50m雙幅上行式移動(dòng)模架靜載試驗(yàn)研究

何曉東 （中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023）

0 前言

移動(dòng)模架作為模架法現(xiàn)澆梁施工的核心設(shè)備，其承載能力和變形幅度直接影響施工安全和施工質(zhì)量。因此在移動(dòng)模架投入使用前必須通過靜載試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。通過靜載試驗(yàn)，可準(zhǔn)確掌握現(xiàn)澆箱梁施工過程中移動(dòng)模架各工況的實(shí)際撓度和剛度，驗(yàn)證移動(dòng)模架的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量，確保設(shè)備正常工作和使用安全；并有效消除結(jié)構(gòu)的非彈性變形，為梁體澆筑預(yù)拱度的設(shè)置提供依據(jù)。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于移動(dòng)模架的試驗(yàn)研究基本是依靠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)施工，但受到試驗(yàn)加載物體重量及分布誤差等因素影響，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)未必能真實(shí)地反映移動(dòng)模架的受力特性。本工程采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的50m雙幅上行式移動(dòng)模架，具有荷載大、風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，常規(guī)的直接靜載試驗(yàn)法難以有效消除靜載試驗(yàn)中的安全風(fēng)險(xiǎn)，難以準(zhǔn)確反映移動(dòng)模架真實(shí)受力特性。為在安全前提下準(zhǔn)確獲取模架實(shí)際受力，該移動(dòng)模架的靜載試驗(yàn)采取先構(gòu)建移動(dòng)模架有限元模型，仿真計(jì)算移動(dòng)模架變形和應(yīng)力的理論值，再根據(jù)理論分析設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)方案，最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析充分驗(yàn)證移動(dòng)模架安全性和可靠性；同時(shí)獲取移動(dòng)模架的彈性變形值為移動(dòng)模架立模標(biāo)高提供參考依據(jù)。

1 基本情況

1.1 工程概況

溫州市域鐵路S1線SG14標(biāo)靈昆特大橋，全長(zhǎng)3366.30m，連接甌江南岸與江中靈昆島。跨甌江段2450m，設(shè)計(jì)為雙幅四線鐵路橋梁，最小曲線半徑1000m，分別由30m跨徑和50m跨徑簡(jiǎn)支箱梁以及多跨連續(xù)梁組成；其中50m雙幅簡(jiǎn)支箱梁共計(jì)31跨。

因靈昆特大橋兩岸為溫州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，居民區(qū)和廠區(qū)密布，無場(chǎng)地設(shè)置預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行箱梁預(yù)制，故簡(jiǎn)支箱梁無法采用常規(guī)預(yù)制鋪架方法施工，只能采取原位現(xiàn)澆施工。但該橋?yàn)榈讟冻信_(tái)，又位于甌江入海口，為強(qiáng)潮海區(qū)，水深水急且潮差大，施工環(huán)境十分復(fù)雜。若采用常規(guī)支架現(xiàn)澆現(xiàn)澆支架施工，風(fēng)險(xiǎn)高難度大且不易控制。

同時(shí)，受征地紅線限制，靈昆特大橋左右幅橋梁幾乎緊貼，左右幅橋梁墩之間距離3.4m，左右幅箱梁翼緣板間距離僅2cm，常規(guī)的單幅上行式或下行式移動(dòng)模架均無法施工。

經(jīng)過詳細(xì)研究、反復(fù)論證后，決定自主研發(fā)50m雙幅上行式移動(dòng)模架新型工裝設(shè)備，采用移動(dòng)模架法進(jìn)行原位現(xiàn)澆施工。

1.2 移動(dòng)模架構(gòu)造

自主研發(fā)的50m雙幅上行式移動(dòng)模架主要由主梁、鼻梁、后支腿、后縱移系統(tǒng)、中支腿、中小車、前支腿、上橫梁、下掛梁、模板系統(tǒng)、橋面軌道、電氣液壓系統(tǒng)及輔助設(shè)施等部分組成，設(shè)計(jì)載荷2800t。該模架采用全液壓自動(dòng)化系統(tǒng)，在模架上加設(shè)固定式混凝土布料機(jī)后，可自主完成箱梁混凝土的澆筑、自行縱移過孔和模板的開合。移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)見圖 1、2、3所示。

