懸臂翼緣板二次澆筑施工鋼吊架結構安全性分析

俞 冬 曲寶文 孫曉軍 程海根

(1.華東交通大學土木建筑學院， 江西 南昌330013；2.中鐵十六局集團第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000)

懸臂翼緣板二次澆筑施工鋼吊架結構安全性分析

俞 冬1曲寶文2孫曉軍2程海根1

(1.華東交通大學土木建筑學院， 江西 南昌330013；2.中鐵十六局集團第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000)

根據橋梁實際施工需要，懸臂翼緣板的二次澆筑施工具有普遍性，其鋼吊架具有較廣的適用性和較高的經濟性，同時也使橋梁施工過程受力更加合理且快速簡便，故該施工技術在橋梁施工中得以廣泛應用。文章以某在建鐵路工程為背景，總結了采用鋼吊架進行翼緣板懸臂澆筑施工的工藝及使用安全事項。首先對鋼吊架上部傳遞下來的荷載進行了分析，探討了該結構的靜力荷載工況。然后對其各個主要構件利用有限元分析軟件建立吊架整體結構模型。根據鋼吊架合理設置的邊界條件，驗算其強度與撓度等安全性能，對吊架的吊桿位置進行了對比分析。計算結果表明：吊桿位置越靠近已澆筑懸臂翼板端部，吊架的受力更合理，為推廣使用此類鋼吊架提供了參考依據。

懸臂澆筑； 鋼吊架； 強度； 撓度； 安全性

1 引言

隨著世界經濟的快速發展和建筑工藝水平的不斷提高，鋼結構也越來越廣泛地應用到各種類型的工程建筑中[1]，施工單位在采用橋梁施工臨時支架體系中，更傾向于采用鋼結構。由于鋼材具有相對輕質高強、易于加工組裝和彈塑性好等優點，鋼支架體系不但能夠保證結構受力安全，而且拆除后利用率很高，節省資源，符合當前發展方向。本文以在建鐵路工程為實例，論述鋼結構吊架在懸臂翼緣二次澆筑施工中的使用。懸臂澆筑施工是橋梁上部結構施工的重要環節，在施工現場環境下，從結構安全到人員安全，都不能忽視施工吊架的安全性。其結構安全性要從吊架的強度、錨固和變形等方面著手解決，合理地運用鋼吊架懸臂施工技術能有效縮短施工工期，提升橋梁整體施工質量[2]。

2 工程概況

該工程是一座在建鐵路橋，圖1為該橋采用懸澆橋面板的模板及支架系統，主梁為聲屏障T梁。該橋面寬度有2種，分別為標準段橋面和加寬段橋面。其中標準段橋面寬7.7 m，加寬段橋面寬9.2 m。圖2為聲屏障T梁現澆橋面鋼吊架平面布置圖，該工程在確定主橋施工方法時，根據設計要求及施工現場的環境和設備等各種因素綜合分析考慮，最后選擇用鋼吊架進行翼緣二次懸臂澆筑施工方法。該橋主梁分別是預制邊梁和現澆橋面板，主梁使用材料為C50纖維混凝土。施工中要求在預制邊梁上留有泄水孔和預留孔，這些孔道可為安裝鋼吊架的吊桿提供條件。現澆橋面板在安裝好吊架后按設計要求進行澆筑。此技術具有安裝簡便，施工安全，成本較低等特點[3]。

圖1 T梁懸澆橋面板模板系統(mm)

圖2 聲屏障T梁現澆橋面鋼吊架布置圖(mm)

3 鋼吊架的設計

鋼吊架現澆部分采用20 mm厚的竹膠板作為底模面板，底模面板下面鋪設若干根(90×50×2) mm矩形方管作為承力骨架以增加模板的剛度，其中標準段處鋪設6根，加寬段處鋪設9根。方管的橫向排列間距均為27.5 cm。矩形方管下設雙拼[5作為分配梁，其間距與吊架間距是相同的。雙拼[5分配梁通過調節螺桿將施工荷載傳遞到其下方的鋼吊架上。

鋼吊架材料為Q235鋼材，采用桁架結構，它在中間標準段和端部加寬段的間距為2 m和1 m。但通過計算，在加寬段處鋼吊架承擔的應力超過鋼材屈服強度，故需將加寬段處的鋼吊桿間距調整為0.5 m以滿足強度要求。鋼吊架通過吊桿和支腿將上部傳遞過來的荷載再傳遞到已經架設的預制T梁上面。

