菱形掛籃反力架預壓試驗及抗傾覆分析

黨 濤 沈藝寧 張智舉

1. 陜西華山路橋集團有限公司 陜西 西安 710016；2. 長安大學公路學院 陜西 西安 710064

掛籃懸臂澆筑施工法是大跨徑橋梁施工的一種重要手段，已被廣泛地應用于公路橋梁的建設中[1]。為了保證掛籃施工的絕對安全，掛籃在使用前應進行預壓試驗，以驗證其剛度和強度是否滿足施工要求。通過試驗，可消除掛籃的非彈性變形，確定掛籃在混凝土濕重作用下的變形，為確定立模標高提供依據[2]。此外，掛籃在施工過程中傾覆倒塌的隱患很大，因此有必要對掛籃施工中復雜狀態下的抗傾覆穩定性進行分析研究。不少專家學者針對掛籃施工安全問題展開研究，孫術學[3]依托西山溝大橋，對各種掛籃形式進行了比較和分析，選擇菱形掛籃作為工程施工的最優設計方案；周向陽等[4]結合某大橋，通過混凝土塊加載試驗，得到了壓重與掛籃的變形關系；丁延書等[5]以溫州甌江大橋為工程背景，通過有限元計算表明在前上橫梁下加設輔助桁架，能增強掛籃的剛度和強度。

1 工程概況

石川河特大橋為預應力混凝土高墩連續剛構橋，跨徑布置為68 m＋120 m＋68 m，采用掛籃懸臂施工，最高墩高為77 m。因其具有墩高、跨鐵路的特點，故節段施工中掛籃的穩定性、抗風能力至關重要。石川河特大橋所用掛籃為菱形掛籃（圖1），具有結構輕巧、受力明確和移動便利等特點。主要由以下3個系統組成：

圖1 菱形掛籃立面示意

1）承重系統：主桁架、前后橫梁、錨固裝置等。

2）底籃和模板系統：底籃、模板和工作平臺等。

3）走行系統：行走滑軌、自錨車輪組、前支座等。

2 現場掛籃預壓試驗

為有效消除掛籃非彈性變形，準確確定立模標高，保證結構線形滿足施工控制預期要求，在懸臂澆筑施工開始前應通過掛籃預壓試驗檢驗其承載力和變形情況。本文對石川河特大橋菱形掛籃預壓過程的變形進行了實時監測，得到掛籃在不同荷載作用下的變形曲線。

2.1 變形測點布置

對15#墩左幅掛籃布置變形測點，每側掛籃設置6個測點，總計12個測點。分別為距1#塊外0.5 m底板上左中右布置3個點，距1#塊外2.5 m底板上左中右布置3個點，并用油漆在測點做好標記。觀測點平面布設示意如圖2所示。

圖2 測點平面布設示意

2.2 加載方案

考慮到墩柱較高，不便采用砂袋法或其他配重塊預壓，因此在石川河特大橋1#塊段兩側腹板上安裝工字鋼反力架和液壓千斤頂進行預壓。掛籃現場預壓如圖3所示。

圖3 掛籃現場預壓

根據計算荷載，利用單側2臺液壓千斤頂同步緩慢對稱加載，所加荷載通過千斤頂下的分配梁均勻傳遞到掛籃底籃縱梁上，單側掛籃單個點位分級加載值如表1所示。

表1 掛籃分級加載

2.3 變形監測

根據掛籃預壓試驗加載方案，對擬采用的掛籃進行對稱逐級加載，每一級加載后記錄各測點標高。分別取小里程、大里程掛籃下橫梁各級荷載左右兩處測點的標高進行數據處理，得到菱形掛籃總變形-荷載曲線（圖4、圖5）。

圖4 小里程掛籃下橫梁變形曲線

圖5 大里程掛籃下橫梁變形曲線

由圖4可知，小里程側掛籃下橫梁豎向總變形與加載量基本上成線性比例。掛籃單側點位加載至985 kN時，下橫梁左側A1測點豎向變形達到－29 mm，同步卸載后，掛籃變形回彈28 mm，殘余變形為－1 mm。右側E1測點豎向變形達到－28 mm，同步卸載后，總變形恢復到0，掛籃變形全為彈性變形。由圖5可知，大里程側掛籃下橫梁豎向總變形隨加載量的變化規律基本與小里程側掛籃一致。當單側點位加載至985 kN時，下橫梁左側A2測點豎向變形達到－40 mm，同步卸載后，掛籃變形回彈39 mm，殘余變形為－1 mm。右側E2測點豎向變形達到－42 mm，其中彈性變形為－40 mm，殘余變形為－2 mm。

由掛籃預壓試驗結果可知，石川河特大橋所用掛籃在預壓過程中的變形基本都是彈性變形，大里程側掛籃變形要稍大于小里程側的掛籃變形。結合施工現場分析，這可能是由于大里程側反力架的松動所導致的。

