現(xiàn)澆連續(xù)梁掛籃法施工結(jié)構(gòu)安全性研究

摘 要：為保障跨路連續(xù)梁掛籃施工安全并保證實(shí)體質(zhì)量，本文以某公路工程（40+72+40）m連續(xù)梁為案例，使用有限元軟件對(duì)連續(xù)梁進(jìn)行建模，計(jì)算了掛籃結(jié)構(gòu)在5種不同工況下的組合應(yīng)力分布、變形及抗傾覆性，分析了掛籃組合應(yīng)力集中部位和最不利位置。研究結(jié)果表明，當(dāng)掛籃固定時(shí)，掛籃菱形鋼結(jié)構(gòu)斜桿與豎桿、下部托架中部、上橫梁連接處等部位均容易出現(xiàn)較大的組合應(yīng)力值；底托會(huì)出現(xiàn)較大的變形。在掛籃行走過(guò)程中，中門(mén)架與豎桿連接處出現(xiàn)組合應(yīng)力最大值。本文結(jié)合實(shí)際工程提出了安全管控技術(shù)措施，為連續(xù)梁的安全施工提供了保障。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁；行走掛籃；數(shù)值模擬；安全施工

中圖分類(lèi)號(hào)：U 448" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

跨路連續(xù)梁采用行走掛籃裝置進(jìn)行施工是一種廣泛應(yīng)用的施工方法，掛籃法施工具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝靈活、不阻斷交通等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用。同時(shí)，掛籃法施工也存在一系列風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，掛籃傾覆是最主要的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；一旦傾覆，高空墜物會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。通過(guò)優(yōu)化掛籃結(jié)構(gòu)來(lái)提高掛籃抗傾覆作用是避免掛籃傾覆的有效方法[1]；使用有限元計(jì)算軟件對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)的三維受力分布進(jìn)行分析，可以確定掛籃結(jié)構(gòu)受力的最不利位置[2]；數(shù)字化高精度線形監(jiān)測(cè)控制有效保證了梁體的幾何形態(tài)[3-4]。同時(shí)，由于不同工程所處的外界環(huán)境有一定差異，因此針對(duì)具體的連續(xù)梁安全施工，需要具體分析其掛籃結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、梁體線形控制、外部風(fēng)險(xiǎn)等異常因素。本文依托山東省某上跨省道連續(xù)梁工程，根據(jù)實(shí)際工程，建立三維有限元模型，分析了結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，計(jì)算了掛籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及抗傾覆性，確定了掛籃結(jié)構(gòu)受力最不利位置，并提出了相應(yīng)的安全控制措施，保證了現(xiàn)場(chǎng)的安全施工和連續(xù)梁實(shí)體質(zhì)量。

1 工程概況

山東省某公路工程設(shè)計(jì)有一聯(lián)（40+72+40）m連續(xù)梁，主梁梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁，邊跨跨徑40.0m，中跨跨徑72m，在跨中處附近上跨既有運(yùn)營(yíng)省道，梁底距離省道最大高差47.5m，此處省道來(lái)往車(chē)輛密集，現(xiàn)場(chǎng)掛籃施工對(duì)過(guò)往車(chē)輛存在較大的安全隱患，對(duì)連續(xù)梁掛籃安全施工提出了較高的要求。

連續(xù)梁1#～10#節(jié)段塊采用掛籃懸臂澆筑施工，現(xiàn)場(chǎng)施工采用鋼結(jié)構(gòu)菱形掛籃施工，走行方式為無(wú)平衡重走行方式，掛籃工作系數(shù)小于0.45，單支掛籃按照自重70.34t、負(fù)荷150t控制設(shè)計(jì)，采用高強(qiáng)度型鋼作為主體結(jié)構(gòu)桁架；設(shè)計(jì)桁架走行時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)大于2.0，滿足規(guī)范要求。待0#段混凝土澆注完成、預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢后，在0#塊上拼組掛籃逐孔對(duì)稱(chēng)懸灌施工箱梁，預(yù)壓荷載為最大施工荷載的1.2倍。掛籃走行到指定位置后，先將掛籃后錨上好，然后從底板預(yù)留孔穿入后吊帶并將后吊帶錨固，再安裝側(cè)模走行梁后吊桿。在掛籃各節(jié)段懸灌施工及掛籃結(jié)構(gòu)行走過(guò)程中，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 掛籃結(jié)構(gòu)有限元建模

為全面了解掛籃結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)和在掛籃行走過(guò)程中的結(jié)構(gòu)受力的薄弱點(diǎn)，對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元建模分析，使用有限元軟件通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)受力的三維可視化再現(xiàn)[5]。

