某高鐵橋梁掛籃施工方案優化研究

陳廣樹

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

掛籃是懸臂施工中的主要設備，在現階段普遍應用于現澆梁的施工中，尤其是在橋梁墩身較高、跨河流峽谷等工程項目中。掛籃按結構形式可分為桁架式、斜拉式、型鋼式及混合式4種。由于混凝土懸臂施工工藝及設計圖紙對掛籃的要求各有不同，在進行施工方案選擇和確定掛籃形式上有比較大的靈活性。綜合比較各種形式掛籃特點、重量、采用鋼材類型、施工工藝等，在施工過程中重點考慮經濟合理、結構安全、操作便捷的掛籃模式。根據各種掛籃自身特點以及施工過程中的不斷應用，同時伴隨施工掛籃的設計組裝大部分均已實現外包的趨勢，現有掛籃主要以桁架式掛籃為主。桁架式掛籃以自重輕、結構簡單、堅固穩定、前移和裝拆方便、具有較強的可重復利用性，受力后變形小等特點被廣泛應用。在桁架式掛籃使用過程中又以菱形和三角形掛籃使用居多，平行桁架掛籃相對較少。對于斜拉式、型鋼式及混合式桁架只有在一些特定情況下才使用，普通項目施工過程中很難接觸到。

1 工程概況

某高鐵特大橋起訖里程DK74+891.50～DK79+679.40，共146跨，56～59#墩為跨姜夏公路(32+48+32)m連續梁，連續梁一聯全長113.5m(含兩側梁端至邊支座中心各0.75m)；有碴軌道雙線橋面，橋面板寬度12.2m，左右線間距4.6m，防撞墻內側凈寬8.8m，連續梁位于半徑R=9000m的圓曲線上，橋面縱向為0。

連續梁梁體為單箱單室、斜腹板、變高度、變截面結構。箱梁頂寬12.2m，箱梁底寬5.0～5.5m，頂板除梁端為60cm外其余均為40cm；底板厚度40～80cm，按折線變化，其中端支點為60cm；腹板厚48～60～80cm，按折線變化，中支點處腹板局部加厚到145cm。全聯在端支點、中跨跨中及中支點處共設置5道橫隔板，中設孔洞供檢查人員通過。中支點處梁高4.05m，跨中8.4m直線段、邊跨12.95m直線段梁高為3.05m，梁底下緣按二次拋物線變化，邊支座中心線距梁端0.75m。

連續梁部分為31個節段，其中2個0#、1#塊梁段在中墩正上方，長6m采用支架現澆；4個2#～6#梁段為懸臂梁段，采用掛籃懸臂澆注法施工，2#～6#梁段長度為5×3.45m；2個8#梁段長8m采用支架現澆；兩個邊跨合龍段及1個中跨合龍段，合龍段長度均為1.5m。

2 掛籃方案比選

理想的掛籃應從施工安全可靠，施工費用小，施工拼裝進度快、混凝土灌注施工中變形小等特點進行考慮。由于我國工程建筑的特點，施工掛籃大多由施工單位自行開發設計、制造。但是隨著現代施工的精細化過程不斷深入，有專門的掛籃公司根據施工單位的要求承接掛籃的設計、制造和指導安裝工作，極大減輕了施工單位的工作任務。桁架掛籃大致分為兩類。一類是利用型鋼加工焊制的梁作主梁,設計成型鋼加拉索菱形或者是三角形掛籃。該型掛籃一般靠后端行走輪與軌道板上沿的支持力來平衡前端傾覆力矩。這類掛籃具有結構簡單、重量較輕、受力明確、安裝走行方便、拆卸工作量小等優點,已在各種公路大橋和鐵路大橋中廣泛應用。這類掛籃一般只能專用,不能改作他用。另一類是利用常備的萬能桿件設計拼裝成下承式或上承式析架掛籃。這類掛籃采用萬能桿件進行拼裝而成,能夠反復拆卸，通用性好,且剛度大,不足的是自重較大，由于結點較多，則非彈性變形也較大，對于混凝土施工過程中的附加變形不好控制。上述兩類掛籃雖形式不同,構造各異,但其受力原理基本相同。通常將掛籃的主梁安置在已成箱梁的腹板上,主梁懸出一定長度,且在其上安裝垂直或斜拉吊桿帶,吊拉住前托梁及模板系統。灌注混凝土時,掛籃后部用錨桿筋系統或平衡重,防止掛籃傾覆。掛籃走行時,解除錨固系統與掛籃的聯接,依靠主梁錨桿筋或平衡系統平衡空模走行時產生的傾覆力。在進行掛籃施工過程中，對掛籃后部進行臨時固結是整個施工過程中安全施工的關鍵所在。

