超大懸臂箱梁的施工掛籃構造設計及受力分析

丁延書 羅 浩 宋旭明 賴明苑

1. 中交第一公路工程局有限公司 北京 100024；2. 中南大學土木工程學院 湖南 長沙 410075

矮塔斜拉橋是一種介于連續（剛構）梁橋與斜拉橋之間的橋型，與連續梁橋相比，具有結構新穎、跨越能力大、施工簡單、經濟等優點；與斜拉橋相比，具有施工方便、節省材料、主梁剛度大等優點。由于矮塔斜拉橋塔矮、梁的剛度較大，對控制塔頂水平位移及梁的變位較為有利，在150～350 m跨徑的橋梁中極具競爭力，近年來受到國內外工程技術人員的廣泛關注[1-2]。

溫州甌江特大橋為三塔四跨預應力混凝土矮塔斜拉橋，采用塔、梁、墩固結-剛構體系。主橋全長710 m，孔徑布置為140 m＋2×225 m＋120 m。主梁采用變高度斜腹板單箱三室斷面，頂板寬36.0 m，懸臂長7.0 m。跨中梁高3.8 m，根部梁高6.8 m。懸臂板下設置加勁挑梁，間距3～4 m。甌江特大橋橋面寬、懸臂大，節段最大質量達460 t，對懸澆過程中施工掛籃的強度、剛度和穩定性均提出了極高的要求。為了確保施工過程的安全，在掛籃方案選擇、構造細節優化等方面都進行了相關研究和探討。

1 大懸臂箱梁掛籃方案選擇

掛籃通常由主桁架系統、懸吊及錨固系統、模板系統、底平臺系統、走行系統以及操作平臺等附加系統組成。掛籃設計的主要控制指標為掛籃的總用鋼量與最大塊件質量之比值K。K值一般控制在0.3～0.5，K值越低，表示掛籃承重構件的受力越合理，使用材料較節省。由于掛籃結構的優化和掛籃材料的可選性越來越大，近年來掛籃質量呈不斷下降的趨勢[3-5]。

矮塔斜拉橋主梁支點及跨中均存在較長的無索區，常規斜拉橋采用的前支點掛籃不適合采用。目前國內常用的菱形掛籃和三角掛籃均具有結構簡潔、受力明確、整體剛度大、移動方便等優點[6-8]，因此，對這2種掛籃形式進行了方案比選。菱形掛籃是在平行桁架式掛籃的基礎上簡化而來的，其上部為菱形，前面的伸臂作為底模平臺和側模前移的滑道，菱形結構后端錨固于箱梁頂板，無平衡壓重，對后續節段施工過程干擾少，受力合理，自重較輕。三角形掛籃與菱形掛籃相比結構簡單、拆裝方便，降低了前橫梁高度，掛籃重心位置也大大降低，增加了掛籃走行時的穩定性和前吊帶長度，但立柱受力較大[9]。考慮到菱形掛籃對施工過程的干擾少、構件受力合理等特點，甌江橋選用了菱形掛籃（圖1）。

圖1 掛籃立面布置

甌江特大橋箱梁共設4道腹板，每道腹板處均布置1片掛籃主桁架。由于箱梁懸臂長度達7.0 m，如采用普通的前上橫梁將很難滿足剛度要求，掛籃設計過程中分別考慮了采用斜拉式橫梁和桁架式橫梁2種方式。斜拉式橫梁構造簡單，用料較省，但是在施工過程中重心高，穩定性不容易保證，最終選擇了桁架式前上橫梁作為實施方案（圖2）。

圖2 掛籃斷面布置

2 掛籃構造設計

2.1 主桁架系統

主桁片是由普通熱軋槽鋼組成的□40 mm×30 mm×16 mm方形截面桿件。菱形桁架桿件和箱體分開制作，在工廠焊接成組焊件，節點采用銷接。桁架運輸到現場后，根據現場吊裝設備能力大小，既可以組拼成整體后吊裝到位，也可以根據組裝順序分開吊裝到位。

2.2 懸吊系統

懸吊系統包括前上橫梁、滑梁、吊帶。前上橫梁為型鋼組拼形成的桁架結構，通過吊帶與底平臺連接。主橫梁為雙拼56b#工字鋼，加強桁架為雙拼32b#槽鋼。滑梁也為型鋼結構，通過連接吊桿與前上橫梁及已澆筑混凝土箱梁頂板連接。懸吊裝置主要由吊桿、吊具和T形吊架等部分組成。吊桿采用φ32 mm高強精軋螺紋筋（后錨點）或者鋼板吊帶（除后錨點）。由于連續梁為變截面不等高梁，為了保證吊桿的垂直受力，避免受彎折破壞，在吊桿和下橫梁的連接處專門做了保證節點可以轉動的連接轉換構件T形吊架。

2.3 錨固系統

后錨由扁擔梁、錨桿、螺帽、墊塊等部分組成，上端通過扁擔梁錨于主梁尾部，下端通過精軋螺紋鋼錨固于已澆筑箱梁上，后錨采用在頂板和翼緣板上預留孔錨固。單片掛籃主桁的后錨共設6根φ32 mm精軋螺紋鋼。