菱形掛籃結(jié)構(gòu)主要的荷載取值如下。1）橋體塊段鋼筋混凝土荷載。取各橋體節(jié)段塊中的最大值，選取1#塊，長(zhǎng)度為3200mm。2）橋體塊段鋼筋混凝土偏載。不平衡偏載最大值取10.5t。3）菱形掛籃結(jié)構(gòu)重力荷載。由三維模型尺寸及物理參數(shù)共同確定。4）外側(cè)鋼模板重力荷載，1.3kN/m2。5）上部施工作業(yè)人員及設(shè)備，2.6kN/m2。

6）加工混凝土產(chǎn)生的動(dòng)力荷載，4.8kN/m2。7）掛籃結(jié)構(gòu)行走產(chǎn)生的沖擊作用，0.35倍掛籃結(jié)構(gòu)重力荷載。8）環(huán)境風(fēng)力作用，3kN/m2。9）防墜落護(hù)欄自重荷載，按1.2kN/m計(jì)算。

在菱形掛籃結(jié)構(gòu)有限元建模計(jì)算過(guò)程中，主要分析菱形掛籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及抗傾覆性能。各類(lèi)工況下的荷載分配組合情況如下。

組合工況1：F1=a·（①+③+④）+b·（⑤+⑥）+⑨。

組合工況2：F2=a·（②+③+④）+b·（⑤+⑥）+⑨。

組合工況3：F3=a·（①+③+④）+⑧+⑨。

組合工況4：F4=①+③+④+⑤+⑨。

組合工況5：F5=a·（③+④）+⑧+⑨。

其中，F(xiàn)為荷載組合值，a為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.2；b為可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.4。

組合工況1、2、3用于掛籃主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與強(qiáng)度驗(yàn)算；組合工況4用于結(jié)果抗傾覆驗(yàn)算；組合工況5用于結(jié)構(gòu)的剛度驗(yàn)算。

3 掛籃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)算

在組合工況1條件下，主要基于澆筑結(jié)束前的最不利工況對(duì)菱形鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。此時(shí)設(shè)計(jì)混凝土方量已經(jīng)全部澆筑完成，施工作業(yè)人員仍在進(jìn)行振搗（增加振搗作用對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載作用），上部施工機(jī)械設(shè)備仍在掛籃結(jié)構(gòu)承重計(jì)算范圍。同時(shí)，應(yīng)添加混凝土自身膨脹的作用效果。組合工況1條件下軟件計(jì)算結(jié)果云圖如圖1所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論，底托系統(tǒng)最大應(yīng)力為121.8MPa，位于腹板下縱梁位置，基本呈對(duì)稱(chēng)分布的特點(diǎn)。導(dǎo)梁系統(tǒng)最大應(yīng)力為166.2MPa，前橫梁最大應(yīng)力為67.6MPa，菱形鋼結(jié)構(gòu)架體最大應(yīng)力為143.9MPa，與上橫梁接觸的斜桿所受組合應(yīng)力最大。

在組合工況2條件下，主要考慮施工時(shí)懸灌量一側(cè)完成、另一側(cè)未完成，兩邊混凝土自重荷載不一致的情況，此時(shí)兩側(cè)相差混凝土自重荷載為12t。組合工況2條件下計(jì)算結(jié)果云圖如圖2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論，澆筑完成的一側(cè)應(yīng)力明顯大于另一側(cè)，兩側(cè)最大應(yīng)力差值為31MPa，前橫梁最大應(yīng)力為65.5MPa。菱形鋼結(jié)構(gòu)架體處出現(xiàn)最大應(yīng)力值，最大應(yīng)力為135.7MPa，底托系統(tǒng)最大應(yīng)力為110.4MPa，位于已澆筑混凝土完成側(cè)腹板下的縱梁位置。

組合工況3的實(shí)際工況為菱形掛籃結(jié)構(gòu)行走過(guò)程中，考慮風(fēng)荷載的作用，下部的底托結(jié)構(gòu)全部由吊桿懸吊；外導(dǎo)梁依舊存在模板荷載作用。

根據(jù)組合工況3條件下菱形掛籃結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論，在菱形掛籃結(jié)構(gòu)行走過(guò)程中，由于沒(méi)有橋體節(jié)段塊的重力作用，底部托架、導(dǎo)梁、上橫梁的組合最大應(yīng)力值要明顯小于組合工況1、2，結(jié)構(gòu)內(nèi)各點(diǎn)的最大組合應(yīng)力均在10MPa以?xún)?nèi)，中門(mén)架與豎桿連接處出現(xiàn)組合應(yīng)力的最大值，為105.4MPa。

