狼沖口特大橋菱形掛籃施工計算分析

吳剛剛

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

隨著交通網絡興起和現代橋梁施工技術快速發展，大跨徑的橋梁修建已逐步成為建設交通樞紐和促進經濟發展的重要環節。對于預應力鋼筋混凝土連續箱梁，其主梁通常采用掛籃懸臂澆筑施工工藝，不僅具有良好的整體性，還因跨越了河流和深谷等障礙物取得較好的經濟性。

1 基本概況

1.1 工程概況

狼沖口特大橋為貫通廣西梧州至柳州高速公路的第一座特大橋，其主橋上部采用(55+100+55)m三跨預應力混凝土連續箱梁。箱梁斷面為單箱單室截面，橋寬度為12.75 m，梁頂寬度為12.75 m，梁底寬度為6.75 m，翼緣板寬度為3 m，腹板厚度為500～1 300 mm，底板厚度為450～1 150 mm。

1.2 掛籃結構的選型

按照構造結構和受力特點，掛籃大致分為以下幾種類型[1]：桁架式掛籃、斜拉式掛籃以及復合式掛籃，其中桁架式掛籃較為常用。而桁架式掛籃依據承重主桁架的不同構造形式又可分為平行桁架式掛籃、三角式掛籃以及菱形掛籃等。其中，菱形掛籃具有穩定性良好[2]、作業面開闊[3]以及適用性強等優勢，被廣泛用于橋梁建設施工。

2 菱形掛籃結構

2.1 基本結構及工作原理

菱形掛籃通常包括菱形桁架、吊掛系統、走行系統、模板系統及張拉操作平臺5個部分[4]。主桁架結構屬于菱形桁架，其由5根受力桿件組成。在施工過程中，前懸臂端與底籃通過分配梁垂直懸吊。

菱形掛籃結構的工作原理：(1)翼緣板混凝土與外側模桁片的重量由外滑梁的前后吊帶支撐，接著傳至前一塊段相鄰的箱梁頂板與前上橫梁；(2)菱形掛籃結構頂板混凝土與內箱模板的重量，由內滑梁的前后吊帶承受，然后傳至前一塊段相鄰的箱梁頂板與前上橫梁；(3)腹板、底板的混凝土以及底模平臺的重量由前后下橫梁的吊帶承擔，緊接著將荷載重量傳至前一塊段相鄰的箱梁底板與前上橫梁。

2.2 掛籃拼裝與拆卸

掛籃安裝與拆卸流程如圖1所示。掛籃各構件運至現場后，使用塔式起重機配合人工進行掛籃拼裝，各構件進場后要嚴格驗收和檢查。

圖1 掛籃安裝與拆卸流程圖

3 菱形掛籃結構主要施工工藝

3.1 掛籃預壓測試

掛籃預壓主要針對主桁梁、立柱、斜拉帶體系進行加載試驗，驗算其在荷載作用下的強度及剛度穩定性，預壓方案如圖2所示，在平整地面對拼菱形主桁承重系統，掛籃后橫梁對拉32精軋螺紋鋼，在主桁支點下用工鋼焊接成板凳模擬掛籃受力時支點，通過在掛籃前吊點處位置設置液壓千斤頂的方式進行加載。加載等級按計算荷載的50%、100%、110%分三次進行加載，達到設計荷載后，扭緊螺帽持荷24 h，檢查最終撓度，合格后分級卸載。

圖2 掛籃主桁承重架預壓示意圖

3.2 掛籃懸澆施工

對于掛籃懸澆施工過程中的鋼筋綁扎，應依次遵循先底板、再腹板及后頂板的順序進行，而在這些過程之前要確認安裝和調整好模板。混凝土養護7 d并符合試壓要求標準后即可張拉，順序為：縱向預應力束的張拉→張拉橫向預應力束→加工豎向的應力筋。

