辰塔大橋主梁前支點掛籃壓載試驗與仿真計算

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

上海辰塔公路越黃浦江大橋主橋跨徑296 m，橋寬34.6 m，主縱梁兩側懸臂3.3 m，標準節段設置2道橫梁。

針對大橋所處施工環境以及主橋結構特點，設計了一種復合型前支點掛籃，可以實現全斷面一次性澆筑，提高現澆混凝土梁體的整體性；其次，掛籃行走不同于以往的C形前支點掛籃，該工藝利用三角桁架即可實現掛籃平臺及其他各部分模板同步一次性就位，這樣減少了施工工序，縮短了施工周期。掛籃結構布置如圖1所示。

圖1 掛籃布置示意

1 復合型前支點掛籃的加工與安裝

1.1 掛籃下料及加工

按照設計圖紙，掛籃結構構件鋼材采用Q235B、Q345B，其機械性能與化學成分滿足相關標準中的要求。原材料按設計圖紙要求進場，進場時取得相應質保書，并取樣進行復試，復試合格后投入使用和加工。

掛籃的加工采用集中分件預制，相關構件制作時根據結構裝配圖考慮預留安裝工藝余量，以方便安裝施工及保證安裝精度。各構件的制作、安裝、檢驗均符合相關標準的規定[1,2]。

各構件之間采用高強螺栓接頭連接板件，在各構件預拼定位后套膜加工各孔。高強螺栓連接的施工，包括制作、檢驗、安裝等均按照相關標準中的要求進行。

1.2 掛籃廠內預拼裝

每副掛籃分別在廠內進行預拼裝。在拼裝過程中，保證承載平臺達到設計要求的安裝程度，各構件分別裝配到位并能正常工作。

預拼裝時確保各構件定位尺寸符合安裝精度要求，作好預拼裝結果記錄、標記，并對掛籃各個構件繪制編號圖，以便現場安裝時作為對照和參考。

各構件安裝精度除施工圖中已有明確規定外，還應滿足相關標準中安裝精度的要求。

掛籃預拼裝階段主要檢驗項目為：承載平臺主縱梁及橫梁的平面位置、相對關系、直線度；承載平臺主縱梁及橫梁高強螺栓接頭處的配鉆質量、摩擦面摩擦因數；模板系統的安裝質量；模板系統的開合情況；拱架提升和下放情況；精軋螺紋鋼、吊帶、銷軸等安裝質量；各個機構安裝和調試情況；主縱梁開孔位置，模板開孔、開槽位置。

1.3 掛籃現場拼裝

為縮短掛籃現場安裝施工周期，掛籃在主梁0#、1#段施工過程中同步安裝，安裝時掛籃在0#、1#段支架投影外搭設安裝支架，進行主梁承載平臺、拱架和模板系統的安裝工作。待0#、1#段施工完成，斜拉索張拉完畢后，拆除0#、1#段型鋼支架，將掛籃向主塔根部方向滑移4 m。隨后安裝橋面主桁架，利用三角桁架及主梁錨固點整體提升掛籃橋面以下部分，最后安裝前后錨桿組，完成掛籃安裝工作。

2 掛籃壓載試驗

辰塔大橋主梁標準節段利用前支點掛籃懸臂澆筑，在施工過程中，掛籃將承受施工設備和節段混凝土的全部質量。為掌握掛籃的受力性能和實際剛度等參數，在主橋第1次懸臂澆筑位置，即2#節段實施壓載試驗。荷載的布置形式盡量與實際荷載分布吻合，以保證試驗的可靠性和準確性[3,4]。

通過荷載試驗，檢測掛籃關鍵部位的受力指標，消除掛籃的非彈性變形，預估彈性變形以指導施工。另外發現懸臂澆筑施工工藝流程中可能存在的問題，從而保障主梁后續施工的順利進行。

試驗內容主要包括掛籃承載平臺主縱梁和前、后橫梁的變形及應力。應力測點及變形測點布置為：前橫梁、后橫梁的跨中位置1個測點，距離承載平臺中心線6 m和10 m兩側各布置4個測點，這樣前、后橫梁各設置5個變形測點；在前、后橫梁跨中位置各設置1個應力測點。主縱梁端頭、掛籃模板端頭位置（立模標高測試點）、拱架軸線與主縱梁軸線相交處以及前、后錨桿位置，各設置測點，單邊合計5個測點；在主縱梁軸線與前、后橫梁軸線相交處，設置1個應力測點。在翼緣支撐位置的端部，左右各設置1個變形測點。如圖2所示。

圖2 壓載試驗測點布置

標準節段混凝土用量為162.28 m3，質量為422 t，所有試驗荷載均乘以1.1的安全系數。節段混凝土澆筑主要有以下幾種工況：掛籃就位，調整立模標高；安裝斜拉索并第1次張拉；第1次澆筑50%混凝土；斜拉索第2次張拉；第2次澆筑剩余50%混凝土。

