某連續剛構橋三角掛籃受力性能及施工要點分析

張建福

(福建第一公路工程集團有限公司，泉州 362000)

近年來，隨著經濟發展，我國公路交通網日趨發達。跨河、跨山谷的高墩大橋不斷涌現，其中，預應力混凝土連續梁橋是最常見的一種橋梁形式。 預應力混凝土連續梁橋的施工方法有很多種，而懸臂澆筑法在節約工期，加快施工進度方面體現出較大的優勢，因此得到廣泛應用。

目前， 掛籃懸臂施工相關研究主要集中于掛籃的施工工藝方面[1-4]，對掛籃的空間受力性能分析研究相對較少。 王先宏等[5]以某預應力混凝土連續梁橋為例，通過有限元分析了三角掛籃在三種工況下的受力性能， 并對不合理的構件參數進行優化設計。田昱峰[6]針對一公路特大橋懸灌施工掛籃結構主桁架的強度、 剛度及穩定性進行驗算，確保施工過程的安全問題。 覃錕等[7]采用有限元軟件分析了某連續剛構橋舊三角掛籃，對其進行性能評估。韓春光[8]針對大風區域橋梁施工過程情況，量化了三角掛籃在14 級和16 級臺風荷載作用下的力學性能， 并提出了相應的加固措施， 提高了三角掛籃在強風荷載下的工作性能。徐暢[9]以京石鐵路客運專線跨盧溝橋南路橋為工程背景，對施工用三掛籃進行力學分析，并對施工過程中橋梁線性監控進行了探討。

掛籃作為懸臂澆筑施工的主要設備， 其受力性能和施工質量關系到橋梁施工過程的安全問題， 當采用新的掛籃形式時，有必要根據實際工程情況進行分析。本文以龍海市某城市跨江橋梁為研究背景，通過建立數值模型，對三角掛籃施工進行分析，降低施工過程風險，并為同類型橋梁施工提供參考。

1 工程概況

本工程為龍海市某跨江大橋，左右幅按等孔設計，起訖里程樁號為K0+302.5～K1+058.5，全長756 m；其孔跨布置為[5×30+5×30+(35+2×55+35)+5×30+4×30]m， 其中(35+2×55+35)m 四跨為PC 變截面連續剛構主橋， 由上、下行分離的兩個單箱單室箱型截面組成。其余30 m 跨為裝配式預制預應力鋼筋混凝土連續箱梁。

主橋上部結構為(35+2×55+35)m 四跨預應力混凝土連續剛構箱梁， 左右幅采用單箱單室變截面箱梁連續結構，0# 節段長11 m，1～6# 節段每段長3.5 m，邊、中跨合攏段長2.0 m，邊跨現澆段長6.5 m。箱梁根部梁高3.5 m，跨中及邊跨直線段梁高2.0 m， 箱梁根部底板厚60 cm，跨中底板厚28 cm，箱梁高度及箱梁底板厚度按2.0 次拋物線變化，箱梁頂板厚度28 cm；箱梁腹板根部厚70 cm，跨中厚40 cm， 箱梁腹板厚度從根部至跨中在兩個節段內按直線段變化，由根部厚70 cm 變至跨中厚40 cm；箱梁頂板寬13.75 m， 底板寬7.0 m， 兩側翼緣板懸臂長度3.375 m，懸臂板端部厚18 cm、根部厚70 cm，箱梁頂設有2%的橫坡，箱梁底板保持水平，腹板保持鉛垂，通過調整兩腹板的高差，實現頂板的單向橫坡。

2 三角掛籃受力分析

2.1 三角掛籃組成

本橋懸臂段采用的三角掛籃是根據橋梁設計特點和掛籃噸位限制(掛籃+模板不得超過80 t)的要求進行選用的。 單個掛籃自重40.512 t，內、外模板系統自重10.34 t。其中中跨1 號塊長3.5 m，重112.92 t，為掛籃施工的檢算控制因素和施工重點。本三角掛籃由三角形主構架、底模平臺、內外模板、懸吊系統、錨固系統及走行系統6 大部分組成。 其結構示意圖如圖1 所示。

圖1 掛籃正面圖

2.2 數值模型的建立

采用MIDAS 軟件建立空間有限元模型，桁架構件及橫梁等均采用梁單元模型，吊桿采用僅受拉梁單元模擬。

(1)荷載取值

澆筑梁段的最大重量112.92 t； 施工機具及人群荷載：2.5 kN/m2； 振搗系統產生的振搗荷載：2.5 kN/m2；掛籃+模板自重荷載：50.572 t；風荷載：風荷載取1 kN/m2(設計風速25 m/s，按10 級風力考慮)。