預應力束張拉并壓漿完成后，即可松動掛籃吊桿，使掛籃底板離開箱梁底200 mm，這時即可將掛籃前移至下一塊段。施工順序為：菱形掛籃就位→提升底籃并調整標高→綁扎箱梁底板和腹板鋼筋→內模就位→綁扎箱梁頂板、翼板鋼筋→澆注混凝土→混凝土養護至設計張拉強度→掛籃卸掛與前移就位，進行下一塊段施工。

3.3 預應力施工

狼沖口特大橋選用大跨度的連續箱梁結構，采用了縱向、橫向以及豎向三個方向的預應力體系，縱向預應力鋼束和豎向預應力鋼束分別采用低松弛鋼絞線和PSB830螺紋鋼，標準強度分別為1 860 MPa和830 MPa，彈性模量為1.95×105MPa，其它技術要求均要滿足GB5224的規定。豎向預應力管道采用直徑40 mm金屬波紋管，張拉力的設計值取346.3 kN。縱向預應力束在橫向斷面上應對稱張拉，同時每根鋼束應兩端對稱張拉。

豎向預應力鋼束采用一端張拉方式進行預應力張拉。在張拉過程中，統一斷面的單箱兩個腹板鋼筋必須同時、對稱張拉。張拉結束后，采用切割機割去多余部分，而割后露出螺母以上應滿足長度≥30 mm。豎向精軋螺紋鋼筋張拉程序：0→初應力→σcon(持荷5 min)→0→σcon(錨固)。

3.4 壓漿與封錨

在完成孔道壓漿這道工序之前，為了杜絕冒漿現象的發生必須要填封孔洞。此外，采用壓縮空氣并結合中性洗滌液反復沖洗管道，直到完全去除這些微小的顆粒。最后，順延著漿體流動的方向逐一封閉出氣孔，保證注入管在壓力下封閉直到壓漿劑凝固。

在壓漿完畢之后適時進行下一步的封錨工作，采用封閉方式并遵循設計規程對錨固段進行保護處理。箱梁的端部混凝土進行鑿毛之后需保證一定的清潔程度，在進行封錨施工過程中，不僅要求選用與該結構相同強度的混凝土，而且應保證梁體長度控制在一定的尺寸范圍之內。

4 荷載計算及模型建立

4.1 基本參數及模型

該菱形掛籃結構材料參數均按《鋼結構設計規范》(GB 50017-2003)[6]取值，泊松比μ=0.3。混凝土容重取26 kN/m3，模板取2.0 kN/m2，人群及施工機具堆放荷載取2.5 kN/m2，而振搗機沖擊荷載取2.0 kN/m2。采用Midas Civil建立計算模型如圖3所示：

圖3 菱形掛籃結構計算模型圖

取最不利工況1#節段作為最重塊段驗算和最不利工況6#節段作為最長塊段驗算掛籃結構的承載力和穩定性。設計基本參數和荷載組合分別如表1和表2所示：

表1 掛籃設計基本參數表

表2 不同的荷載工況組合形式表

4.2 1#塊荷載計算及驗證

4.2.1 底籃計算

(1)底籃縱梁計算荷載如表3和表4所示。

(2)底籃平臺模型受力分析

中縱梁采用Ⅰ32a截面，一只掛籃需要采用16根Ⅰ32a工字鋼。計算中采用程序自帶Ⅰ32a截面，利用其截面特性調整系數功能對截面特性及自重等幾何性質進行修正，使之與原截面相同，按16根Ⅰ32a工字鋼參與計算，6根中縱梁，10根邊縱梁，見圖4。

表3 底籃中縱梁受力分析(1#塊箱梁底板)表

表4 底籃邊縱梁受力分析(1#塊箱梁腹板)表

注:上述計算分析均為模型中單根縱梁分配的荷載。

(a)底籃平臺彎應力

(b)底籃平臺剪應力

由圖4可知：底縱梁最大彎應力為：93.1 MPa<215 MPa，最大剪應力為：14.3 MPa<125 MPa，均滿足強度要求。

圖5 底籃平臺撓度值示意圖(mm)

