超寬橋面懸澆連續梁掛籃設計及施工安全探討

馬曉旭

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

超寬橋面懸澆連續梁掛籃設計及施工安全探討

馬曉旭

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

以溫州繞城小溪港大橋超寬橋面掛籃施工為例,應用邁達斯軟件,對超寬橋面掛籃的設計及施工過程中的安全性能進行了驗算,其結果能滿足該橋施工要求。這一結果對同類工程具有一定的參考和借鑒意義。

混凝土連續箱梁；超寬橋面掛籃；結構計算；施工工藝

1 概 述

溫州繞城高速公路北線二期工程小溪港大橋,主橋采用主跨80 m的預應力混凝土變截面連續箱梁,其跨徑組合為(45+80+45)m,整幅箱梁截面采用單箱五室斜腹板截面。箱梁頂寬32.80 m,底板寬21.33～24.00 m,懸臂節段長度3.5 m。箱梁根部斷面梁高4.5 m,跨中和邊跨現澆梁段梁高2 m。橋梁采用掛籃懸臂澆筑施工,箱梁為單箱5室結構,在該工法中較為少見。由于橋面寬度的加大,對掛籃設備及施工過程安全控制都提出了更高的要求。如施工過程中主桁架受力的協調性；寬體掛籃強度、剛度、穩定性保證；以及掛籃行走過程中的同步性,行走過程中后橫梁剛度問題等。這導致超寬掛籃結構設計和施工相較于普通掛籃難度加大,結構的強度和穩定性、行走過程中的安全性，及對橋梁縱橫向線形的控制要求增高。本文采用Midas Civil對其掛籃建立整體有限元模型,根據實際的施工荷載,模擬掛籃施工全過程力學行為,從而指導掛籃的設計及優化,結合施工實踐,總結施工過程中的注意事項及關鍵控制工序,為同類橋梁的懸臂掛籃施工提供參考。

2 掛籃設計

根據以往工程類似經驗,對應每道腹板放置一榀主桁架,本橋為五箱室結構,需放置6榀主桁,但是主桁數量較多的話,每榀主桁受力差別較大,受力同步性較差,行走時同步性也較難保證。基于此點,掛籃設計時采用少主桁結構。在中間箱室兩道腹板及兩道邊腹板上各布置1榀主桁。為保證加工的便捷性,各榀主桁架采用的材料及結構尺寸一致。為增加剛度,各主要受力構件采用桁架結構。

2.1 掛籃構造

掛籃采用三角形結構掛籃,主梁采用雙根HN600×200 型鋼,立柱采用雙根HN500×200 型鋼,斜拉帶采用δ=40/Q345 鋼板制作而成,并通過銷軸鉸接形成剛架[1]。其結構清晰,受力明確。受力結構圖見圖1。

掛籃底籃前橫梁采用雙根HN400×200 型鋼,后橫梁采用雙根HN400×200 型鋼與[16a組成剛架。底籃縱梁為36支HN350×175型鋼。上前橫梁為雙根H450×200 型鋼及[16a 組成的剛架。采用Φ32的高強精軋螺紋做混凝土澆注受力吊帶；其在安裝、調整、拆卸等工作上較為方便且效果良好。縱橋向單邊掛籃共由12 根后錨錨固在箱梁腹板的豎向預應力墩筋上；前支點放置鋼箱或抗壓混凝土承受澆筑混凝土重(如需軌道支撐懸澆混凝土重,需另行加固)。掛籃行走通過后小車配合軌道使主桁滑動前行,并由4 個千斤頂牽引前行,行走安全方便。底籃行走吊帶為Q345/20×200 mm 鋼板[1]。掛籃結構見圖2、圖3。

圖1 受力結構圖

圖2 掛籃主要構件結構圖一

圖3 掛籃主要構件結構圖二

2.2 掛籃設計

掛籃施工時主要分為前移狀態和澆筑狀態。根據掛籃結構,主要對底籃系統和主桁系統進行建模計算,共進行兩種工況的強度驗算[2]：1) 工況一,掛籃前移；2) 工況二,最重節段混凝土澆筑。整體模型見圖4。

