三角掛籃模擬堆載預(yù)壓實(shí)驗(yàn)研究

李正權(quán) ，陳建超 ，朱洪濤

（1.徐州公路工程總公司，江蘇徐州 221001；2.龍口市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，山東龍口 265701）

0 引言

掛籃，作為預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂澆筑施工過程中采用的主要施工設(shè)備，有平行桁架式、三角、弓形、菱形等多種形式[1-2]。其中，三角掛籃以其受力明確、構(gòu)造簡(jiǎn)單、輕便等特點(diǎn)成為一種目前較為常用的掛籃形式。另一方面，掛籃在正式用于工程施工時(shí)，需先開展預(yù)壓實(shí)驗(yàn)[3～6]。預(yù)壓實(shí)驗(yàn)的主要作用包括三個(gè)方面：（1）驗(yàn)證掛籃的承載能力，尋找薄弱環(huán)節(jié)以便加固；（2）消除掛籃結(jié)構(gòu)的非彈性變形；（3）獲得預(yù)壓加載過程中掛籃的應(yīng)變響應(yīng)過程，為連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋預(yù)拱度設(shè)置提供參考[7]。借助砂袋或水袋直接堆載是比較常規(guī)的方法，但在工程實(shí)踐中，由于需要準(zhǔn)備較多的輔助物品并需大型起吊設(shè)備，在費(fèi)用、時(shí)間上浪費(fèi)較多，場(chǎng)地占用時(shí)間較長(zhǎng)。因此，變更荷載施加途徑成為了一個(gè)比較熱門的工程實(shí)踐研究課題。針對(duì)三角掛籃的預(yù)壓實(shí)驗(yàn)，已有的研究從預(yù)壓實(shí)驗(yàn)荷載選擇及施加、掛籃在墩頂?shù)钠囱b、掛籃預(yù)壓試驗(yàn)資料分析等多方面開展了研究，其中針對(duì)掛籃預(yù)壓荷載的施加分別采取了砂袋（或水袋）直接堆載法、預(yù)埋支撐結(jié)合千斤頂施加反力法[4]、兩掛籃橫臥對(duì)向錨固后在主梁前端用千斤頂施加推擠力模擬加載法等多種方法[5]。不過，不論采取哪種形式，真實(shí)地模擬施工荷載和加載過程以校驗(yàn)掛籃的安全穩(wěn)定性、獲得準(zhǔn)確的應(yīng)變響是掛籃預(yù)壓堆載實(shí)驗(yàn)的根本目的。

1 掛籃堆載預(yù)壓實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)施

位于徐州境內(nèi)的徐洪河大橋?yàn)?5 m+65 m+37 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。大橋最重節(jié)段（1號(hào)塊）長(zhǎng)3.5 m，箱梁中心高3.44 m，底板厚0.654 m，腹板厚度為0.75 m，節(jié)段重量約126 t。

大橋采用三角掛籃澆筑，掛籃主構(gòu)架由2件對(duì)稱的桁架式承載構(gòu)件聯(lián)結(jié)而成。掛籃主構(gòu)架是簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，桿件間以銷軸連接，見圖1。單個(gè)掛籃立柱（AB）高 3 m，主弦桿（CBD）長(zhǎng) 9.4 m，均由兩根32B槽鋼拼焊而成；斜拉桿由兩片25 mm厚、220 mm寬的16Mn鋼板構(gòu)成，斜32°布置。除了主體結(jié)構(gòu)外，掛籃結(jié)構(gòu)中的前橫梁采用2根45B工字鋼，吊桿采用Φ32 mm精軋螺紋鋼筋。掛籃底模前后橫梁吊點(diǎn)各5個(gè)，掛籃側(cè)模和箱室頂板內(nèi)模各2個(gè)吊點(diǎn)。每榀三角架后部有2根后錨扁擔(dān)梁，各通過2根Φ32 mm精制螺紋鋼筋豎向錨固于已澆筑箱梁上。掛籃模板系統(tǒng)中，底模重12 t，側(cè)模重 2×5.5 t，內(nèi)模重 3 t。

