新型異步澆筑法施工掛籃受力研究

黃海珊，唐成，陳澤，余鵬

（1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004；2.橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室，湖南長沙 410004）

新型異步澆筑法施工掛籃受力研究

黃海珊1，2，唐成1，2，陳澤1，2，余鵬1，2

（1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004；2.橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室，湖南長沙 410004）

為進一步推廣波形鋼腹板PC組合箱梁橋的應用范圍，以頭道河大橋為研究對象，對新型異步懸臂澆筑施工方法所采用的掛籃進行研究，介紹了該施工方法的施工流程、掛籃設(shè)計，并通過有限元對掛籃的受力、變形進行分析。結(jié)果表明，異步懸臂澆筑施工方法工藝流程簡潔，掛籃構(gòu)造簡單，受力、變形合理，可克服傳統(tǒng)掛籃易傾覆的缺點，具有良好的社會經(jīng)濟效益；結(jié)構(gòu)砼根部應力或0#塊波形鋼腹板剪應力均符合規(guī)范要求。

橋梁；PC組合箱梁；波形鋼腹板；異步懸臂澆筑；應力

波形鋼腹板PC組合箱梁橋由于采用輕型波形鋼腹板代替厚重的砼腹板，大幅減輕了結(jié)構(gòu)自重，提高了預應力效率，節(jié)約了工程投入，縮短了施工工期。相比傳統(tǒng)連續(xù)剛構(gòu)或連續(xù)梁，該橋型由于結(jié)構(gòu)輕盈，具有良好的抗震性能?，F(xiàn)階段對波形鋼腹板組合箱梁橋的研究主要集中在結(jié)構(gòu)的屈曲強度、剪力連接件等方面，并取得了一系列研究成果，為該橋型的迅速推廣起到了良好的促進作用。但結(jié)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特性及受力特點開展其施工工藝創(chuàng)新方面的研究還未見報道。

目前波形鋼腹板PC組合梁橋常采用的施工方法主要有滿堂支架法、懸臂施工法、頂推法等，其中以掛籃懸臂施工法居多。實踐表明，相對于傳統(tǒng)掛籃施工方法，新型異步澆筑施工法具有工藝流程簡潔、工期短、經(jīng)濟性指標高等優(yōu)點。該施工方法自提出并在實際工程中應用以來，對其研究主要集中在抗彎、抗剪等受力指標上，而對于該施工方法所采用掛籃的受力變形和安全性等方面的研究則較少。為此，該文以實橋為研究對象，基于有限元程序建立計算模型，分析該施工方法所用掛籃的受力、變形等性能，并通過施工現(xiàn)場加載試驗對掛籃的安全性及可靠性進行驗證。

1 工程簡介

頭道河大橋地處四川省西南邊陲，是敘古（敘永—古藺）高速公路中的重點工程之一，橫跨古藺河的支流頭道河。該連續(xù)剛構(gòu)橋上部采用波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)，跨徑布置為72 m+130 m+72 m；主梁采用分幅式單箱單室截面，每幅箱梁頂板寬12 m、底板寬7 m；梁底采用1.8次拋物線，跨中處梁高為3.5 m，底板厚30 cm，根部梁高為7.5 m，底板厚110 cm。橋型布置如圖1所示。

圖1　橋梁布置示意圖（單位：m）

波形鋼腹板鋼材采用Q355NHC，波長1.6 m，波高0.22 m，鋼板厚14～24mm，水平折疊角度為30.7°，彎折內(nèi)徑R為15t（t為波形鋼腹板厚度），其細部構(gòu)造如圖2及圖3所示。

圖2　波形鋼腹板節(jié)段示意圖

圖3　波形鋼腹板單位波長構(gòu)造示意圖（單位：mm）

2 新型異步澆筑施工法

2.1工藝流程

頭道河大橋施工階段結(jié)構(gòu)如圖4所示。從中可見，當前施工階段結(jié)構(gòu)主要包括：1）異步澆筑施工平臺；2）當前施工節(jié)段（第n節(jié)段）的底板；3）當前施工節(jié)段（第n節(jié)段）的波形鋼腹板；4）上一施工階段已完成的第n-1節(jié)段頂板；5）上一施工階段已完成的第n-1節(jié)段波形鋼腹板；6）當前施工節(jié)段安裝的下一節(jié)段（第n+1節(jié)段）的波形鋼腹板。