圖1 移動(dòng)模架立面圖（單位：mm）

圖2 移動(dòng)模架橫斷面圖（單位：mm）

圖3 移動(dòng)模架三維圖

2 靜載試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 仿真分析

設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)方案時(shí)，采用通用有限元軟件M idas Civil，先對(duì)移動(dòng)模架進(jìn)行靜載試驗(yàn)結(jié)構(gòu)受力仿真分析；然后在仿真分析基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)方案，以提高靜載方案的可靠性，保障結(jié)構(gòu)和人身安全。通過該分析可減少或替代部分試驗(yàn)工作，同時(shí)還可以為箱梁線性控制提供準(zhǔn)確理論和計(jì)算依據(jù)。采用通用有限元軟件MidasCivil進(jìn)行建模分析，移動(dòng)模架有限元計(jì)算模型見圖4、5、6所示。

圖4 移動(dòng)模架主梁計(jì)算模型

圖5 移動(dòng)模架下掛梁計(jì)算模型

圖6 移動(dòng)模架支腿計(jì)算模型

通過仿真計(jì)算得知，最不利工況澆筑工況下移動(dòng)模架主梁最大應(yīng)力218MPa＜295MPa（移動(dòng)模架材料為Q345，設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為 295MPa），主梁最大變形83mm，=91mm；下掛梁最大應(yīng)力 164.4MPa＜295MPa，最大撓度13.6mm＜[f]=7000/400=17.5mm，模架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足要求。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)仿真分析情況，針對(duì)50m雙幅上行式移動(dòng)模架和海上模架預(yù)壓特點(diǎn)，簡(jiǎn)要從荷載設(shè)計(jì)、加載分級(jí)、測(cè)設(shè)類型、測(cè)點(diǎn)布置等方面進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以求全面檢驗(yàn)移動(dòng)模架的穩(wěn)定性、剛度等結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和模板開合、油缸行程等設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

根據(jù)50m雙幅上行式移動(dòng)模架仿真分析情況及靈昆特大橋海上施工環(huán)境，移動(dòng)模架拼裝調(diào)試完成按照梁體自重1.2倍荷載進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)。預(yù)壓采用砂袋和海水進(jìn)行分級(jí)加載及分級(jí)卸荷，真實(shí)模擬箱梁混凝土施工時(shí)移動(dòng)模架的受力。

靜載試驗(yàn)前，布設(shè)應(yīng)力應(yīng)變片和沉降觀測(cè)點(diǎn)，在分級(jí)加載及分級(jí)卸荷時(shí)，同步進(jìn)行受力、擾度及沉降數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，全面檢驗(yàn)移動(dòng)模架的穩(wěn)定性、剛度等力學(xué)性能。靜載試驗(yàn)中，安排人員對(duì)模板開合、油缸行程等情況進(jìn)行觀察，以掌握模架設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

2.2.1 試驗(yàn)荷載

移動(dòng)模架預(yù)壓荷載為最大施工荷載的1.2倍。單幅50m簡(jiǎn)支箱梁混凝土方量為 536.7m3，混凝土容重取 26kN/m3。50m雙幅上行式移動(dòng)模架最大預(yù)壓荷載為：N=536.7×26×1.2×2=33490kN。為能夠準(zhǔn)確模仿移動(dòng)模架施工受力，根據(jù)50m簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)圖紙的梁體結(jié)構(gòu)，預(yù)壓荷載分別在翼緣板、中間箱室、梁端位置進(jìn)行布設(shè)。梁端及翼緣板采用沙袋預(yù)壓，箱梁中部采用水袋加沙袋預(yù)壓。

2.2.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)需要，計(jì)劃采集受力、擾度及沉降數(shù)據(jù)，故設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變片、撓度變形和預(yù)壓沉降三類觀測(cè)點(diǎn)。應(yīng)力應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置于主梁跨中、中支腿、后支腿、上橫梁和下掛梁；撓度變形觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置于主梁、下掛梁處；預(yù)壓沉降觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置于底模、翼緣板。