(2)荷載系數

混凝土超載系數：k1=1.05； 澆筑砼時的動力系數k2=1.2；掛籃空載走行時的沖擊系數k3=1.3；混凝土澆筑和掛籃走行時的抗傾覆穩定系數為2.0。

(3)荷載工況

荷載組合共分為四種情況， 分別用于不同構件的強度、剛度及穩定性驗算。 荷載分析工況見表1。

表1 荷載分析工況

2.3 掛籃組成構件受力分析

2.3.1 底模縱梁

底模縱梁包括腹板下縱梁和底板下縱梁。 兩者均采用單根I40a 型工字鋼， 按簡支梁均布荷載進行計算，計算跨徑取下橫梁間距5.6 m。 其中，腹板下縱梁兩端支撐在底橫梁上，按間距50 cm 布設，每側鋪設2 根；底板下縱梁按間距93 cm、94 cm、98 cm、98 cm、94 cm、93 cm 布設5 根。 由于底板受力較小， 文中僅給出腹板下縱梁MIDAS 分析結果，如圖2 所示。

圖2 腹板下縱梁分析結果

從圖中可以看出， 梁中最大彎矩為130.65 kN·m，計算得最大應力119.86 MPa，小于容許應力215 MPa；最大剪力為84.66 kN， 計算最大剪應力為23.44 MPa， 小于125 MPa，滿足強度要求。 同時計算得最大撓度為5.3 mm，小于l/400(14 mm)，剛度滿足要求。

2.3.2 底模下橫梁

底模下橫梁包括前下橫梁和后下橫梁， 均采用2 根I45a 型工字鋼組焊而成，受底模縱梁傳遞的集中荷載，且前下橫梁受力小于后下橫梁。因此，文中圖3 僅給出后下橫梁計算結果。

圖3 后下橫梁分析結果

根據圖中最大彎矩和剪力分別計算得到下橫梁中最大的正應力和剪應力分別為48.9 MPa、22.7 MPa，均小于容許應力值。 同時計算得到最大撓度為1.68 mm，小于l/400(19 mm)，剛度滿足要求。

2.3.3 外滑梁

外模滑梁共兩根，采用2 根[36a 型槽鋼，頂面用20 mm 厚鋼板連接， 中間設50 mm 吊縫， 形成組合矩形截面，長度12 m；箱梁左右翼板下各設1 道，承受箱梁翼板砼及施工荷載， 并以主桁前上橫梁吊帶和梁側錨固吊環為支撐。 計算結果如圖4 所示。

圖4 外滑梁分析結果

根據圖中最大彎矩和剪力計算得到外滑梁中最大的正應力和剪應力分別為203.05 MPa、31.72 MPa， 均小于容許應力值，但正應力值接近于容許值，施工中應密切監測。 同時，由Midas Civil 計算得到x=4.0 m 時撓度最大，數值為13 mm 小于l/400(14 mm)，雖然滿足要求，但施工中同樣應予以重視。

2.3.4 內滑梁

內滑梁共兩根，采用2 根2[32a 槽鋼雙拼，每根長12 m。 以主桁前上橫梁吊桿和梁體錨固吊環為支撐的簡支梁計算結果見圖5。

圖5 內滑梁分析結果

根據圖中最大彎矩和剪力計算得到內滑梁中最大的正應力和剪應力分別為188.04 MPa、26.31 MPa，均小于容許應力值。同時計算得到最大撓度為8.2 mm，小于l/400(14mm)，剛度滿足要求。

2.3.5 前上橫梁

前上橫梁由2 根I45a 型工字鋼組焊而成， 長度12.0 m，支撐在主梁上，受前下橫梁、內、外模滑梁吊桿傳遞的集中力。 計算結果見圖6。

根據圖中最大彎矩和剪力計算得到前上橫梁中最大的正應力和剪應力分別為73.01 MPa、31.38 MPa，均小于容許應力值。 同時由軟件計算得到最大撓度為3.3 mm，遠小于l/400(21.25 mm)，剛度滿足要求。

圖6 前上橫梁分析結果

2.3.6 吊桿

該掛籃吊桿均采用PSB785 級φ32 精軋螺紋鋼筋。經上述計算可知，后吊桿處拉力最大，故只對該處進行驗算。經計算得知，吊桿最大應力為502.9 MPa，小于容許應力785 MPa；安全系數為1.561，大于規范規定的1.5，滿足要求。

2.3.7 主桁架

主桁架是掛籃的主要承重結構，包括主梁、斜拉帶、立柱、上前橫梁、上中橫梁及主梁平聯。 單片掛籃的主要承載結構由1 根主梁、1 根立柱和2 側斜拉帶組成。 主梁和立柱均采用2 根I56a 工字鋼， 斜拉帶材料采用16Mn鋼300 mm×20 mm 的鋼帶，單個三角桁架每側布置2 根。內力計算結果見圖7。