圖4　頭道河大橋結(jié)構(gòu)節(jié)段示意圖

若采用傳統(tǒng)掛籃施工波形鋼腹板PC組合箱梁橋，掛籃安裝就位后，作業(yè)區(qū)內(nèi)安裝波形鋼腹板、立模、頂?shù)装邃摻罱壴?、砼澆筑均只能在n節(jié)段工作面進行，作業(yè)面受限，交叉作業(yè)多，周期長。而采用異步澆筑法施工時，作業(yè)區(qū)由原來的單個節(jié)段工作面擴大到n-1、n、n+1 3個節(jié)段工作面，n-1節(jié)段頂板施工、n節(jié)段底板施工、n+1節(jié)段波形鋼腹板安裝3個作業(yè)面流水施工，極大地提高了施工效率，縮短施工周期。

2.2施工掛籃設(shè)計

頭道河大橋采用異步澆筑施工方法，掛籃設(shè)計為吊掛式，利用波形鋼腹板作為掛籃的承重結(jié)構(gòu)，可大幅減小掛籃自重，一套掛籃重約50 t（含模板、操作平臺、施工人員及機具重量）。該掛籃由承重系統(tǒng)、吊掛提升系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、模板系統(tǒng)四部分組成，結(jié)構(gòu)布置如圖5、圖6所示。

圖5　掛籃主要承重結(jié)構(gòu)示意圖

圖6　掛籃橫橋向總體布置

（1）承重系統(tǒng)主要由波形鋼腹板、支點、吊桿、前后上橫梁及連接縱梁組成。主承重梁為波形鋼腹板，因波形鋼腹板下沿與底板砼為埋入式連接，對下沿受力極為不利，需在波形鋼腹板下沿增加28 cm寬、20mm厚Q345鋼板，下翼緣鋼板與波形鋼腹板采取雙面貼腳焊連接。此外，為了保證波形鋼腹板安裝時的穩(wěn)定性，確保波形鋼腹板具有足夠的縱向及橫向剛度，在左右兩波形鋼腹板之間設(shè)置臨時支架橫撐。

（2）吊掛提升系統(tǒng)主要使用吊桿來承受底板，采用40Cr吊桿和φ32精軋螺紋鋼吊桿，全部采用連接器連接。在每個吊點處根據(jù)受力大小分別準備不同規(guī)格千斤頂作為提升動力，以便能及時快速地調(diào)整底部模板標高，提高生產(chǎn)效率，縮短施工周期。

（3）掛籃前、后支點支承在波形鋼腹板上翼緣板及開孔鋼板形成的凹槽內(nèi)，凹槽內(nèi)設(shè)四氟滑板，減少掛籃前進時的摩擦力。掛籃前移采用2根20 t液壓桿作為動力。行走方法為一頭鉸接錨固在掛籃后支點上，通過電動油泵供油，達到行程后利用鋼銷將另一頭鉸接錨固在波形鋼腹板開孔鋼板φ60貫穿孔上，電動油泵回油，液壓桿牽引后支點滑動帶動整個掛籃前進；達到一個行程后，將貫穿孔內(nèi)鋼銷取下，液壓站供油，達到行程后利用鋼銷再次錨固于貫穿孔上，重新推動液壓桿開始下一個行程動作。如此往復幾次，直至最后就位。異步施工法使用的掛籃利用波形鋼腹板作為主縱梁，結(jié)構(gòu)體系由常規(guī)掛籃的懸臂體系轉(zhuǎn)變?yōu)楹喼w系，取消了縱梁及后錨體系，支點在波形鋼腹板上翼緣鋼板凹槽內(nèi)滑動，取消了軌道，既可有效減少掛籃自重及梁體預留眼孔，又能確保掛籃前進時的安全。