圖4 掛籃受力模型圖

2.2.1 約束條件

一般支承：1)后錨點采用固定鉸支座模擬；2) 前支點采用滑動鉸支座模擬,且考慮橫向線位移限制；3)吊桿在混凝土面的錨固采用固定端模擬。

連接模擬：1)對于鉸接采用釋放梁端的抗彎剛度的方式模擬；2) 對于焊接采用剛體連接, 計算結果中桿端彎矩值偏大；3)對于非接觸點的連接采用剛性連接的方式[3]。

2.2.2 荷載模擬

模型中考慮的荷載有兩種。

1)靜荷載：掛籃自重、模板自重、新澆混凝土自重、臨時支架自重荷載；

2)可變荷載：施工人員及施工機具運輸或堆放的荷載，振搗混凝土時產生的豎向荷載，風荷載。

2.2.3 結構分析結果

1)應力分析

各工況下主要受力構件應力情況見表1。

表1 主要構件應力 MPa

采用極限應力法進行設計,各構件均未超出應力值,滿足要求。

2)剛度分析

根據《公路橋涵施工技術規范(JTG/T F50—2011)》第5.2章節相關規定,計算模板支架等時,只考慮模板、支架自重+新澆筑混凝土、鋼筋、預應力筋或其他圬工結構物的重力+設于水中的支架所承受的水流壓力、波浪力、流冰壓力、船只等的撞擊力+其他可能產生的荷載。剛度計算時將除風荷載外其他可變荷載去除掉,同時去掉組合系數[4]。澆筑時計算剛度見圖5。

根據《公路橋涵施工技術規范(JTG/T F50—2011)》第5.2章節相關規定,掛籃的最大變形(包括吊帶變形的總和)應不大于20 mm[4],最大變形值18.95 mm,滿足規范要求。

掛籃前移狀態剛度見圖6。

掛籃前移時最大變形134 mm,但是應力值在彈性變化范圍內,掛籃前移掛籃剛度不影響施工。

圖5 澆筑狀態掛籃變形圖

圖6 前移狀態掛籃變形圖

3 掛籃施工安全性

3.1 事故的主要原因分析

通常掛籃的設計缺陷分為以下幾類：

1)設計者采用不穩定的結構形式,關鍵部位設計尺寸和選用材料不適當,造成強度不足,忽略了橫向連接桿的作用,造成結構失穩。

2)材料代用不規范：由于制造掛籃的原材料市場缺貨,采用代用材料時,未能與設計者溝通,未按照“以強代弱、以大代小”的原則,對設計意圖理解不透,選用非適用材料代替了原設計掛籃構件,造成構件強度不足。

3)未按設計圖紙要求安裝掛籃構件：如受力構件聯結采用高強螺栓,由于工作失誤將普通螺栓安裝在構件上,掛籃連接銷子未“對號入座”,隨意安裝,使聯接件強度不足,造成事故。

4)技術交底不到位,工人操作失誤：操作工人未進行認真培訓,項目對操作層技術交底不到位,工人對掛籃高空作業和掛籃施工工藝不熟悉,造成操作失誤引發事故。

3.2 掛籃施工安全注意事項

3.2.1 預留孔預埋精度

梁段頂板、底板上的預留孔、預埋件要準確并與水平面垂直,若與底板鋸齒塊相遇,不準改變波紋管的位置或碰上波紋管,鋸齒塊鋼筋先預留,待以后恢復。預留孔周邊應安裝加強鋼筋。掛籃后錨預留孔位置要準確,吊桿下端及扁擔底面用鐵楔塊墊平,上端橫梁上用千斤頂調整,安裝時要有專人下到箱內同時操作。必須做到嚴格細心檢查,確保錨固絕對可靠。掛籃主縱梁錨桿組預留孔預埋位置偏差不得大于10mm,垂直度不得大于5 mm。