2.2.3 總體流程

試驗(yàn)準(zhǔn)備（技術(shù)交底、施工組織等）→移動(dòng)模架安裝就位→全面檢查移動(dòng)模架→觀測(cè)點(diǎn)標(biāo)記、布設(shè)→分級(jí)加載→觀測(cè)讀數(shù)、記錄→終值靜置→觀測(cè)、全面檢查→卸載→觀測(cè)結(jié)果整理、分析、評(píng)估→移動(dòng)模架投入使用。

圖7 預(yù)壓分級(jí)加載

圖8 預(yù)壓分級(jí)卸載

3 各類測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3.1 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果，在主梁、上橫梁、下掛梁、中支腿、后支腿等部位上共布置了2個(gè)應(yīng)變花和11個(gè)應(yīng)變片。

3.1.1 主梁跨中處測(cè)點(diǎn)布置

1、2號(hào)應(yīng)變片布置在主梁跨中處，具體位置在主梁內(nèi)部跨中處上翼緣板兩側(cè)，第7根橫梁和第8根橫梁之間。

圖9 主梁應(yīng)變片布置圖

3.1.2 中支腿處測(cè)點(diǎn)布置

1、2號(hào)應(yīng)變花對(duì)稱布置在主梁內(nèi)部位于中支腿上方的加強(qiáng)橫梁腹板處（靠近底板），在移動(dòng)模架前進(jìn)方向一側(cè)；3、4號(hào)應(yīng)變片對(duì)稱布置在中支腿下部腹板處，在移動(dòng)模架前進(jìn)方向相反側(cè)。

圖10 中支腿應(yīng)變片布置圖

3.1.3 后支點(diǎn)測(cè)點(diǎn)布置

5、6號(hào)應(yīng)變片布置在后支點(diǎn)支腿處，對(duì)稱布置在兩個(gè)支腿立柱底部側(cè)板處(在移動(dòng)模架內(nèi)側(cè))。

圖11 后支腿應(yīng)變片布置圖

3.1.4 上橫梁、下掛梁測(cè)點(diǎn)布置

7、8號(hào)應(yīng)變片分別對(duì)稱布置在第7根上橫梁中間的兩個(gè)對(duì)稱豎桿處，9、10、11號(hào)應(yīng)變片分別布置在第7根下掛梁的上蓋板處，且10號(hào)片靠近下掛梁中間聯(lián)接處，9號(hào)、11號(hào)片位于兩側(cè)對(duì)稱位置；均布置在移動(dòng)模架前進(jìn)方向一側(cè)。

3.2 沉降觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

沉降及撓度變形觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置于主梁、下掛梁和翼緣板處，主梁、翼緣板按5個(gè)觀測(cè)斷面布置，分別設(shè)置在兩端、1/4跨、1/2跨、3/4跨位置；下掛梁觀測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在兩側(cè)和中間位置，翼緣板觀測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在兩側(cè)翼緣板及中間翼緣板上。

觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在固定并凸起的位置，并采用白色油漆標(biāo)示明確，并標(biāo)明點(diǎn)號(hào)。預(yù)壓加載過程中，注意保護(hù)觀測(cè)點(diǎn)不被破壞或覆蓋，以便觀測(cè)需要。

圖12 第7根上橫梁應(yīng)變片布置圖

圖13 第7根下掛梁應(yīng)變片布置圖

4 靜載試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

①移動(dòng)模架拼裝完成，并進(jìn)行模架的開合模空載試運(yùn)行，檢驗(yàn)電器、液壓系統(tǒng)的同步性、穩(wěn)定性是否正常；

②組織相關(guān)人員對(duì)模架進(jìn)行整體驗(yàn)收，確保移動(dòng)模架各構(gòu)件連接質(zhì)量、模架整體結(jié)構(gòu)尺寸、穩(wěn)定性滿足要求；

③監(jiān)測(cè)單位完成移動(dòng)模架各項(xiàng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)備工作，調(diào)試設(shè)備，確保正常；

