橋梁工程建設(shè)中的掛籃整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

王遠(yuǎn)策

（中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

掛籃施工是大橋施工中重要的組成部分,目的是保證大橋整體施工過(guò)程中混凝土的澆筑施工質(zhì)量。橋梁工程整體結(jié)構(gòu)施工之前,必須設(shè)計(jì)并制定掛籃施工細(xì)則,對(duì)其穩(wěn)定度及相關(guān)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算檢驗(yàn)。

1 橋梁掛籃設(shè)計(jì)原則

若要研究懸臂澆筑法，就會(huì)涉及到掛籃施工。掛籃施工的優(yōu)點(diǎn)是不僅不用大型吊機(jī)等設(shè)備參與，還不用搭設(shè)支架。比較其他的施工辦法，其具有結(jié)構(gòu)輕、零壓重和拼接制作方便等優(yōu)點(diǎn)。在橋梁掛籃實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持如下基本原則。

1.1 最大限度地減輕掛籃自重

掛籃自重是在設(shè)計(jì)中始終需要注意的事項(xiàng)，因其不僅需要滿足自重需求，還要減輕自重。應(yīng)用新型自錨平衡式掛籃以保證平衡傾覆力矩。可采用各梁端全斷面一次性澆筑施工模式，從而最大程度地縮減工期。

1.2 確保施工的質(zhì)量及安全

掛籃施工過(guò)程中，多為高空超重施工作業(yè)，施工安全問(wèn)題通常是在所難免的?；诖?，施工方必須對(duì)施工安全做到百密而無(wú)一疏，確保施工人員的生命安全和施工建材的完整。模板設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)確保混凝土施工質(zhì)量及其外觀美觀性，嚴(yán)格按照剛度要求設(shè)計(jì)模板。

1.3 有效改善施工作業(yè)環(huán)境條件

在橋梁工程掛籃施工過(guò)程中，尤其是頂面施工作業(yè)時(shí)，一定要最大限度地保證作業(yè)空間的寬敞度，以確保施工人員的施工安全性和方便性。同時(shí)，還要有效改善施工作業(yè)條件，以便妥善放置張拉施工工具。

1.4 設(shè)計(jì)過(guò)程中堅(jiān)持實(shí)事求是的原則

橋梁掛籃設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)立足實(shí)際，堅(jiān)持實(shí)事求是的原則。在實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不同橋梁掛籃設(shè)計(jì)要求存在較大的差異。在設(shè)計(jì)橋梁掛籃時(shí)，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)掛籃進(jìn)行因地制宜的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照掛籃質(zhì)量、施工過(guò)程、承受荷載等條件進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。除應(yīng)當(dāng)滿足掛籃剛度、強(qiáng)度要求和穩(wěn)定性外，還應(yīng)當(dāng)注意錨固、行走便捷性、接縫平整等，確保其重量小于設(shè)計(jì)允許的極限要求。

2 工程概況

某橋梁工程，主橋采用連續(xù)箱梁，頂寬13 m，跨中、支點(diǎn)兩處梁高分別為2.2 m和4.2 m，翼緣板長(zhǎng)3.45 m，梁高及底板厚度均呈二次拋物線變化形式。箱梁由8個(gè)節(jié)段共同組成，其中0號(hào)塊箱梁長(zhǎng)10 m，1號(hào)～5號(hào)梁段、6號(hào)～7號(hào)梁段的懸澆長(zhǎng)度分別為4.0 m，4.5 m。箱梁施工材料選用的是C35混凝土，按配合比要求拌制，澆筑成型。箱梁各節(jié)段重量不一，1號(hào)塊最重，達(dá)132.0 t。

3 掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掛籃的質(zhì)量將直接影響懸臂施工效果，需具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、受力條件良好、裝拆便捷等多重特點(diǎn)。因此，必須在正式施工前做好設(shè)計(jì)工作，確定掛籃各部分的具體結(jié)構(gòu)。在本橋梁工程中，采用的是菱形掛籃，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