圖1 三角掛籃外形尺寸示意圖（單位：cm）

在實(shí)際操作過程中，考慮采用在地面上將兩片三角掛籃主構(gòu)架對(duì)向拼接，并借助油壓千斤頂對(duì)拉來模擬預(yù)壓的方法開展預(yù)壓實(shí)驗(yàn)，見圖2。掛籃一端用Φ32 mm精軋螺紋固定，中間部位用工字鋼制成的墊梁做支點(diǎn)，另一端用110 t油壓千斤頂逐級(jí)加載。采用這種方法的主要出發(fā)點(diǎn)是：（1）更好地滿足預(yù)壓噸位要求：油頂預(yù)壓可以滿足預(yù)壓要求的噸位，而沙袋預(yù)壓受空間限制不能很好地滿足預(yù)壓要求；（2）縮短工期并節(jié)省費(fèi)用：油頂預(yù)壓的施工工期為1 d，而采用沙袋預(yù)壓的施工工期接近1周，油壓千斤頂預(yù)壓的機(jī)械為油壓千斤頂一套，沙袋預(yù)壓需添置大量沙袋，并需要配置25 t汽車吊一輛同時(shí)耗費(fèi)大量人力。但考慮到掛籃上橋拼裝后，在澆筑混凝土之前，結(jié)構(gòu)仍未經(jīng)歷預(yù)壓消除接觸變形的過程，因此，采用地面拼裝千斤頂預(yù)壓的過程，更重要的是獲得掛籃主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)。

圖2 對(duì)拼三角掛籃及油壓千斤頂預(yù)壓實(shí)驗(yàn)

預(yù)壓實(shí)驗(yàn)實(shí)際最大堆載值為50 kN，共分5級(jí)進(jìn)行加載和卸載，加載實(shí)驗(yàn)過程中，用鋼尺量取兩掛籃主弦桿頂面之間的距離變化。由于采用的是兩掛籃拼合的方式，因此，主弦桿間距離的變化值對(duì)于單個(gè)掛籃而言應(yīng)當(dāng)減半。荷載施加過程中，1/2收縮量與荷載之間關(guān)系見圖3。

圖3 實(shí)測(cè)1/2收縮量曲線與荷載之間關(guān)系曲線

另外，對(duì)于與施加荷載端相對(duì)的錨固端，實(shí)驗(yàn)過程中，也進(jìn)行了錨固鋼筋伸長(zhǎng)量的測(cè)量，其數(shù)值僅4 mm，中部墊梁的壓縮變形僅2 mm，對(duì)加載端的影響較小。這主要是在加荷載之前，首先將掛籃間工字鋼墊梁安裝到位，然后對(duì)整個(gè)掛籃主弦桿的兩端同時(shí)使用螺紋筋、螺帽并配合千斤頂進(jìn)行了錨固，然后，將墊梁位置處也采用螺紋筋錨固扎實(shí)，最后，放松荷載施加端螺帽進(jìn)行加荷，這樣，有效地限制了非荷載施加端的變形。