④完成下掛梁、模板、主梁等各處各類觀測(cè)點(diǎn)布置，人員及測(cè)控設(shè)備組織到位；

⑤移動(dòng)模架預(yù)壓材料，各種機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備到位，施工人員組織到位。

4.2 試驗(yàn)步驟

第一步：預(yù)壓前，對(duì)已完成拼裝的移動(dòng)模架進(jìn)行檢查驗(yàn)收，全面檢查移動(dòng)模架的各個(gè)受力部位，確保移動(dòng)模架的每一個(gè)受力構(gòu)件均處于正確狀態(tài)；

第二步：將移動(dòng)模架主梁和模板調(diào)整到箱梁施工時(shí)的設(shè)計(jì)標(biāo)高及平面位置；

第三步：在移動(dòng)模架主梁頂面上標(biāo)記觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)量各點(diǎn)預(yù)壓前的標(biāo)高值，并填寫測(cè)量記錄，頻譜儀自動(dòng)同步量測(cè)記錄應(yīng)力應(yīng)變初始數(shù)據(jù)；

第四步：分級(jí)加載，測(cè)量各點(diǎn)標(biāo)高，并隨時(shí)觀察移動(dòng)模架各部位有無異常變形，并填寫測(cè)量記錄，頻譜儀自動(dòng)同步量測(cè)記錄應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

第五步：滿載后，仔細(xì)檢查移動(dòng)模架各個(gè)受力部位，并靜置至少24h，每4h觀測(cè)一次各點(diǎn)標(biāo)高，累計(jì)變形值不大于2mm，即可認(rèn)為穩(wěn)定，此時(shí)可以卸載，并填寫測(cè)量記錄，頻譜儀自動(dòng)同步量測(cè)記錄應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

第六步：分級(jí)卸載，并填寫測(cè)量記錄，頻譜儀自動(dòng)同步量測(cè)記錄應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

圖14 左幅主梁撓度-荷載曲線圖

第七步：整理、分析各類量測(cè)的數(shù)據(jù)，分析評(píng)價(jià)移動(dòng)模架性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求；根據(jù)沉降數(shù)據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整模板標(biāo)高。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.1 擾度與荷載

圖15 右幅主梁撓度-荷載曲線圖

經(jīng)移動(dòng)模架預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)，移動(dòng)模架主梁的最大結(jié)構(gòu)變形約80mm，與仿真計(jì)算的最大變形值83mm，基本吻合。

5.2 擾度與荷載

移動(dòng)模架預(yù)壓試驗(yàn)工況下，50m跨砂袋、水袋全部預(yù)壓完成后，對(duì)移動(dòng)模架的主要部件進(jìn)行檢測(cè)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值詳見下表。

各測(cè)點(diǎn)的理論值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖見圖16。

移動(dòng)模架靜載試驗(yàn)主要關(guān)鍵點(diǎn)結(jié)構(gòu)總應(yīng)力值

圖16 各測(cè)點(diǎn)理論值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖

由上表及圖16可知：實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值基本吻合。

6 試驗(yàn)總結(jié)

通過移動(dòng)模架有限元仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，比較靜載試驗(yàn)各工況下移動(dòng)模架應(yīng)力和變形的理論計(jì)算值和試驗(yàn)值得出：移動(dòng)模架彈性變形和應(yīng)力計(jì)算變化值和試驗(yàn)值基本趨勢(shì)一致，靜載試驗(yàn)工況下，移動(dòng)模架各部件最大應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度值（移動(dòng)模架材料為Q345，設(shè)計(jì)強(qiáng)度值為295MPa），主梁最大變形滿足規(guī)范要求，故模架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語

該移動(dòng)模架的靜載試驗(yàn)，采取先構(gòu)建移動(dòng)模架有限元模型，仿真計(jì)算移動(dòng)模架變形和應(yīng)力的理論值，再根據(jù)仿真分析設(shè)計(jì)靜載試驗(yàn)方案，最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析充分驗(yàn)證移動(dòng)模架安全性和可靠性；有效解決了移動(dòng)模架靜載試驗(yàn)的安全性和可靠性難題，為類似結(jié)構(gòu)的靜載試驗(yàn)提供了有益的借鑒。