3.1 主桁架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)以2片菱形的桁片為基礎(chǔ)單元（見(jiàn)圖1），共同組成空間桁架結(jié)構(gòu)；在豎弦桿中間部位安裝桁架，增設(shè)此類構(gòu)件的目的在于改善主桁架的使用狀態(tài)，保證其有足夠的剛度及穩(wěn)定性。主桁桿件材料為雙槽鋼[32b兩側(cè)焊鋼板，連接選擇的是40Cr鋼銷軸，使相鄰桿件穩(wěn)定結(jié)合。

圖1 菱形掛籃施工

3.2 承載平臺(tái)的設(shè)計(jì)

承載平臺(tái)的關(guān)鍵作用在于承受懸澆施工荷載。在橫橋向與邊主梁對(duì)應(yīng)部位設(shè)主縱梁，前端設(shè)分配梁，后端與已澆混凝土錨固，構(gòu)成穩(wěn)定的整體。沿主縱梁長(zhǎng)度方向有序布設(shè)橫梁，共3組，彼此間設(shè)剪刀撐，以提高平臺(tái)的抗扭剛度。承載平臺(tái)的主體框架需具有穩(wěn)定性，考慮到此要求，采用的是型鋼組焊成型的設(shè)置方法。主縱梁由雙拼H588 mm×300 mm組合而成，在中間靠后的部位設(shè)型鋼焊接桁架結(jié)構(gòu)掛腿，增設(shè)此部分結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用在于有效承受掛籃行走時(shí)的自重作用，以免發(fā)生掛籃失穩(wěn)或其它異常狀況。

3.3 行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單個(gè)節(jié)段箱梁的混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度達(dá)50 MPa時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求張拉預(yù)應(yīng)力筋，在確認(rèn)無(wú)張拉問(wèn)題后，聯(lián)合應(yīng)用4套10 t倒鏈滑車，以勻速、緩慢的狀態(tài)牽引兩片主桁架，使兩者同步向前移動(dòng)至指定位置；在此期間，底平臺(tái)、內(nèi)外模沿滑梁前移。各裝置移動(dòng)需具有順暢性，但摩阻力過(guò)大時(shí)將出現(xiàn)前移受阻的情況，因此在滑移支座與軌道間增設(shè)不銹鋼板，削減摩阻力。橋梁走向處于曲線上，根據(jù)此結(jié)構(gòu)形態(tài)特點(diǎn)，走向軌道表面蓋板的施工采用間隔焊接的方法，除此之外，兩塊蓋板間的豎向預(yù)應(yīng)力筋側(cè)留有空隙，由此增強(qiáng)施工的靈活性，以便精細(xì)化調(diào)節(jié)掛籃的行走軌跡。

3.4 錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主縱梁的前、后錨桿組是錨固系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

1）前錨桿組：原材料為PSB830Φ32 mm精軋螺紋鋼筋，每組4根，共2組，布設(shè)位置選擇在主縱梁中部。前錨桿組具有承受荷載的作用，將施工荷載傳遞至已澆筑成型的梁段上。

2）后錨桿組：原材料為PSB830Φ32 mm精軋螺紋鋼筋，每組2根，共2組。通過(guò)后錨桿組的應(yīng)用，平衡掛籃吊桿初張拉期間的傾覆力，減小力的不良作用；此外，錨桿組還可作為抗風(fēng)安全錨固點(diǎn)，有利于提升施工的安全性[1]。

3.5 吊掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吊桿材料為Φ32 mm精軋螺紋鋼筋，吊帶材料為25 mm×150 mm的Q345B鋼板，兩者共同組成吊掛系統(tǒng)，用于連接掛籃主桁架和底模平臺(tái)。

3.6 底托系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以托梁、縱梁、護(hù)欄、作業(yè)平臺(tái)等為核心，共同組成完整的底托系統(tǒng)。在配套螺栓后，穩(wěn)定連接底縱梁與底模模板的橫肋；借助吊桿，將后托梁錨固在梁體處；借助吊帶，實(shí)現(xiàn)前托梁與前橫梁的穩(wěn)定連接；此外，后托梁錨固在前段箱梁底板處。