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

從圖3中可以看出，掛籃在加載之初，由于存在明顯的非彈性變形（主要是構(gòu)件之間接觸部位相互擠壓的緊致過程產(chǎn)生的變形），實(shí)驗(yàn)曲線在加載之初呈現(xiàn)明顯的非線性。加載借助的緊固件與掛籃間咬合有個(gè)從寬松然后驟然緊密的過程。當(dāng)荷載增加到20 kN之后，接觸部位由于擠壓已經(jīng)充分，整個(gè)掛籃實(shí)驗(yàn)體系才呈現(xiàn)出明顯的線彈性工作狀態(tài)。從掛籃預(yù)壓實(shí)驗(yàn)的三個(gè)主要目的中的消除掛籃結(jié)構(gòu)的非彈性變形來看，在實(shí)際施工過程中，若掛籃的底模、側(cè)模以及臨時(shí)施工荷載超過這個(gè)數(shù)值的話，則可以在底模高程調(diào)整之前就將結(jié)構(gòu)間緊致過程完成，避免在確定底模立模高程過程中出現(xiàn)偏差。另一方面，與本次在地面拼裝掛籃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不同的是，傳統(tǒng)的在橋面拼裝掛籃的時(shí)候，要進(jìn)行預(yù)壓實(shí)驗(yàn)，則至少需要構(gòu)建桁架、支撐、懸吊和模板系統(tǒng)中的底模和側(cè)模，模板的重量在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前已經(jīng)主要由掛籃承擔(dān)，其重量一般都接近20 t（本橋超過25 t）。故此，在地面拼裝掛籃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中獲得的變形數(shù)值中，接觸變形或者稱非彈性變形要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在橋面拼裝掛籃后開展的預(yù)壓實(shí)驗(yàn)，而此部分變形在后一種類型的試驗(yàn)過程中，由于已經(jīng)先于堆載產(chǎn)生，故而是測(cè)不到的。值得關(guān)注的是，掛籃在橋面拼裝并澆筑混凝土?xí)r，其傳力機(jī)理與地面掛籃主桁架對(duì)拼后開展的預(yù)壓實(shí)驗(yàn)存在較為明顯的不同。以如圖4所示的掛籃系統(tǒng)為例，橋梁梁段底板、腹板澆筑時(shí)產(chǎn)生的豎向自重荷載主要由掛籃的底模系統(tǒng)承擔(dān)，頂板自重產(chǎn)生的荷載由內(nèi)模系統(tǒng)承擔(dān)，翼板的荷載由外模系統(tǒng)承擔(dān)，這些荷載首先通過掛籃的前、后吊桿或吊帶傳遞到前、上橫梁和已澆梁段的底板及腹板上。最終，前、上橫梁的所有荷載都傳遞到掛籃的主桁架上，主桁架再通過前支點(diǎn)和后錨點(diǎn)把力傳遞到已澆梁段的頂板、腹板上。懸吊系統(tǒng)和主桁系統(tǒng)部分起著力轉(zhuǎn)換的作用。掛籃吊架在澆筑梁段中所產(chǎn)生變形的調(diào)整，能通過調(diào)整前吊桿高度或在后錨橫擔(dān)梁上配重加以調(diào)整。

圖4 徐洪河大橋掛籃布置立面圖（單位：cm）

預(yù)壓實(shí)驗(yàn)過程中，千斤頂?shù)耐茢D力直接作用于三角桁架的底部弦桿，整個(gè)過程中，除了與預(yù)壓荷載施加端相對(duì)的主弦桿另一側(cè)由于采用的是螺紋筋錨固的方式，會(huì)產(chǎn)生拉伸變形之外，掛籃主桁架之外的部分（特別是懸吊系統(tǒng)）的變形都被忽略。與常規(guī)掛籃預(yù)壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，底模和側(cè)模的重量在立模高程確定之前即由掛籃為主承擔(dān)，且懸吊、模板甚至行走系統(tǒng)均參與試驗(yàn)有所不同，因此，上述地面拼裝后堆載過程中的荷載噸位選擇、加載位置、觀測(cè)方法是否合理，均需加以分析。

采用Ansys軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行模擬。立柱和斜拉桿采用桿單元，主弦桿采用梁?jiǎn)卧Ｓ?jì)算得到的主弦桿前端最大下?lián)蠟?5.6 mm，各桿、梁變形見圖5。與圖3中對(duì)應(yīng)荷載（400 kN）所產(chǎn)生的位移（22 mm）相比，有較大出入。若將圖3中非線性變形階段扣除部分，200 kN荷載，彈性變形按8 mm計(jì)，其余4～5 mm認(rèn)為是錨固系統(tǒng)與掛籃之間緊致、加載非線性、變形非線性等原因產(chǎn)生的形變，則兩者數(shù)值較為接近。由此可見，在上述試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)中，有一部分是由于試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作過程中引入的粗差，需要將其剔除后再進(jìn)行掛籃真實(shí)響應(yīng)的計(jì)算。其次，掛籃桁架受千斤頂頂推作用情況下，其荷載施加過程與沙袋堆載的傳統(tǒng)方式相比，不夠均勻、加載歷時(shí)也較短等原因均會(huì)造成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏大。