由工況組合1～3可知，3種工況下均能滿足掛籃設(shè)計(jì)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。菱形鋼結(jié)構(gòu)斜桿與豎桿、下部托架中部、上橫梁連接處等部位均容易出現(xiàn)較大的組合應(yīng)力值，上述部位一旦發(fā)生斷裂等破壞極易導(dǎo)致掛籃傾覆，造成嚴(yán)重的安全事故。對(duì)此，須采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施，具體包括對(duì)上述部位的螺栓安裝報(bào)警裝置，并每日檢查鋼結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)裂隙等損傷現(xiàn)象，保證兩側(cè)對(duì)稱(chēng)施工。同時(shí)加強(qiáng)連續(xù)梁掛籃行走施工的線形控制，確保澆筑節(jié)段的實(shí)體質(zhì)量和線形外觀質(zhì)量。

4 掛籃結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算

組合工況4是基于澆筑結(jié)束前的最不利工況對(duì)菱形鋼結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行驗(yàn)算。由于結(jié)構(gòu)主要為豎向受力，本節(jié)僅考慮豎向（計(jì)算模型Z軸方向）的變形值。根據(jù)組合工況4條件下計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論，掛籃結(jié)構(gòu)下部托架變形明顯要大于上部結(jié)構(gòu)的變形。主構(gòu)架部分最大變形位于前橫梁支點(diǎn)處，最大豎向變形量為9.7mm。前橫梁部分中部區(qū)域出現(xiàn)最大值，最大位移為11.19mm，相對(duì)變形值為1.9mm。導(dǎo)梁及吊桿彈性變形最大位移值為15.5mm，底托系統(tǒng)最大位移值為19.5mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范及使用要求。對(duì)出現(xiàn)較大變形的部位增設(shè)應(yīng)變片進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，定期檢查外模板變形情況，避免因模板變形影響施工節(jié)段的外觀質(zhì)量和實(shí)體質(zhì)量。

5 掛籃抗傾覆驗(yàn)算

混凝土澆筑時(shí)的抗傾覆計(jì)算組合工況5為掛籃施工過(guò)程中已錨固完成的掛籃結(jié)構(gòu)承受最大的正常人員設(shè)備荷載。為保障施工安全，需要驗(yàn)算此種載荷組合下的掛籃后錨點(diǎn)的安全性。

由計(jì)算結(jié)果可知，荷載組合1時(shí)后錨點(diǎn)拉力最大值為818.1kN。每邊錨固鋼筋為6×?32mm的精軋螺紋鋼，錨固力為4003kN，安全系數(shù)為4.9，以上計(jì)算結(jié)果能夠滿足抗傾覆要求。掛籃傾覆會(huì)造成較嚴(yán)重的工程事故，掛籃結(jié)構(gòu)錨固配件和設(shè)備必須符合國(guó)家質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及受力要求，并定期檢查使用情況；避免因銹蝕導(dǎo)致精軋螺紋鋼及錨固配件的破損，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，就及時(shí)排除更換配件，消除安全風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)掛籃固定時(shí)，掛籃菱形鋼結(jié)構(gòu)斜桿與豎桿、下部托架中部、上橫梁連接處等部位均容易出現(xiàn)較大的組合應(yīng)力值，非對(duì)稱(chēng)澆筑過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)單側(cè)應(yīng)力集中。在掛籃行走過(guò)程中，中門(mén)架與豎桿連接處出現(xiàn)組合應(yīng)力最大值。掛籃結(jié)構(gòu)下部托架變形明顯要大于上部結(jié)構(gòu)的變形，最大豎向變形出現(xiàn)在底托，為19.5mm，主構(gòu)架部分最大變形位于前橫梁支點(diǎn)處，錨點(diǎn)拉力最大值為818.1kN，安全系數(shù)為4.89，結(jié)構(gòu)剛度及抗傾覆性滿足規(guī)范及使用要求。

根據(jù)掛籃受力、變形特點(diǎn)，本文提出了在重點(diǎn)部位的螺栓安裝報(bào)警裝置，并每日檢查鋼結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)裂隙等損傷現(xiàn)象，保證兩側(cè)對(duì)稱(chēng)施工；同時(shí)，加強(qiáng)連續(xù)梁掛籃施工的線形控制，保證澆筑節(jié)段的安全施工與實(shí)體質(zhì)量。

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