3.7 模板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

模板的組成為：內(nèi)模，材料為18 mm厚的竹膠板；外模，材料為6 mm厚的鋼板，并配套型鋼帶、側(cè)模桁架鋼，用于保證外側(cè)模的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)拉螺栓的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)外側(cè)模與內(nèi)模的穩(wěn)定連接；背楞采用100 mm×100 mm方木。遇底板齒板時(shí)，將設(shè)置在該區(qū)域的內(nèi)模下角鋼帶拆除，輔助應(yīng)用搭設(shè)成型的腳手架，在安全的前提下將混凝土澆筑作業(yè)落實(shí)到位。外側(cè)模提吊梁及內(nèi)滑梁的前端需具有穩(wěn)定性，采取的是錨固在前橫梁處的方法，而梁的后端則懸吊在箱梁表面[2]。

4 有限元建模分析

4.1 工況的選擇

綜合考慮節(jié)段自重、長(zhǎng)度、施工狀態(tài)等條件，確定如下2種工況，分別展開(kāi)分析。

1）工況1：1號(hào)梁段灌注狀態(tài)，此時(shí)的基本特點(diǎn)在于梁段的自重及高度均達(dá)到最大。

2）工況2：6號(hào)梁段掛籃行走狀態(tài)，此時(shí)的基本特點(diǎn)在于梁段的行走距離及自身長(zhǎng)度均達(dá)到最大。

4.2 荷載值及相關(guān)系數(shù)的選取

主要考慮如下幾點(diǎn)：鋼筋混凝土容重26 kN/m3；振搗荷載4.0 kN/m2；施工設(shè)備及作業(yè)人員產(chǎn)生的總荷載2.5 kN/m2。此外，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)2.0；新澆混凝土動(dòng)力系數(shù)1.2；掛籃行走的沖擊系數(shù)1.3，超載系數(shù)1.05。

4.3 計(jì)算模型及結(jié)果分析

4.3.1 工況1

1）建模工具采用MIDAS2010有限元軟件，根據(jù)已經(jīng)掌握的信息及設(shè)計(jì)圖紙，建立掛籃受力構(gòu)件的模型，具體如圖2所示。掛籃時(shí)，存在特定的傳力路徑，即：翼緣板混凝土及側(cè)板重量，此部分的傳力載體為外滑梁，經(jīng)過(guò)力的傳遞后，由箱梁翼板（指的是前一階段已經(jīng)施工成型的部分）和前上橫梁共同承受；箱梁底板、腹板混凝土及底籃平臺(tái)重量，其主要的承受體為成型箱梁和前上橫梁；箱梁頂板混凝土、內(nèi)模及配套支架的重量，其主要的承受主體為成型的箱梁頂板和前上橫梁。

圖2 工況1計(jì)算模型示意圖

2）從應(yīng)力、變形2個(gè)角度切入，分析整體結(jié)構(gòu)及細(xì)分的各類桿件的實(shí)際情況，建模結(jié)果如圖3～圖4所示。

圖3 梁?jiǎn)卧龖?yīng)力示意圖

圖4 豎向位移示意圖

混凝土澆筑施工中，梁?jiǎn)卧魈幍恼龖?yīng)力不盡相同，其中以底籃縱梁跨中部位最大，達(dá)到168.8 MPa；最大剪應(yīng)力分布在主桁與前橫梁的連接處，達(dá)到43.6 MPa；主桁架上弦桿和后斜桿兩部分均保持受拉的狀態(tài)[3]，除此之外的其它各類桿件均受壓，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力的最大值分別為188.8 MPa，170.6 MPa；吊桿、吊帶所受應(yīng)力的最大值分別為247.6 MPa，53.1 MPa。將前述的應(yīng)力數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)要求做對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)均無(wú)異常，滿足設(shè)計(jì)要求。受荷載作用，部分結(jié)構(gòu)有一定程度的變化，例如主桁架前端位移量為20 mm，結(jié)構(gòu)最大位移44.2 mm。