圖7 主桁架內力計算結果

經計算可知，立柱所受壓力為33.33 MPa，斜拉帶最大拉應力為118.4 MPa，均小于215 MPa，強度滿足要求；且立柱長細比為21，小于150 規范限值，穩定性滿足要求。

2.4 主桁架前支點局部承壓驗算

混凝土澆筑后，前支點處最大支承反力為870.4 kN，均勻分布于兩個鋼枕上，鋼枕采用2 根[14a 型槽鋼制作，每個鋼枕的底面積為A=1400×116=162400 mm2。 由于梁體頂面不平，枕墊與梁體頂面接觸面積考慮50%。梁體采用C55 混凝土， 抗壓強度設計值為35.3 MPa。 經軟件計算得局部壓應力為5.36 MPa，滿足要求。

2.5 掛籃施工抗傾覆驗算

掛籃行走時為空載， 后部錨固力主要由行走小車承受，取單片主桁架進行驗算。 掛籃行走時，滑道頂部鋪設四氟板并涂抹黃油，摩擦系數取0.06。根據荷載組合Ⅳ得傾覆力為220.12 kN。 傾覆彎矩為1232.67 kN·m。 該傾覆彎矩由行走小車頂部2 個銷軸承受， 銷軸直徑φ40 mm，材質40Cr 調質處理硬度HB≥260， 軸頸表面HB≥320；則銷軸能承受的最大剪力彎矩為4825.5 kN·m。 據此，可計算得安全系數為3.9，大于規范規定的2.0，滿足要求。

3 三角掛籃在施工中的控制要點分析

由于本橋所用掛籃結構較大，承受荷載也較大，其加工質量是確保施工安全和施工質量的關鍵， 本項目掛籃擬采用新的掛籃。掛籃的加工選擇質量過關的專業廠家。對底模前后橫梁上的吊帶、 三角形桁架等重要部位的焊接質量，逐一進行探傷檢查并加載試驗，合格后方可出廠。

3.1 施工過程控制要點

3.1.1 0#塊施工要點

0# 塊是橋梁主墩墩頂箱梁段，為掛籃拼裝提供工作面， 在懸臂澆筑過程中作為控制橋梁的軸線和高程的標準的首塊梁段，在澆筑完成時，在該梁段上設置軸線和標高的控制點。 0# 塊采用在墩頂預埋型鋼板及精軋螺紋鋼， 鋼板上焊接型鋼形成三角托架， 在托架上鋪設I36b縱橫梁拼組而成0#塊工作平臺。 外模采用掛籃鋼模板，兩端懸臂端內底模采用掛籃底模， 兩端變截面箱梁段由底模標高調整，平臺兩側底部用3 cm 厚木板拼裝組成施工作業平臺。

墩身施工最后兩節塊時，須按要求預埋好預埋件，拆除墩身模板，安放外吊托架施工工作平臺，焊接工字鋼斜撐，安裝縱橫分配梁，鋪設木板，安底模，然后進行0# 塊托架預壓。 托架預壓目的是為了測出托架的彈性變形和消除托架的非彈性變形，驗證托架剛度、強度、穩定性，以利于設置托架的預拱度指導施工。 本托架預壓采用千斤頂加載施壓，預壓荷載為計算荷載的1.2 倍。 預壓荷載分六級進行。

3.1.2 掛籃拼裝施工要點

0# 塊施工完成后，即可進行掛籃安裝工作，掛籃在工廠加工完成，運到現場，在橋下地面先將前后斜桿、立柱拼組成主三角桁架；桁架拼好后，模擬現場對三角桁架進行預壓， 然后用吊車把三角桁架裝到0# 塊橋面上，用鋼絲繩和φ32 精軋螺紋鋼將主三角固定于支承墊塊上，并用鋼絲繩纜風臨時保護，以防傾覆；再吊裝第二片主三角構架，同樣做好固定和臨時保護，吊裝橫梁，把兩片主三角桁架連接一起，以保證橫向穩定，拆除鋼絲繩臨時保護，安裝前后上橫梁；安裝底模前、后橫梁(橫梁保證豎直狀態，不能發生傾斜)、底模縱梁、用方木搭設底模組裝平臺； 將加工分塊的底模板橫向用螺栓拼組成底模平臺；底模平臺就位，掛籃的主要部件安裝完畢后，根據1# 塊的設計位置調整掛籃的中線、水平位置和各點標高，進行檢查， 確保主桁架系統與底模系統通過懸吊系統是否組成一穩定的承重結構。

