混凝土斜拉橋前支點掛籃止推方式分析比較

郝維索

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092）

0 前言

預應力混凝土斜拉橋主梁施工大多采用前支點掛籃懸臂澆筑施工工藝。同傳統后支點掛籃相比，前支點掛籃合理地利用斜拉索作為臨時支點，使掛籃結構受力從懸臂狀態變為簡支狀態，可以改善掛籃內力和變形，減輕掛籃重量，具有承載能力大、澆筑節段長、施工速度快、主梁內力和線形易于控制等優點，已逐步成為混凝土斜拉橋主梁施工的主流方式。

為抵抗斜拉索的水平分力，需要在主梁和掛籃之間設止推裝置；止推裝置包括主梁止推機構和掛籃止推機構兩部分。通過兩者之間相互咬合連接，將斜拉索水平分力傳遞到已完成混凝土主梁上，從而阻止掛籃發生后退。止推裝置關系到主梁懸臂澆筑施工過程的受力和安全，是前支點掛籃系統的重要組成部分，也是前支點掛籃懸臂施工的關鍵技術之一。

掛籃止推機構一般采用從掛籃鋼結構主縱梁向上伸出鋼牛腿，形成掛籃止推底座；主梁止推機構則通常有三種方式：（1）梁底開設凹槽；（2）梁底預埋鋼結構止推塊；（3）連接拉桿。止推裝置屬于臨時施工措施，但它同斜拉橋主體結構密切相關；止推方式的選用不僅要考慮施工需要，還要考慮主體結構的特點和受力，包括主梁結構形式、節段重量、拉索錨固等因素，以確保主梁在施工階段和長期使用的安全。

本文以某預應力混凝土斜拉橋為例，對前支點掛籃三種止推方式進行了分析比較，在此基礎上，選擇適應該橋特點的止推方式。該斜拉橋主要設計參數為：預應力混凝土雙塔雙索面半飄浮體系斜拉橋，跨徑布置為（30+125+290+125+30）m，主梁采用預應力混凝土雙邊箱斷面，全寬32.5 m，高度3.0 m，標準梁段長度和橫梁間距為5.5 m，節段重量約為440 t，懸臂施工節段共25個（見圖1、圖2）。根據施工監控計算，在懸臂施工階段，單根斜拉索最大索力為460 t，其水平分力約為420 t。由于該橋節段重量、斜拉索力及其水平分力均很大，對前支點掛籃止推裝置提出了更高的要求。

1 梁底開設凹槽形式

在混凝土主梁梁底開設矩形凹槽，掛籃鋼牛腿向上插入凹槽內，鋼牛腿頂緊凹槽混凝土壁形成止推，在凹槽周圍混凝土內增設普通鋼筋并外包鋼板進行局部加強。在止推力作用下，在凹槽端部形成局部承壓區，凹槽周圍混凝土局部應力會很高。同時，主梁斷面削弱嚴重，雖然可以在施工后采取封堵措施，但由于后澆混凝土存在收縮徐變，修補后難以達到共同整體受力。

假定止推力為均布荷載，對寬度×深度＝30 cm×30 cm和60 cm×60 cm兩種凹槽尺寸進行空間有限元分析，結果如圖3～圖6所示及表1所列。

分析結果顯示，凹槽周圍混凝土不論是壓應力還是拉應力均相當高，可能會使混凝土局部破壞造成止推失效。由于鋼牛腿會發生一定的變形，止推力不可能為均布荷載，所以實際情況可能比計算結果更為不利。

梁底開設凹槽的止推形式傳力簡單直接，但局部應力較高，對永久結構削弱比較嚴重。在止推力較小的情況下可以考慮采用；如果止推力較大，其可靠性較差。

2 梁底預埋止推塊形式

鋼結構止推塊預埋在主梁混凝土內，梁底伸出鋼牛腿，與掛籃鋼牛腿頂緊形成止推。為克服彎矩和剪力，張拉精軋螺紋鋼筋或高強螺栓將鋼結構止推塊壓緊。

圖1 橋梁立面圖（單位：cm）

圖2 主梁橫斷面圖（單位：cm）

圖3 30 cm×30 cm槽口主壓應力云圖

圖4 30 cm×30 cm槽口主拉應力云圖

對梁底止推塊進行空間有限元分析，結果如圖7～圖9所示。

圖5 60 cm×60 cm槽口主壓應力云圖

圖6 60 cm×60 cm槽口主拉應力云圖

表1 槽口最大壓應力和拉應力一覽表

分析結果顯示，在預埋鋼板與混凝土接觸面處，存在高應力區，最大主壓應力-40 MPa，最大主拉應力達38 MPa。通過增設豎向預應力，可以使應力適當降低，但要消除該應力則比較困難。

梁底預埋鋼結構止推塊形式對永久結構影響較小，混凝土應力可以通過豎向預應力進行控制，所以這種止推方式應用較為普遍；但如果止推力較大，用鋼量較大，需要配置的豎向預應力鋼筋也較多，構造布置較為困難。

圖7 有限元模型示意圖

圖8 主壓應力云圖

圖9 主拉應力云圖

3 連接拉桿形式

在主梁混凝土內預留孔道，采用同拉索斜向交叉布置的拉桿將主梁與掛籃止推底座連接起來，利用拉桿水平分力平衡拉索水平分力。拉桿在主梁上也有兩種錨固方式：

（1）拉桿錨固在箱梁頂面：拉桿位于主腹板內，采用兩根拉桿對稱布置在斜拉索兩側，梁頂錨固（見圖10、圖11）。拉桿采用40CrMo合金鋼，直徑100 mm，長度約9 m。由于拉桿錨固在梁頂，且對稱布置，受力較為合理，空間有限元分析表明，混凝土應力較小。但是，由于拉桿長度太大，安裝施工很不方便；梁頂混凝土錨塊在施工后還需要鑿除處理，工作量較大。

（2）拉桿錨固在箱梁底板上：混凝土錨塊位于橫梁、底板和腹板角點處，每根拉索對應一根拉桿，拉桿采用40CrMo合金鋼，直徑140 mm，長度約3.8 m，在掛籃上張拉施工。空間有限元分析表明，在錨塊與主腹板交界面處局部應力稍大，最大主壓應力峰值-14 MPa，最大主拉應力峰值7.2 MPa，可以采用普通鋼筋加強處理（見圖12～圖14）。

通過分析比較，該橋推薦采用錨固在底板上的連接拉桿止推方式（見圖15）。這種止推方式受力合理、可靠，對永久結構影響小，施工操作方便，尤其適用于止推力較大的情況。但應注意協調處理好拉桿與拉索、預應力之間的空間關系，同時采取措施使拉桿承受軸向力十分關鍵。

圖12 有限元模型示意圖

圖13 主壓應力云圖

圖14 主拉應力云圖

圖15 前支點掛籃及連接拉桿止推裝置示意圖

4 小結

通過對混凝土斜拉橋前支點掛籃三種止推方式進行分析比較，可以得出以下幾點結論：

（1）止推裝置不僅關系到斜拉橋施工安全，而且對主體結構的影響也不容忽視。

（2）止推方式應根據橋梁結構特點和施工方案，在考慮對主體結構影響的基礎上選用。

（3）對于某橋止推力較大的情況，采用錨固在橫梁、底板和腹板角點處的連接拉桿止推方式較為合理可行。