要求，在懸臂澆筑施工開始前應(yīng)通過掛籃預(yù)壓試驗(yàn)檢驗(yàn)其承載力和變形情況。本文對(duì)石川河特大橋菱形掛籃預(yù)壓過程的變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到掛籃在不同荷載作用下的變形曲線。

2.1 變形測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)15#墩左幅掛籃布置變形測(cè)點(diǎn)，每側(cè)掛籃設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，總計(jì)12個(gè)測(cè)點(diǎn)。分別為距1#塊外0.5 m底板上左中右布置3個(gè)點(diǎn)，距1#塊外2.5 m底板上左中右布置3個(gè)點(diǎn)，并用油漆在測(cè)點(diǎn)做好標(biāo)記。觀測(cè)點(diǎn)平面布設(shè)示意如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)平面布設(shè)示意

2.2 加載方案

考慮到墩柱較高，不便采用砂袋法或其他配重塊預(yù)壓，因此在石川河特大橋1#塊段兩側(cè)腹板上安裝工字鋼反力架和液壓千斤頂進(jìn)行預(yù)壓。掛籃現(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓如圖3所示。

圖3 掛籃現(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓

根據(jù)計(jì)算荷載，利用單側(cè)2臺(tái)液壓千斤頂同步緩慢對(duì)稱加載，所加荷載通過千斤頂下的分配梁均勻傳遞到掛籃底籃縱梁上，單側(cè)掛籃單個(gè)點(diǎn)位分級(jí)加載值如表1所示。

表1 掛籃分級(jí)加載

2.3 變形監(jiān)測(cè)

根據(jù)掛籃預(yù)壓試驗(yàn)加載方案，對(duì)擬采用的掛籃進(jìn)行對(duì)稱逐級(jí)加載，每一級(jí)加載后記錄各測(cè)點(diǎn)標(biāo)高。分別取小里程、大里程掛籃下橫梁各級(jí)荷載左右兩處測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到菱形掛籃總變形-荷載曲線（圖4、圖5）。

圖4 小里程掛籃下橫梁變形曲線

圖5 大里程掛籃下橫梁變形曲線

由圖4可知，小里程側(cè)掛籃下橫梁豎向總變形與加載量基本上成線性比例。掛籃單側(cè)點(diǎn)位加載至985 kN時(shí)，下橫梁左側(cè)A1測(cè)點(diǎn)豎向變形達(dá)到－29 mm，同步卸載后，掛籃變形回彈28 mm，殘余變形為－1 mm。右側(cè)E1測(cè)點(diǎn)豎向變形達(dá)到－28 mm，同步卸載后，總變形恢復(fù)到0，掛籃變形全為彈性變形。由圖5可知，大里程側(cè)掛籃下橫梁豎向總變形隨加載量的變化規(guī)律基本與小里程側(cè)掛籃一致。當(dāng)單側(cè)點(diǎn)位加載至985 kN時(shí)，下橫梁左側(cè)A2測(cè)點(diǎn)豎向變形達(dá)到－40 mm，同步卸載后，掛籃變形回彈39 mm，殘余變形為－1 mm。右側(cè)E2測(cè)點(diǎn)豎向變形達(dá)到－42 mm，其中彈性變形為－40 mm，殘余變形為－2 mm。

由掛籃預(yù)壓試驗(yàn)結(jié)果可知，石川河特大橋所用掛籃在預(yù)壓過程中的變形基本都是彈性變形，大里程側(cè)掛籃變形要稍大于小里程側(cè)的掛籃變形。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)分析，這可能是由于大里程側(cè)反力架的松動(dòng)所導(dǎo)致的。

3 荷載及組合

強(qiáng)度計(jì)算：1.2×（混凝土荷載＋掛籃自重＋模板自重）＋1.4×（施工堆載及人群荷載＋混凝土傾倒和振搗荷載）。行走穩(wěn)定性計(jì)算：行走沖擊系數(shù)1.3×（掛籃自重＋模板自重）＋風(fēng)荷載。其中，掛籃自重由軟件根據(jù)定義截面自動(dòng)計(jì)算，施工堆載及人群荷載取2.0 kPa，模板質(zhì)量取1 100 N/m2，混凝土傾倒和振搗荷載取4.0 kPa，風(fēng)荷載保守計(jì)算取2.0 kPa，作用于主桁架一側(cè)。

根據(jù)石川河特大橋設(shè)計(jì)圖紙文件可得，連續(xù)剛構(gòu)塊段混凝土最大方量為2#塊段，其混凝土量為56.61 m3。

4 抗傾覆分析

4.1 建立有限元模型

菱形掛籃結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算模型如圖6所示，包括主桁架、橫向連接系、上橫梁、吊桿、底籃平臺(tái)、滑梁、下橫梁等。吊桿采用桁架單元模擬，主桁結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，釋放主桁架各連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以模擬銷軸?；炷翝裰嘏c模板自重通過劃分塊的方式，由模板各位置的縱梁及內(nèi)?；撼惺?。