現澆橋面板鋼吊架布置的距離根據是否有接觸網采用不同布置形式，其中有接觸網立柱一側為加寬段，其荷載也是最大的。無接觸網基礎位置的鋼吊架距離是4 m，而在接觸網基礎所在位置的梁端2.4 m范圍內的鋼吊架距離是2.3 m。

4 鋼吊架驗算

鋼吊架的結構驗算可以從吊架的強度和撓度、吊桿的強度等幾方面展開。如前所述，現澆橋面板無加寬位置處吊架間距為2 m，而梁端加寬位置處吊架間距由最初1 m變為0.5 m。現澆橋面板上荷載通過20 mm厚竹膠板傳遞到(90×50×2) mm方管上，再通過雙拼[5分配梁傳遞到鋼吊架上，最后由吊桿和扁擔梁將荷載傳遞到已經架設的預制梁上，其構造如圖3、圖4所示。

圖3 現澆聲屏障基礎與人行道中間標準段吊架結構圖(mm)

圖4 現澆聲屏障基礎與人行道端部加寬段吊架結構圖(mm)

由于鋼吊架上的荷載是由竹膠板和板下的方管加勁梁傳遞過來的，所以首先要對竹膠板和加勁梁進行驗算，只有當這兩者的強度滿足要求才能計算鋼吊架的安全。根據相關資料，選取了材料及荷載的相關參數。其中混凝土自重取26 kN/m3；鋼模板系統自重取0.75 kN/m2；方木自重取3.9 kN/m3；20 mm厚的竹膠板自重取0.16 kN/m2；鋼材自重取78.5 kN/m3；施工人員機具等活載2.5 kN/m2(計算模板下加勁梁時用)，其他情況下用1.5 kN/m2；傾倒混凝土產生的活載取2 kN/m2；振搗混凝土產生的活載取2 kN/m2。另外在驗算強度時恒載分項系數取1.2，活載分項系數取1.4，采用承載能力極限狀態設計方法計算；驗算撓度時恒、活載的分項系數均取1.0，采用正常使用極限狀態設計方法計算[4]。

4.1 竹膠板與方管加勁梁的驗算

本文作用于竹膠板的荷載可分恒載與活載兩類，計算取代表寬度為100 mm的竹膠板。利用相關參數與公式得到不同混凝土厚度處的荷載值在標準段與加寬段上是相同的。其計算結果如表1所示。

表1 不同板厚作用荷載值

標準段與加寬段的竹膠板都是以間距27.5 cm的方管加勁梁為支撐點，按連續梁計算內力。該類型竹膠板是A類65型的，它的允許正應力和切應力分別是65 MPa和1.25 MPa，最大撓度為[f]=L/400=0.687 5 mm，且小于1.5 mm。通過計算得到2種情況下的竹膠板最大正應力和切應力是5.1 MPa和0.5 MPa，最大撓度是0.223 mm，故竹膠板的強度與撓度滿足要求。

方管加勁梁的尺寸為(90×50×2) mm，其主要承擔自重與竹膠板傳遞過來的荷載。標準段下面的6根加勁梁承擔的荷載均不同，其中立柱下面一根承擔的荷載是最大的。同理，在加寬段下面有9根承受不同荷載的加勁梁，其中有2根在立柱下面，承擔的荷載也是相對較大的。這些加勁梁均支撐在雙拼[5的分配梁上，計算內力時按連續梁情況計算。但要注意的是它們在有聲屏障基礎位置和無聲屏障基礎位置分別承受的是2種不同均布荷載作用。根據規范要求，該方管加勁梁允許正應力[σ]=140 MPa，允許切應力[τ]=85 MPa，允許撓度[f]=L/400[5]。計算得到標準段和加寬段加勁梁的最大正應力為124 MPa，最大剪應力為19.2 MPa，標準段的最大撓度2.1 mm，加寬段的最大撓度0.4 mm，所以該種方管加勁梁的強度和撓度均已達到設計要求。

4.2 鋼吊架的計算模型

運用Midas Civil建立鋼吊架的有限元模型，標準段的模型共35個節點和43個單元，加寬段的模型共44個節點和55個單元，除吊桿的單元類型是桁架單元外，其余均為梁單元。整個吊架采用的是Q235鋼材。為突出重點，沒有對竹膠板和方管加勁梁進行模擬，而是通過設置合理的邊界條件和等效的靜力荷載來加以代替。靜力荷載要考慮鋼結構的自重以及鋼結構上部傳遞過來的荷載。邊界條件的模擬，通過模型激活、鈍化來實現[6]。鋼吊架的模型如圖5、圖6所示。