3.2.2 掛籃吊帶(吊桿)安裝、拆除

掛籃中橫梁吊點安裝,必須先安裝中間的短吊桿使底模貼緊后,再提升兩側的長吊桿,以保證底板面線型美觀。短吊桿安裝時派人下去配合,確保下面錨固點位置準確,必要時應調整千斤頂小扁擔位置,使吊桿垂直,防止受彎面折斷。同時要防止千斤頂傾斜面自動卸載。調整掛籃前吊桿的標高,應在澆筑混凝土前完成,若掛籃變形過大,也可在混凝土初凝前進行。在混凝土澆筑中,應派人測量觀察模板的變形下撓情況,及時收緊底模短吊桿和抬高前吊桿,防止底模漏漿和水平位移。調整掛籃標高應在施工中不斷總結,盡可能在混凝土澆筑結束前一次完成。采用掛籃懸澆箱梁施工,應嚴格遵守平衡對稱的原則進行,應嚴格控制各澆筑梁段混凝土超方,任何梁段實際澆筑混凝土超方重量不得超過設計要求。脫落底模時,應注意先松后吊桿,再松前吊桿,否則會因底模整勁短吊桿無法卸脫,短吊桿卸下后擱于后下橫梁的懸掛腳手內,并掛上保險千斤,小扁擔梁千斤頂等物均留在原處。掛籃每次懸澆前,均須進行檢查簽證手續。對梁段的中線、高程、塊段高度應加控制。必須檢查全體結構螺栓、焊縫、后錨設備聯結狀態、前后吊桿及橫梁的受力情況。并且要收緊一次吊桿,所有起吊后的吊桿限位螺栓上緊,千斤頂空隙用硬質墊塊抄墊,進行雙保險。

3.2.3 掛籃前移

掛籃前移之前,須清除上、下滑道表面雜物,再涂上黃油,以減少滑動阻力。為了兩側移動平穩,可在下滑道所在頂面上劃每100 mm一格的等分線,讓掛籃等距離同步滑行,兩立柱相差不超過100 mm,對稱兩套掛籃移位應同步進行,其距離不應大于半個梁段長度。掛籃前移要有專人統一指揮,移動前必須在主析桁后端掛好防傾千斤繩,正常情況下千斤繩是不受力的。掛籃就位后,立即將后錨設備裝上并把錨桿上的螺栓擰緊,所有構件處于受力狀態時,才能進行懸臂作業。掛籃的前移由行走機構完成,行走時應在主梁上埋設預埋件用壓板將行走滑梁進行固定。縱向精確定位由止推機構千斤頂完成,控制縱向定位誤差小于15 mm。掛籃主桁的型鋼在使用中注意觀察,防止掛籃扭曲而失穩。

3.2.4 掛籃預壓

為了檢驗掛籃的性能和安全,必須對已經安裝的掛籃進行加載試驗。預壓荷載為掛籃需承受全部荷載的1.05～1.1倍,采用分級加載的方式。通過加載試驗,可以消除結構的非彈性變形,測出結構的彈性變形,為設置預拱度提供數據[5]。加載的方式,可根據現場具體情況選擇堆載預壓或千斤頂反力架、地面對拉等進行加載。

4 結 語

本文對整幅超寬掛籃進行結構分析,總結了超寬橋面掛籃的設計要點及施工過程安全注意事項等,并成功運用。實踐證明該掛籃的設計受力明確,結構合理,能滿足該橋寬的懸澆施工要求,拓展了超寬橋面連續箱梁掛籃懸澆的經驗,從而為同類橋梁掛籃設計與施工提供了參考與借鑒。

[1] 劉鴻文 .材料力學[M].5版.北京：高等教育出版社,2014.

[2] 黃紹金.裝配式公路鋼橋多用途使用手冊[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 陳云輝 . 超寬連續剛構懸臂施工掛籃仿真分析[J]. 西部交通科技,2012(9):35-39.

[4] 中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術規范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5] 交通部第一公路工程總公司.公路施工手冊:橋涵· 下冊[M].北京：人民交通出版社，2000.

Investigation on the Cradle Design and Construction Safety of the Continous Cantilever Beam of Super Wide Deck

MAXiaoxu

2017-01-18

馬曉旭(1980—)，男，遼寧朝陽人，工程師，從事鐵路、公路、市政以及其他工程的施工管理工作。

U445.4

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1008-3707(2017)02-0043-06