3.1.3 掛籃預壓施工要點

掛籃三角桁架安裝好后必須通過試壓測得掛籃的彈性變形和消除的非彈性變形，驗證掛籃剛度、強度、穩定性， 以利于設置掛籃的安裝標高抬高值以指導施工。 掛籃預壓模擬三角桁架受力狀況，采用千斤頂頂壓方法進行。

在三角承重架之間，設置一支點，一端用精軋螺紋鋼鎖定，另一端安放一臺YDC1500N 型千斤頂，千斤頂最大頂壓力為474.59 kN，為最大梁段1# 塊的重量、內外模重量及施工荷載的1.2 倍。 掛籃按5 級進行加載預壓，即0%、50%、80%、100%、120%， 加載完成24 h 后再進行卸載，卸載順序為120%、100%、80%、50%、0%，每臺千斤頂具體頂壓數值是：19.78 t、31.64 t、39.55 t、47.46 t，每加載一級測量一次觀測點數值。 數據的采集方式采用鋼卷尺進行觀測，加載前采集一次端頭變形，以后每加載一次采集一次端頭變形，加載完成后24h 再采集一次數值。計算出桁架端頭的變形值。

3.1.4 掛籃施工監控措施

對采用懸臂澆筑施工的預應力混凝土的箱梁結構，通過對掛籃施工真實結構進行仿真分析， 確定每個懸臂澆筑階段的立模高程， 并在施工過程中根據施工監測結果對誤差進行分析，對下一立模高程進行調整，確保成橋后橋面的線型及受力符合設計要求。

控制點布置： 在每個0# 塊上布置9 個高程控制測點，4 個平面控制測點，作為T 構控制的局部控制點。 每個施工節段的高程觀測點布置4 個點， 節塊測點離待澆塊件前端15 cm。 局部高程測點用以控制板頂設計高程，同時作為以后各懸澆梁段撓度觀測點和后視點。 通過平面控制網和高程控制點來精確測定局部控制點的平面位置和高程。 局部控制點在施工完成一定數量梁段或重要環節時經過校準，以保證局部控制點能滿足精度要求，同時觀測承臺控制點標高變化， 監測基礎沉降和墩柱壓縮變形。定期對各控制點進行聯測，防止控制點在施工期間發生位移，從而導致測量數據不真實，最后不能判斷數據虛實影響懸臂施工。

數據收集觀測時間：每節塊掛籃移動、就位后，節塊混凝土澆筑后和預應力張拉后觀測高程數據。

應力及溫度觀測：應力及溫度測點布置，一般選擇箱梁具有代表性的斷面預埋應力計、箱體溫度傳感器，以觀測應力、位移相對應的大氣溫度及主跨箱體溫度，為控制分析服務。 應力及溫度數據盡量選擇早晨太陽出來前進行觀測，應力及溫度數據同時收集。

通過數據收集、整理，確定掛籃下一節段施工標高。 一般懸澆箱梁控制各項指標如下： 成橋后線型標高±50 mm，合攏相對高差±30 mm，軸線偏位符合橋規標準。

3.2 施工質量保證措施

為確保工程項目掛籃施工的質量問題， 根據掛籃的特點應加強以下幾個方面管理：(1)T 構梁段兩端要求做到均衡對稱作業，掛籃應嚴格按圖紙及鋼結構施工規范要求進行施工，橫梁及內、外模外形尺寸必須準確，組合構件應先焊接成形，然后組裝。 (2)對掛籃位置、前后吊帶、吊架及后錨桿等關鍵部位，及時檢查，及時解決問題，不得留有隱患。(3)模板與已成梁段混凝土必須密貼，避免出現錯臺；模板采用無色專用脫模劑，保證澆筑混凝土面光滑。 并注意預留吊帶孔洞及其它預留孔洞，應保證其位置正確并垂直。 (4)混凝土入模過程中，嚴格控制混凝土坍落度，振搗時要振搗充分，防止過振和漏振；隨時注意掛籃及模板變形情況，做到及時調整，以便于施工的順利進行。混凝土表面覆蓋土工布進行養生，經常灑水，保持混凝土表面濕潤。(5)按規定時間、部位、工況及時進行測量，收集標高、中軸線及撓度的信息數據，并做好記錄。

4 結論

通過對本工程項目采用的新掛籃進行空間受力性能分析可知， 組成掛籃的主要構件腹板下部縱梁、 后下橫梁、外滑梁、內滑梁、前上橫梁、主桁架各桿件的應力及變形滿足規范要求。但外滑梁的應力及變形較接近限值，施工中應予以重點監測。 本掛籃懸吊系統中，吊帶、吊桿及銷軸安全系數1.561 均大于規范要求的1.5。 掛籃走行狀態時，抗傾覆系數3.9＞2，滿足規范要求。 同時，根據本工程特點，給出了掛籃施工過程控制要點、質量保證措施，為類似工程項目提供參考。