3 荷載及組合

強度計算：1.2×（混凝土荷載＋掛籃自重＋模板自重）＋1.4×（施工堆載及人群荷載＋混凝土傾倒和振搗荷載）。行走穩定性計算：行走沖擊系數1.3×（掛籃自重＋模板自重）＋風荷載。其中，掛籃自重由軟件根據定義截面自動計算，施工堆載及人群荷載取2.0 kPa，模板質量取1 100 N/m2，混凝土傾倒和振搗荷載取4.0 kPa，風荷載保守計算取2.0 kPa，作用于主桁架一側。

根據石川河特大橋設計圖紙文件可得，連續剛構塊段混凝土最大方量為2#塊段，其混凝土量為56.61 m3。

4 抗傾覆分析

4.1 建立有限元模型

菱形掛籃結構空間有限元計算模型如圖6所示，包括主桁架、橫向連接系、上橫梁、吊桿、底籃平臺、滑梁、下橫梁等。吊桿采用桁架單元模擬，主桁結構采用梁單元模擬，釋放主桁架各連接節點的轉動自由度以模擬銷軸。混凝土濕重與模板自重通過劃分塊的方式，由模板各位置的縱梁及內模滑梁承受。

圖6 菱形掛籃結構空間有限元模型

4.2 抗傾覆分析

4.2.1 施工狀態抗傾覆分析

荷載組合1情況下，掛籃主桁架后端錨固在已澆筑好的混凝土梁段上，而錨固系統是掛籃平衡穩定的關鍵一環，為確保施工狀態的穩定性，需要對掛籃后錨點的安全進行分析。經分析可知，荷載組合1作用下的單片主桁后錨點最大拉力為448.1 kN。

1）后錨精軋螺紋鋼計算。單側后錨點通過4根φ32 mm的精軋螺紋鋼錨固，可提供的錨固力為：N提供=4A[σ螺紋鋼]=4×3.14×322×930/4=2 990.3 kN，其安全儲備為K=2 990.3/448.1=6.67。

2）后錨梁及主桁銷軸計算。單片主桁架后錨點采用2排雙拼25#工字鋼后錨梁，單根所受反力為224.05 kN。采用有限元單獨建模分析可知：在荷載組合1下，后錨梁最大應力為120 MPa，主桁架桿件間內力最大值為791.9 kN，使用材質為40Cr鋼，φ80 mm的銷軸，則銷軸可承受的最大剪力為N=σ·A=570×3.14×802/4=2 863.7 kN，安全儲備為K=2 863.7/791.9=3.62，施工狀態掛籃穩定性滿足要求。

4.2.2 行走狀態傾覆穩定性分析

多數掛籃施工事故發生在掛籃行走狀態，可見這是一個薄弱環節。在此過程中，掛籃行走系統中的自錨車輪組起著至關重要的作用，車輪在軌道上可自由滾動，而軌道與前支座間的聚四氟乙烯板摩擦因數又極小，因此可通過滑動來實現掛籃的前移。為保證掛籃前移的穩定和順利就位，需要研究掛籃行走狀態下的穩定性。在荷載組合2的情況下，對主桁架反力進行了有限元分析，結果顯示，在荷載組合2的走行狀態下，單支點后錨固力最大為78.5 kN。

1）掛籃行走計算。掛籃行走時，前吊桿、鋼吊帶把底籃和模板吊在前上橫梁上，后端下橫梁則吊在后上橫梁上，此時后下橫梁、內外滑梁的受力類似簡支梁，并且跨徑隨著掛籃的行走不斷地發生變化。行走經有限元分析，吊桿最大拉力為88 kN，處于設計范圍之內，其余吊桿最大拉力60 kN，滿足安全要求。

2）反扣輪裝置強度計算。自錨車輪組為反扣輪，掛籃前移時反鉤在軌道上從而起到抗傾覆的作用。由計算可知，在荷載工況2下，反扣輪需提供78.5 kN的反力合力。而反扣輪與主桁架的連接則是通過φ50 mm的銷軸來傳力，因此單片主桁架的反力按φ50 mm的銷軸單面受剪計算，材質為40Cr鋼，銷軸能夠承受的最大剪力為N=σ·A=570×3.14×502/4=1 118.6 kN，其安全儲備為K=1 118.6/78.5=14.25，滿足要求。

5 結語

1）石川河特大橋掛籃預壓試驗結果表明，施工所用掛籃在預壓過程中的變形基本都是彈性變形，大里程側的掛籃變形要稍大于小里程側的掛籃變形，結合現場推斷可能是由于大里程側反力架的松動所導致的。建議后續采用反力架預壓的工程要著重關注反力架處的錨固問題。

2）通過對試驗數據的分析對比，得出掛籃變形與荷載基本呈線性關系。根據小里程側變形曲線圖得到掛籃彈性變形規律大致為y=－0.03F（F為單側點位荷載值），為后續節段的施工提供了重要參考依據。

3）通過對菱形掛籃在施工狀態和行走狀態下的抗傾覆穩定性分析可知，石川河特大橋所用掛籃在2種狀態下的應力均符合規范要求，并具有良好的抗傾覆安全儲備。