（4）模板系統(tǒng)包括頂板模、底板模、封端模和工作平臺等，所有模板設(shè)計均按全斷面一次澆筑箱梁砼考慮。

3 掛籃受力分析

3.1掛籃有限元數(shù)值模擬

3.1.1模型建立

根據(jù)掛籃設(shè)計圖紙，采用MIDAS/Civil建立模型（如圖7所示）。建模時考慮的荷載包括掛籃自重、模板荷載、人群和機具荷載及砼濕重。

圖7　掛籃有限元模型

3.1.2結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，在各荷載組合作用下掛籃主要構(gòu)件應力和變形分別如表1、表2所示。

表1　掛籃主要構(gòu)件應力

表2　掛籃主要構(gòu)件變形

由表1可看出：在各荷載作用下，掛籃吊桿最大應力為193.3 MPa，明顯低于設(shè)計允許應力930 MPa；縱梁及滑梁的最大應力為121.6 MPa，亦低于設(shè)計允許應力170 MPa。波形鋼腹板PC組合箱梁橋采用異步澆筑法施工時，掛籃主要構(gòu)件的應力值符合規(guī)范要求。

由表2可知：掛籃主要構(gòu)件在各荷載作用下產(chǎn)生最大變形的是內(nèi)滑梁，達到11.5mm，但仍低于容許變形值14.5mm。異步澆筑施工法下掛籃各主要構(gòu)件變形符合規(guī)范要求。

3.2施工現(xiàn)場掛籃荷載試驗

為檢驗掛籃系統(tǒng)在各工況下的結(jié)構(gòu)受力及機具設(shè)備的運行情況，確保系統(tǒng)在施工過程中絕對安全和正常運行，對掛籃系統(tǒng)進行加載試驗，同時通過加載試驗收集技術(shù)參數(shù)用于指導后續(xù)施工，為懸澆施工高程控制提供可靠依據(jù)。

3.2.1加載試驗方案

以鋼鉸線配重的方式分級加載，加載分級為設(shè)計荷載的20%→50%→80%→100%（12 h后）→分級卸載。為了使加載試驗能完全或基本模擬掛籃在砼澆筑過程中各種工況下的受力狀態(tài)，加載時根據(jù)箱梁不同部位的不同荷載值均勻?qū)ΨQ地將荷載分布于掛籃上。

加載前由之前在0#塊根部截面頂、底板及波形鋼腹板上相應位置布置好的高精度應力傳感器進行應力監(jiān)測；每一級荷載加載完成后，在鋼腹板上選擇兩個測點（圖8中的A、B）對波形鋼腹板的下?lián)现颠M行觀測。每一級荷載持荷時間均不少于1 h。

圖8　變形觀測點布置

3.2.2試驗結(jié)果分析

各級荷載作用下掛籃撓度及應力變化與有限元模型計算值的對比如表3、表4及圖9～11所示。

從圖9～11可看出：在加載過程中，試驗值與有限元計算值的變化趨勢基本相同，且各階段的數(shù)值十分接近。其中，砼頂板壓應力及波形鋼腹板的豎向剪應力基本呈線性變化，說明加載過程中其受力較為均勻；而底板壓應力的變化較為明顯。結(jié)構(gòu)的受力及變形都處于合理范圍內(nèi)。

表3　掛籃各級荷載作用下的撓度變化值mm

表4　掛籃各級荷載作用下的應力變化值MPa

圖9　掛籃各級荷載作用下的撓度值

圖10　掛籃各級荷載作用下的頂?shù)装鍛χ?/p>

圖11　掛籃各級荷載作用下的腹板剪應力值

4 結(jié)語

該文以實際工程為依托，介紹了波形鋼腹板PC組合箱梁橋的新型施工方法即異步澆筑法，并采用有限元方法對該方法所采用掛籃的安全性進行了有限元模擬及現(xiàn)場荷載試驗，試驗值與有限元計算值的變化趨勢基本相同，且各階段的數(shù)值十分接近，結(jié)構(gòu)的受力及變形都處于合理范圍內(nèi)。

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