3 掛籃優化

在本項目施工過程中，對掛籃的技術要求為：適應最大梁段重145t；適應最大梁段長4.0m；梁高變化范圍為3.05～6.65m；最大梁寬：頂板12.2m、底板6.34m；走行方式為無平衡重走行。荷載組合模式：

荷載組合Ⅰ：混凝土自重+動力附加荷載+模板自重+人群荷載和機具設備重；

荷載組合Ⅱ：混凝土自重+模板自重+人群荷載和機具設備重；

荷載組合Ⅲ：掛籃自重+沖擊附加荷載+風載

荷載組合Ⅰ用于掛籃承重系統強度及穩定性計算；荷載組合Ⅱ用于剛度計算；荷載組合Ⅲ用于掛籃行走計算。

箱梁在中截面斷面如圖1所示：

圖1 箱梁分片位置圖

箱梁2#塊荷載計算表:節段梁長L=3.45m，為計算方便，節段梁高變化忽略不計。取沖擊系數K1=1.2，混凝土增大系數K2=1.1，則K=K1×K2=1.32，鋼筋混凝土密度σ=26kN/m3。見表1。

表1 箱梁分片面積及重量表

主桁架對內力進行簡化，其結點荷載為600kN，施加在桁架的最前端，在考慮掛籃最大承重過程中按照荷載組合Ⅰ進行內力相關計算，按照荷載組合Ⅱ進行相關變形計算。主桁架內力與位移結果對比分析如圖2～圖7所示。根據結構位移計算對比發現各支架的位移最大位置相同。標準三角支架最大位移為16.9mm，改進三角形支架的最大位移值為13.5mm，菱形支架的最大位移值為14.6mm，超過三角形支架，可見菱形支架的變形整體更靠前和靠下，在實際施工過程中的變形預留要更大些。應力方面：三角形支架的最大拉應力為102MPa，最大壓應力為98MPa。菱形支架的最大拉應力為102MPa，最大壓應力為109MPa。兩者拉壓的最大值差別均不大，但是最大壓應力出現的位置有差別。三角形支架最大壓應力出現在豎桿位置，菱形支架最大壓應力出現在前端斜支撐桿上。由于斜桿的計算長度較豎桿大，因此更容易產生失穩現象，綜合比較三角形掛籃更合理。

圖2 標準三角形支架結構位移圖

4 結論

通過對兩種形式的掛籃進行內力和變形分析，可以得到以下結論：

圖3 改進三角形支架結構位移圖

圖4 菱形支架結構位移圖

圖5 標準三角形支架結構內力圖

圖6 改進三角形支架結構內力圖

(1)三角形掛籃變形較小，說明結構具有良好剛度。

(2)兩種類型掛籃主結構桿件應力差別不大，但是應力分布差別較大。

(3)菱形掛籃更容易出現參數穩定性問題。

圖7 菱形支架結構內力圖

模型在內力和變形響應方面的研究至此便基本完成，并通過對各自結果的分項分析和各結果之間的比較分析，得到了掛籃荷載受力的一些規律，為以后的繼續研究打下基礎。由于本文的結果是通過有限元數值所得到，故具有一定的局限性，最好通過試驗研究的方法與之進行對比分析，對多余計算結果進行修正，使分析結果更加真實科學。掛籃在實際的比選過程中不光考慮內力和變形因素，還有很多其他方面的因素要考慮。比如三角掛籃的工作面高度小于菱形掛籃，在施工作業過程中可能不太利于機械設備的轉運等等。又比如在掛籃拼裝的難易程度等其他方面也是考慮的一些方面，因此在實際施工過程中應該綜合考慮各個方面，比選出最優方案，同時再根據應力集中部分調整局部構件的尺寸，合理分攤荷載，保證荷載傳遞的可靠性，從而設計出的掛籃更加合理可靠。