4.3.2 工況2

在掛籃行走過(guò)程中，內(nèi)滑梁的跨徑發(fā)生變化，不同部位的跨徑有所差異，最大處達(dá)到9.9 m。建模分析發(fā)現(xiàn)，在行走狀態(tài)下，相比于混凝土澆筑的應(yīng)力，無(wú)論是主桁架、吊桿還是吊帶，各自產(chǎn)生的應(yīng)力均更小，根據(jù)此關(guān)系可知，無(wú)需重復(fù)驗(yàn)算。但需著重考慮的是滑梁及后托梁計(jì)算跨度，相比于澆筑時(shí)的跨度而言兩者均更大，應(yīng)力、豎向位移情況，如圖5～圖6所示。

圖5 梁?jiǎn)卧獞?yīng)力示意圖

圖6 豎向位移示意圖

掛籃行走時(shí)，隨著該項(xiàng)動(dòng)作的持續(xù)發(fā)生，滑梁、地托梁及后上橫梁的狀態(tài)均有所變化，具體體現(xiàn)在應(yīng)力和變形2個(gè)方面。后上桁部位有最大正應(yīng)力；通過(guò)與澆筑狀態(tài)下剪應(yīng)力的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的最大剪應(yīng)力明顯更小。后托梁中部的豎向位移達(dá)到最大值，即51.4 mm，滿足設(shè)計(jì)需求，相比于澆筑時(shí)的該值而言更大[4]。

4.3.3 抗傾覆驗(yàn)算

除應(yīng)力、應(yīng)變分析外，抗傾覆驗(yàn)算也是掛籃計(jì)算分析中的重點(diǎn)內(nèi)容，具體如下。

1）工況1，后支點(diǎn)反力為687.6 kN，在所設(shè)置的9根精軋螺紋鋼中，共分為2大類，即腹板豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋和預(yù)埋鋼筋，數(shù)量分別為3根、6根，拉應(yīng)力155.7 MPa，試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度406 kN，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示其達(dá)到2倍的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，因此滿足要求。

2）工況2，后支點(diǎn)反力為178.1 kN，配套適量的反扣輪，各自的極限承載力均為90.8 kN；數(shù)量方面，按照每片桁架均2對(duì)的方式予以設(shè)置，各輪所能夠承受的壓力為44.5 kN，達(dá)到要求。

基于上述的多角度分析，總結(jié)如下。

1）2種工況的結(jié)構(gòu)形式存在差異，從荷載的角度來(lái)看，具有工況2荷載遠(yuǎn)小于工況1荷載的特點(diǎn)；但隨著后托梁、縱梁兩部分結(jié)構(gòu)計(jì)算跨度的增加，帶來(lái)的結(jié)果是應(yīng)力的急劇提升。但是，就總體的荷載而言，工況2仍更小[5]。

2）從最大豎向位移的分布情況來(lái)看，工況1集中在前上橫梁最外側(cè)吊桿下端處，工況2集中在后托梁中部；對(duì)比分析豎向位移量，工況2＞工況1，究其原因，與后托梁計(jì)算跨度增加有關(guān)，此時(shí)產(chǎn)生的豎向位移有增加的變化。

3）在混凝土澆筑施工環(huán)境中，桁架前端、底籃前端等多處均容易發(fā)生大幅度變形的現(xiàn)象，為全面保證施工安全和施工質(zhì)量，需要加強(qiáng)監(jiān)控，視實(shí)際情況采取針對(duì)性的控制措施；此外，有必要安排預(yù)壓，明確具體的立模標(biāo)高，以便高效施工。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，掛籃的合理設(shè)計(jì)與建設(shè)能夠給懸臂施工提供可靠的依托，基于此，掛籃的質(zhì)量將直接給懸臂施工效果帶來(lái)影響，因此需有效設(shè)計(jì)掛籃。在設(shè)計(jì)中，除了確保掛籃的承受性能外，還需兼顧自重輕、裝拆便捷等多個(gè)層面的要求。設(shè)計(jì)中，諸如主桁架、承載平臺(tái)、行走系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、吊掛系統(tǒng)、底托系統(tǒng)、模板系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)均要具有合理性，此外還需從受力、變形等角度出發(fā)，進(jìn)行建模、計(jì)算、分析，切實(shí)保證掛籃設(shè)計(jì)方案的可行性。