2.4 模板系統

掛籃模板系統由內模、外側模、底模組成。內模采用木模，其余均采用鋼模板。外模由型鋼和大塊平面鋼模板組成桁架式模板，翼緣懸臂模板和腹板外側模為一個整體，并采用斜撐加強。底模架的縱梁采用HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，底模架的前后橫梁由2根45b#工字鋼組焊而成，掛籃的前后吊點均設在前后橫梁上。前橫梁設14個吊點，其中4個為外模走行梁前吊點，10個為底模前吊點。后橫梁設10個吊點，其中8個固定在底板上，2個固定在箱梁翼緣板上。

2.5 走行系統

整個桁架結構支撐在由型鋼加工而成的前支點、后支點上，每組主梁的支點下設一套走行系統。走行系統包括行走軌道、滑座、吊掛滾輪、軌道壓梁、軌道墊梁等。每組主梁通過1根φ32 mm精軋螺紋鋼將前端錨固于行走軌道上，后端采用600 t穿心式千斤頂施加反力推動掛籃前移。

3 掛籃結構計算和受力分析

利用Midas Civil有限元軟件建立掛籃結構的空間有限元計算模型（圖3）。通過建立的三維有限元模型，分別對施工過程中的混凝土澆筑工況和掛籃行走工況進行計算，得到各構件的內力、應力及變形，并依照相應規范進行結構的強度和剛度校核。

圖3 掛籃有限元計算模型

根據梁段長度、質量、梁高等參數，按以下2種工況進行計算：

1）1#梁段混凝土灌注工況，此工況梁段高度最大、混凝土質量較大。

2）3#梁段混凝土灌注工況，此工況梁段長度最大、混凝土質量最大。

懸澆階段主要桿件最不利工況計算結果如表1所示。

表1 懸澆階段掛籃計算結果

從表1可以看到，懸澆階段掛籃各構件應力均在規范容許范圍內，掛籃抗傾覆安全系數為3.13，也滿足規范要求。雖然箱梁懸臂達7.0 m，但由于前上橫梁加設了輔助桁架，故其應力、變形都能控制在規范容許范圍內。

掛籃行走時，前端通過前吊帶、滑梁吊桿把底籃、翼板模板吊在前上橫梁；后端通過外滑梁吊住后下橫梁，翼板、頂板模板后端錨固于己澆筑完的箱梁上。行走過程中后下橫梁兩端精軋鋼最大跨徑為23.2 m，中間由2根底托梁托住。內外滑梁為一簡支梁，隨掛籃的行走跨徑不斷變化。內滑梁支承頂板模板、外滑梁支承側模。掛籃行走工況主要構件檢算結果如表2所示。

表2 掛籃行走工況計算結果

從表2可以看到，掛籃行走階段各構件應力均在規范容許范圍內，抗傾覆安全系數為3.51，滿足規范要求。

掛籃在懸澆過程中的最大變形為17.8 mm，小于規范容許值20 mm。值得注意的是，懸澆過程中掛籃后錨桿受力較大，長度達2.5 m，其受力后產生的拉伸變形將使得掛籃主桁架繞前支點轉動，桁架前端將產生較大的位移量。甌江特大橋掛籃考慮后錨桿的變形后，桁架前端的豎向位移量增大了約45%，對結構剛度的檢算有重要影響。此外，計算表明，如果掛籃后錨桿沿縱向布置比較分散，還應考慮各錨桿縱向位置對其受力的影響，避免出現各錨桿受力不均而使得某些錨桿受力過大失效的現象。

菱形掛籃前吊帶較長，甌江特大橋掛籃吊帶上下端的豎向位移差約為4 mm，調整吊帶位置使各吊帶受力均勻并加大吊帶截面尺寸也是控制掛籃整體剛度的重要手段。甌江特大橋采用了120 mm×50 mm和120 mm×40 mm這2種吊帶形式。

甌江特大橋掛籃總質量約170 t，掛籃的總用鋼量與最大塊件質量之比K為0.37，掛籃的承重構件設計合理，使用材料較節省。施工過程中實測掛籃最大彈性變形為18.6 mm，與設計值吻合良好。

4 結語

矮塔斜拉橋大懸臂箱梁對施工掛籃的強度、剛度和穩定性要求極高，甌江特大橋在掛籃設計過程中通過多方案比選和對構件尺寸的優化，取得良好的應用效果，可為同類型橋梁施工提供參考。在大懸臂箱梁施工掛籃的設計過程中，以下幾方面應引起重視：

1）菱形掛籃對后續節段施工過程干擾少，受力合理，自重較輕；三角形掛籃結構簡單，拆裝方便，重心低，行走過程中穩定性好。實際施工過程中應根據工程特點進行綜合比選以確定合適的掛籃方案。

2）在前上橫梁下加設輔助桁架，可有效地加大其承載能力和剛度，滿足大懸臂箱梁節段在澆筑過程中前上橫梁的應力和變形要求。

3）在掛籃剛度檢算過程中，必須注意后錨桿受力后產生的拉伸變形引起的桁架前端位移量，避免施工過程中掛籃變形過大而影響結構成橋線形和出現初始缺陷。

4）若掛籃后錨桿沿縱向布置間距比較分散，應考慮其縱向位置對受力的影響，避免因各錨桿受力不均而使得掛籃錨固失效的情況發生。