根據主梁標準節段施工步驟，過程中首先消除掛籃非彈性變形的影響，壓載試驗按照下述步驟實施：掛籃就位，調整立模標高→安裝C2#斜拉索，第1次張拉→堆載42.2 t（混凝土荷載的10%）→堆載211 t（混凝土荷載的50%）→第2次張拉C2#斜拉索→堆載422 t（混凝土荷載的100%）→堆載464.2 t（混凝土荷載的110%）→荷載持續→卸載至100%→卸載至50%→放張C2#斜拉索→卸載至10%→卸載完成→根據壓載試驗調整模板、綁扎鋼筋。

壓載材料采用砂袋、型鋼及混凝土配重塊。考慮到辰塔主橋橫梁寬度僅有28 cm，壓載材料難以堆放，改用扁擔梁在橫梁底部吊掛型鋼及配重塊的方式進行堆載；主縱梁模板高度為2.55 m，該處實際堆載砂袋5層，堆載質量不足部分采用吊掛型鋼。

壓載試驗過程中，每一級荷載加載完成后，須進行掛籃變形及應力的測量。加載過程中安排專人檢查高強螺栓連接板部位的變形情況；為避免塔柱偏位影響試驗結果，過程中要求嚴格按照主跨、邊跨兩側掛籃同步平衡加載原則進行，并利用測量監測主塔位移。

3 空間仿真模擬

為了與試驗實測數據對比，采用通用有限元軟件ANSYS，對該掛籃進行三維空間有限元數值模擬。

承載平臺主體結構采用Beam188單元模擬，為避免主縱梁加勁板處的單元剛度矩陣奇異，影響計算結果，將加勁板換算成集中荷載施加在模型上。掛籃錨固系統及斜拉索采用Link180單向受拉構件模擬；定位系統中的頂升機構及中支點墊塊采用Link180單向受壓構件模擬。承載平臺、拱架及錨固系統的連接采用耦合約束。掛籃有限元模型如圖3所示：坐標原點建立在前橫梁跨中位置，z軸表示豎橋向；y軸為縱橋向；x軸為橫橋向。

圖3 掛籃有限元模型

主縱梁及拱架上的模板、混凝土荷載利用單元均布荷載方式施加；由于懸臂模板和前端模板支撐采用可調撐桿支撐在承載平臺上，該部位的模板及混凝土荷載換算成單元集中荷載方式施加。斜拉索索力通過對Link180施加初應力場來實現。

4 試驗結果分析與應用

為了驗證該掛籃的受力性能及實際剛度情況，將壓載試驗中測點實測值與有限元數值進行對比。建立一個三維坐標系，坐標原點設置在前橫梁跨中位置。

掛籃承載平臺主縱梁測點變形對比如圖4所示。圖中可看出，壓載試驗實測值與有限元數值分析基本吻合，變形曲線走勢一致，特別是加載至50%～100%的工況，通過斜拉索第1次張拉及堆載10% 兩個工況，基本消除了掛籃的非彈性變形，實測值與理論值很好地吻合；完全卸載后，各測點累計變形均可恢復，縱梁處于彈性受力狀態；主縱梁在加載試驗過程中，累計最大彈性變形為+19.4 mm，因此在2#標準節段掛籃定位施工時，考慮-20 mm的預拋值。

圖4 主縱梁測點變形示意

圖5及圖6分別為掛籃前、后橫梁測點變形對比圖。由于壓載試驗中可操作的局限性，加載至10%的工況并未對前后橫梁進行加載，因此造成實測值與理論分析值存在誤差；加載至50%、100%的變形實測值與相對應工況理論值基本吻合；對比卸載前、卸載后前橫梁的累計變形值，大約有10 mm的非彈性變形在壓載試驗中被消除。

圖5 前橫梁測點變形示意

圖6 后橫梁測點變形示意

通過壓載試驗，得到標準節段施工過程中各個工況下掛籃自身的變形值、最大撓度值均未超出設計規定，滿足剛度要求。掛籃在卸去所有荷載后，變形基本恢復，利用實測數據，可以為當前及下一個標準節段的施工監控提供立模標高參考值。

表1為應力測點實測值與理論值的對比，應力測點布置在橫梁及主縱梁的頂緣，拉應力為正值，壓應力為負值。除測點Ⅱ在加載至50%時，實測值與理論值存在一定的誤差外，其他測點在各個工況下，應力變化值相對吻合。加載至100%時，掛籃承載平臺各構件應力分布如圖7所示，可知構件強度滿足要求。

表1 各工況應力變化值（單位：MPa）

圖7 加載100%構件應力示意

5 結語

利用壓載試驗中各工況下掛籃自身的變形值，一方面可以為當前及后續標準節段的施工監控提供立模標高修正值，另一方面作為施工過程中的參考值，若發現某工況下掛籃自身變形過大或者過小，可及時分析原因，避免發生安全事故。通過壓載實驗，成功地驗證了該掛籃在標準節段施工各工況下的受力性能、掛籃剛度及強度均滿足規范要求，同時也消除了掛籃各部件結構的非彈性變形，達到了預期目的。可以為實現類似的超寬翼緣主梁全斷面一次性澆筑提供借鑒[5,6]。