圖5 標準段鋼吊架結構模型

圖6 加寬段鋼吊架結構模型

5 吊桿的設計方案

鋼吊架在安裝時必須考慮自重以及安裝完成后產生的位移，確保施工的安全[7]。本文中鋼吊架采用的是Q235鋼材，吊桿使用PSB785、φ32 mm的精軋螺紋鋼。現澆橋面板產生的重量和鋼吊架的自重最終通過吊桿傳遞到已經架設的預制梁上。鋼吊架的整體結構保持不變，而吊桿的設計變得較為關鍵。從模型中可以發現，吊桿在鋼吊架位置的上弦桿需用槽鋼加固并且焊接，該設計方案中使用的是[36a槽鋼。另外，吊桿的位置也是至關重要的，它在不同的位置，鋼吊架的穩定性就有所不同。吊桿在上弦桿有一定的范圍，超出這個范圍，該鋼吊架的結構就會被破壞，吊桿也會斷裂。

文中標準段和加寬段的鋼吊架在其上弦桿處各選取了7個不同位置。從圖5、圖6中可以看到，吊桿作用點范圍只是在被加固的弦桿上，而被加固的這根弦桿長度為410 mm。根據實際情況，這7個位置從距左端100 mm開始，每隔25 mm選取1個點，各個位置從左往右按A～G依次標記，其位置在圖3、圖4中已標注。由圖2可知，吊桿位置和泄水孔與預留孔息息相關，改變吊桿位置也意味著要改變泄水孔與預留孔在梁上的位置。把上述吊桿設計方案列舉如表2、表3所示。

表2 標準段上吊桿的設計方案 (mm)

表3 加寬段上吊桿的設計方案 (mm)

6 邊界條件及計算結果分析

6.1 邊界條件和靜力荷載工況

標準段上的各個加勁梁對鋼吊架的作用荷載基本一致，通過前面計算選取最大荷載位置處的一組力。從翼緣端開始，它們設計值依次是3.30 kN、12.79 kN、9.43 kN、9.14 kN、10.96 kN、4.09 kN。同理在加寬段鋼吊架上也選取最大荷載位置處的一組力。從翼緣端開始，它們的設計值依次是1.32 kN、14.15 kN、9.09 kN、4.93 kN、4.49 kN、3.50 kN、3.17 kN、4.01 kN、1.74 kN。但在加寬段上增加了鋼吊架，間距變為原來的一半，所以荷載設計值也變成原來的一半。計算時，需同時考慮鋼吊架自重和靜力荷載。

6.2 計算結果與分析

由于鋼吊架使用Q235鋼材，其容許彎曲強度值[σ]=140 MPa，容許剪應力[τ]=85 MPa[8]。容許撓度值是參照懸臂梁結構用L/250 mm來計算,標準段最大撓度是7.52 mm,加寬段最大撓度是10.44 mm。而吊桿使用的PSB785、直徑32 mm的精軋螺紋鋼，當安全系數大于2.0時即可。

表4 標準段上鋼吊架與吊桿的計算結果

表5 加寬段上鋼吊架與吊桿的計算結果

從表4、表5可以看出，當吊桿的位置越靠近懸臂端，鋼吊架的彎曲強度越大，最大剪應力值越小。在標準段上，只有吊桿在A～D處，彎曲強度才滿足要求。在加寬段上，當吊桿在A～F處，彎曲強度也滿足要求。而它們在A點的剪力值均為最大，分別為20.8 MPa、17.0 MPa，滿足設計要求。鋼吊架的最大撓度值出現在它的懸臂端，當吊桿在A點，即離懸臂端最遠時，它的值是最大的。它在標準段和加寬段上的值分別為6.22 mm和7.52 mm，均小于它們的容許撓度值。

吊桿使用的是精軋螺紋鋼，由它的強度等級代號可知其屈服強度標準值為785 MPa。如表4、表5中所示，吊桿越遠離懸臂端，其拉應力越大。但即使吊桿在A點時，其最大拉應力仍然小于屈服強度值，且吊桿安全系數都大于2.0，所以可以認為吊桿在以上7個位置均可。