由圖5可知：底籃平臺最大撓度為27.6 mm，滿足規范及設計要求。

4.2.2 掛籃主桁架計算

(1)掛籃主桁構件強度、穩定性分析

菱形單榀主桁架結構為5根桿件的平面桿系，外部除下軒桿采用2[40b截面，其余3根外部桿件采用2[36b截面，內部斜腹桿采用2[25b截面。

圖6 組合正應力(彎矩+軸力)示意圖(MPa)

由圖6可知，組合正應力最大為177.4 MPa<215 MPa，驗算彎曲容許應力取1.4的提高系數[7]，即取145×1.4=203 MPa。

(2)主桁豎向變形

圖7 主桁變形示意圖(mm)

由圖7可知：安裝吊桿處下撓16.4 mm，符合規范及設計要求。

(3)主桁內力計算

掛籃主桁施工荷載組合條件下內力如圖8～9所示。

圖8 主桁架桿件軸力示意圖

主桁架軸力最大為1 403 kN，單片主桁后錨最大反力為674.9 kN、前支點反力為1 286.3 kN，均滿足規范和設計要求。

圖9 主桁架錨固點反力示意圖

4.3 6#塊荷載計算及驗證

4.3.1 底籃計算

(1)縱梁計算分析

6#塊底模縱梁和底籃邊縱梁的計算強度荷載和計算剛度荷載與1#相同，在此不做贅述。

(2)底籃平臺模型受力分析

6#塊中縱梁選用的截面形式與1#塊相同。單根邊縱梁采用5根Ⅰ32a工字鋼，圖10示出10根邊縱梁。

(a)底籃平臺彎應力

(b)底籃平臺剪應力

由圖10可知：底縱梁最大彎應力為：85.8 MPa<215 MPa，最大剪應力為：14.8 MPa<125 MPa，均滿足強度要求。

圖11 底籃平臺撓度值示意圖(mm)

由圖11可知：底籃平臺最大撓度為29.6 mm，滿足規范及設計要求。

4.3.2 掛籃主桁架計算

(1)掛籃主桁構件強度、穩定性分析

圖12 組合正應力(彎矩+軸力)示意圖(MPa)

由圖12可知，組合正應力最大為190.3 MPa<215 MPa，按照壓彎桿件進行驗算，驗算彎曲容許應力按規范對臨時結構取1.4的提高系數[7]，即取145×1.4=203 MPa。

(2)主桁豎向變形

圖13 主桁變形示意圖(mm)

由圖13可知，安裝吊桿處下撓16.4 mm，符合規范及設計要求。

(3)主桁內力計算

掛籃主桁施工荷載組合條件下內力如圖14～15所示。

圖14 主桁架桿件軸力示意圖

主桁架軸力最大為1 403 kN，單片主桁后錨最大反力為674.9 kN、前支點反力為1 286.3 kN，均滿足規范和設計要求。

圖15 主桁架錨固點反力示意圖

5 結語

(1)基于Midas Civil有限元計算模型分析可得，連續箱梁1#節段和6#節段的底籃平臺彎應力和正應力均滿足規范要求，且最大撓度小于撓度設計值，進一步驗證了模型的穩定性和計算方法的正確性。

(2)連續箱梁1#節段和6#節段的主桁架的豎向變形和軸向力均在設計規范要求的范圍之內，因此本文建立的掛籃結構計算模型受力合理、結構安全。

[1]袁衛國.菱形掛籃設計改良與施工技術研究[D].廣東：華南理工大學，2012.

[2]方淑君，楊 耀，阮 翔，等.三角形掛籃和菱形掛籃有限元對比分析[J].公路工程，2017，42(1)：55-59.

[3]鄒政權，金立陳.菱形掛籃施工設計及受力性能分析[J].北方交通，2015，(10)：28-31，36.

[4]游 柯.探討菱形掛籃懸臂澆筑施工技術在橋梁工程中的應用[J].科技創新與應用，2014(6)：209-210.

[5]JTG/TF50-2011，公路橋涵施工技術規范[S].

[6]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[7]JTJ025-86，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范[S].