3 箱梁澆筑預(yù)拱度設(shè)置

預(yù)應(yīng)力箱梁由于施工荷載和后續(xù)節(jié)段施工荷載的影響，其節(jié)段前緣會(huì)產(chǎn)生較大下?lián)希沟孟淞喉敗⒌赘叱唐x設(shè)計(jì)線形，故而箱梁節(jié)段施工過程中，需要設(shè)置預(yù)拋高（預(yù)拱度）以抵消其影響。預(yù)拱度數(shù)值的大小主要受以下因素影響：一期恒載、預(yù)應(yīng)力、二期恒載、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換、掛籃變形、混凝土收縮徐變、墩身壓縮、溫度影響、臨時(shí)施工荷載、活載，其中預(yù)應(yīng)力和混凝土收縮會(huì)造成體系緊致，對(duì)施工預(yù)拱度設(shè)置有減小的作用，其余部分，則多數(shù)會(huì)造成施工過程中本節(jié)段或之前已澆筑節(jié)段的下?lián)稀?shí)際施工過程中，影響線形控制的主要不可控因素是掛籃的非彈性變形部分。

在上述掛籃實(shí)驗(yàn)中，可以看出，對(duì)于非新制掛籃，非彈性變形主要集中于荷載施加初期，而預(yù)壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的后半段，彈性特征明顯，可以作為參照，并依照每個(gè)節(jié)段箱梁的自重、長(zhǎng)度計(jì)算獲得澆注過程中的掛籃變形值。

徐洪河大橋施工過程中，對(duì)于預(yù)拱度的設(shè)置采用了Midas軟件進(jìn)行箱梁自重荷載、預(yù)應(yīng)力張拉、混凝土干縮及徐變、溫度變化等模擬，對(duì)于掛籃的變形，1號(hào)塊按照20 mm考慮，對(duì)比如圖3所示，扣除了部分非彈性變形的影響，但仍保留了部分?jǐn)?shù)值以抵抗掛籃錨固不實(shí)等原因產(chǎn)生的下?lián)稀Ｊ┕けO(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，上述設(shè)置是合理的，保證了橋梁底板線形的美觀、流暢。

4 結(jié)語

對(duì)于三角掛籃這一輕便掛籃的典型代表，在施工前對(duì)其開展堆載預(yù)壓，是獲知掛籃穩(wěn)定性和應(yīng)變響應(yīng)的重要途徑，借助千斤頂而非砂袋在地面拼接掛籃進(jìn)行預(yù)壓實(shí)驗(yàn)，一方面操作更為安全，可以大幅節(jié)省工期，另一方面，更為安全。其滿足了驗(yàn)證掛籃的承載能力，獲得預(yù)壓加載過程中掛籃的應(yīng)變響應(yīng)過程兩個(gè)最重要的要求，而對(duì)消除掛籃結(jié)構(gòu)的非彈性變形，考慮到掛籃系統(tǒng)模板重量較大，且施工控制均是在模板系統(tǒng)就位后進(jìn)行調(diào)整，故而，完全可以滿足消除掛籃系統(tǒng)各部件間接觸變形的需要。反過來，地面拼裝后采用千斤頂加載的初期，其獲得的數(shù)據(jù)中會(huì)包含部分非彈性變形，需要結(jié)合分析將其剔除，避免對(duì)掛籃的真實(shí)相應(yīng)計(jì)算引入誤差。此外，在開展預(yù)壓實(shí)驗(yàn)的過程中，需注意其受力差異，針對(duì)性地開展構(gòu)件對(duì)拼準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和相應(yīng)的數(shù)值分析工作，才能更好地完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作。

值得說明的是，考慮到由于千斤頂施加荷載的靈活性，施加對(duì)拉力的時(shí)候，特別是加載前期，可縮小步長(zhǎng)，使構(gòu)件各個(gè)部分漸進(jìn)地緊致；荷載施加完成后，卸載過程中也應(yīng)在小荷載區(qū)間延長(zhǎng)停滯時(shí)間，以便觀察掛籃的殘余變形數(shù)據(jù)。這是上述試驗(yàn)過程中忽略了的問題，在今后的試驗(yàn)過程中，需要加以改進(jìn)。

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