綜上分析，吊桿的位置選擇應該要同時滿足以上條件，并且要兼顧到施工便捷和美觀等因素，最終把標準段和加寬段吊桿在上弦桿的位置都確定在D點處。因為這樣既能最大限度保證結構的安全穩定性，同時又能使梁上的泄水孔或預留孔保持在一條直線上，使施工更加快速方便。

7 結束語

翼緣板懸臂澆筑施工是常見的施工方法，因此，鋼吊架的使用也是極為普遍的。它不需要架設支架和不使用大型吊機，較其他方法，具有結構輕、拼制簡單方便、無壓重等優點[9]。本文鋼吊架的結構安全性和吊桿所在的位置息息相關，根據所用材料強度、撓度的臨界值等，吊桿在鋼吊架上的位置是有安全范圍的。該范圍和泄水孔或預留孔在結構設計中必須預先考慮，從而使設計與施工相統一，進而達到適用、安全、美觀的目的。本文設計方案可為今后懸臂翼緣板二次澆筑吊架施工方法提供參考。

[1] 劉長銀.輕型吊架安裝懸挑鋼梁施工技術[J].施工技術,2013,42(20):58-61. Liu Changyin. Construction of the Light Hanger Installing Cantilever Steel Beam[J].Construction technology, 2013,42(20):58-61.

[2] 姚振.橋梁掛籃懸臂澆筑法施工技術的應用[J].中國新技術新產品,2015,31(13):141. Yao Zhen. Application on Construction Technology of Bridge Hanging Basket Cantilever Casting Method[J].China new technologies and products, 2015,31(7):141.

[3] 王建軍.高速鐵路高墩連續梁邊跨吊架法施工技術[J].鐵道建筑,2014,8(11):20-22. Wang Jianjun. Construction Technology on Side Span Hanger Method of High Pier Continuous Girders of High Speed Railway [J].Railway engineering,2014,8(11):20-22.

[4] 向中富.新編橋梁施工工程師手冊[M].北京:人民交通出版社，2011. Xiang Zhongfu. Engineer Manual of New Bridge Construction [M].Beijing: China communication press，2011.

[5] JTJ 025-86 公路橋涵鋼結構及木結構設計規范[S]. JTJ 025-86 Specification for Design of Steel Structure and Timber Structure Highway Bridges and Culverts [S].

[6] 方勝利.大型懸挑鋼結構施工關鍵技術研究[D].武漢:武漢理工大學,2011. Fang Shengli. Study on Key Construction Technologies of Large Cantilever Steel Structure[D]. WuHan: Wuhan University of Technology,2011.

[7] GB 50017-2003 鋼結構設計規范[S]. GB 50017-2003 Code for Design of Steel Structures[S].

[8] 冉啟智.橋梁懸臂澆筑施工過程中掛籃模板適用性研究[D].鎮江:江蘇科技大學,2012. Ran Qizhi. Study on the Bridge Applicability of Hanging Basket and Formwork in Cantilever Pouring Construction[D].Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology,2012.

Analysis on Structural Safety of Steel Hanger for Secondary Casting of Cantilever Flange

YU Dong1QU Baowen2SUN Xiaojun2CHENG Haigen1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013,China；2.Third Engineering Company of China Railway 16th Bureau Group Co., Ltd.,Huzhou 313000,China)

According to the needs of bridge construction, cantilever flange secondary casting is universal. For wider applicability and higher economy, steel hanger is used widely in cantilever flange secondary casting, as well as it makes the bridge stress more reasonable and the construction more rapid and simple. Based on a project under construction，this paper summarizes the construction technology and safety notes of steel hanger using in flange plate cantilever casting. First, the load on the upper part of the steel hanger is analyzed, and static load conditions of the steel hanger are discussed. Then every major component model of steel hanger is established a hanger overall structure model by finite element analysis software. Steel hanger is set reasonable boundary conditions by the results which are previously analyzed and calculated. After that its strength, deflection and safety performance are checked. And the paper makes contrastive analysis on the parameters of location of the booms. The result showed that the closer the location of the booms is to the end of casted cantilever flange, the more reasonable the stress of the hanger is, which provides some reference for using this kind of steel hanger safely in the future.

cantilever casting; steel hanger; strength; deflection; safety

2015-11-02

俞冬(1989-)，男, 在讀碩士研究生。 基金項目: 國家自然科學基金資助項目(51368018)，國家自然科學基金資助項目(51468019)

1674—8247(2016)01—0010—05

TU378.1

A