圖6 菱形掛籃結(jié)構(gòu)空間有限元模型

4.2 抗傾覆分析

4.2.1 施工狀態(tài)抗傾覆分析

荷載組合1情況下，掛籃主桁架后端錨固在已澆筑好的混凝土梁段上，而錨固系統(tǒng)是掛籃平衡穩(wěn)定的關(guān)鍵一環(huán)，為確保施工狀態(tài)的穩(wěn)定性，需要對(duì)掛籃后錨點(diǎn)的安全進(jìn)行分析。經(jīng)分析可知，荷載組合1作用下的單片主桁后錨點(diǎn)最大拉力為448.1 kN。

1）后錨精軋螺紋鋼計(jì)算。單側(cè)后錨點(diǎn)通過4根φ32 mm的精軋螺紋鋼錨固，可提供的錨固力為：N提供=4A[σ螺紋鋼]=4×3.14×322×930/4=2 990.3 kN，其安全儲(chǔ)備為K=2 990.3/448.1=6.67。

2）后錨梁及主桁銷軸計(jì)算。單片主桁架后錨點(diǎn)采用2排雙拼25#工字鋼后錨梁，單根所受反力為224.05 kN。采用有限元單獨(dú)建模分析可知：在荷載組合1下，后錨梁最大應(yīng)力為120 MPa，主桁架桿件間內(nèi)力最大值為791.9 kN，使用材質(zhì)為40Cr鋼，φ80 mm的銷軸，則銷軸可承受的最大剪力為N=σ·A=570×3.14×802/4=2 863.7 kN，安全儲(chǔ)備為K=2 863.7/791.9=3.62，施工狀態(tài)掛籃穩(wěn)定性滿足要求。

4.2.2 行走狀態(tài)傾覆穩(wěn)定性分析

多數(shù)掛籃施工事故發(fā)生在掛籃行走狀態(tài)，可見這是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。在此過程中，掛籃行走系統(tǒng)中的自錨車輪組起著至關(guān)重要的作用，車輪在軌道上可自由滾動(dòng)，而軌道與前支座間的聚四氟乙烯板摩擦因數(shù)又極小，因此可通過滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)掛籃的前移。為保證掛籃前移的穩(wěn)定和順利就位，需要研究掛籃行走狀態(tài)下的穩(wěn)定性。在荷載組合2的情況下，對(duì)主桁架反力進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果顯示，在荷載組合2的走行狀態(tài)下，單支點(diǎn)后錨固力最大為78.5 kN。

1）掛籃行走計(jì)算。掛籃行走時(shí)，前吊桿、鋼吊帶把底籃和模板吊在前上橫梁上，后端下橫梁則吊在后上橫梁上，此時(shí)后下橫梁、內(nèi)外滑梁的受力類似簡(jiǎn)支梁，并且跨徑隨著掛籃的行走不斷地發(fā)生變化。行走經(jīng)有限元分析，吊桿最大拉力為88 kN，處于設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，其余吊桿最大拉力60 kN，滿足安全要求。

2）反扣輪裝置強(qiáng)度計(jì)算。自錨車輪組為反扣輪，掛籃前移時(shí)反鉤在軌道上從而起到抗傾覆的作用。由計(jì)算可知，在荷載工況2下，反扣輪需提供78.5 kN的反力合力。而反扣輪與主桁架的連接則是通過φ50 mm的銷軸來(lái)傳力，因此單片主桁架的反力按φ50 mm的銷軸單面受剪計(jì)算，材質(zhì)為40Cr鋼，銷軸能夠承受的最大剪力為N=σ·A=570×3.14×502/4=1 118.6 kN，其安全儲(chǔ)備為K=1 118.6/78.5=14.25，滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1）石川河特大橋掛籃預(yù)壓試驗(yàn)結(jié)果表明，施工所用掛籃在預(yù)壓過程中的變形基本都是彈性變形，大里程側(cè)的掛籃變形要稍大于小里程側(cè)的掛籃變形，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)推斷可能是由于大里程側(cè)反力架的松動(dòng)所導(dǎo)致的。建議后續(xù)采用反力架預(yù)壓的工程要著重關(guān)注反力架處的錨固問題。

2）通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，得出掛籃變形與荷載基本呈線性關(guān)系。根據(jù)小里程側(cè)變形曲線圖得到掛籃彈性變形規(guī)律大致為y=－0.03F（F為單側(cè)點(diǎn)位荷載值），為后續(xù)節(jié)段的施工提供了重要參考依據(jù)。

3）通過對(duì)菱形掛籃在施工狀態(tài)和行走狀態(tài)下的抗傾覆穩(wěn)定性分析可知，石川河特大橋所用掛籃在2種狀態(tài)下的應(yīng)力均符合規(guī)范要求，并具有良好的抗傾覆安全儲(chǔ)備。