超寬幅變截面掛籃設計與施工

伍豪 張瀟搏

（中交廣州航道局有限公司,廣東 廣州 510290）

1 工程概況

某特大橋5#～8#墩主橋為矮塔斜拉橋，主梁設計為大懸臂變截面單箱三室箱梁結構，頂板寬度33.5 m，兩側翼緣板寬度均為8.5 m，翼緣板下設撐板，對應位置設橫隔板，縱向布置間距為4 m、4.5 m，箱梁底寬16.5 m；梁高按二次拋物線由6#墩（橋塔）、7#墩（橋塔）各兩側3 m范圍內梁高5 m漸變為3.5 m，不計0#塊與合龍段外，單邊懸臂澆筑節段分為4×3 m＋12×4.5 m，其中在澆筑4#塊時方量最大，為154 m3，重約400 t，其主梁截面形式如圖1所示。

圖1 4#塊主梁一般斷面圖（單位：mm）

2 超寬截面掛籃的設計

2.1 設計思路

針對掛籃支點位置可將掛籃形式分為前、后支點掛籃，前支點掛籃也稱牽索式掛籃，施工過程中利用待澆梁段斜拉索為掛籃前支點支撐力，后端錨固在已澆梁段上。后支點掛籃根據結構形式又可分為3種：三角形式、菱形式及弓形式。本掛籃在設計選型過程中，考慮到本橋設計為矮塔斜拉橋，主梁存在無索區，所以牽索式掛籃不適用本橋懸臂現澆施工，同時對后支點掛籃受力特點、優缺點進行分析對比，如表1所示。

表1 常見掛籃優缺點分析對比表

綜合考慮上述幾種掛籃的受力特點、優缺點及穩定性之后，掛籃設計選型在保證施工安全、方便的前提下，以懸臂現澆節段方量最大的4#塊各參數為主控條件，選擇菱形式掛籃進行設計與施工。同時為解決超寬截面菱形掛籃多榀桁架同步行走穩定性的問題，設想在菱形桁架片尾部增設豎向及水平平聯以增強超寬截面掛籃同步行走穩定性，掛籃結構布置如圖2、3所示。

圖2 4#塊澆筑掛籃立面圖（單位：mm）

2.2 掛籃組成

本套寬幅式懸臂澆筑掛籃主要由主桁系統、底籃系統、翼緣板施工平臺、錨固及行走系統、吊掛系統、模板及附屬系統組成。

圖3 4#塊澆筑掛籃斷面圖（單位：mm）

2.2.1 主桁系統

主桁系統采用4榀菱形桁架片及橫向平聯組成，為主要受力結構；桁架片橫橋向布置間距為5.73 m、4.64 m、5.73 m，中心高5 m，下主梁前后支點距離5.9 m；桁架各桿件均采用雙40#b槽鋼+2 cm厚鋼板組焊成的箱形結構，桿件節點處采用銷軸連接+連接鋼板焊接；橫向連接由2道豎向平聯和1道水平平聯組成，其主要作用是增加菱形桁架片的橫向穩定性和降低主桁系統重心以達到增加整體穩定性的效果；豎向平聯設置在距離菱形桁架片后支座1.3 m、3.3 m處；水平平聯用于連接2道豎向平聯。

2.2.2 底籃系統

底籃系統是組成掛籃的重要系統，主要由前上橫梁、前下橫梁、后下橫梁、底模板縱梁和底模形成，為底腹板模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序提供操作平臺，并直接承受砼自重荷載和施工活荷載。前上橫梁采用桁架型，由雙50#b槽鋼+2 cm厚鋼板組焊成的箱形截面梁；前下橫梁采用雙HN396×399×11×7型鋼組焊；后下橫梁采用桁架型，其主梁由雙40#b工字鋼+2 cm厚鋼板組焊，前后下橫梁中心距為6 m；縱梁采用雙40#b槽鋼，腹板下布置間距為500 mm，箱室下為950 mm，與前下橫梁采用螺栓銷接，與后下橫梁采用焊接。

2.2.3 翼緣板施工平臺

翼緣板施工平臺由反力梁、內外導梁、翼緣施工分配梁組成。前端由前長吊帶連接在導梁下反力梁上，懸吊于前上橫梁上，后端由后長吊桿穿過吊架懸吊在已成梁段翼緣板上。

2.2.4 錨固及行走系統

錨固系統包括主桁架后錨固和滑道錨固，主桁架后錨固設在4榀主桁架的后支座處，采用2根反壓梁及其配套的4根錨桿，以平衡澆筑施工時產生的傾覆力矩，確保安全；行走系統包括桁架片前后支座、滑道及其墊梁、內外導梁、吊架、千斤頂和卷揚機等設備。

2.2.5 吊掛系統

吊掛系統主要用于懸吊底籃系統和兩側翼緣板施工平臺，通過吊帶和吊桿將底模系統、翼緣板施工平臺、各模板系統、待澆筑段梁自重及施工活荷載傳遞到主桁系統及已完成梁段上。吊掛系統包括前長吊帶、后短吊桿、后短吊帶和后長吊桿。前長吊帶用于懸吊底籃系統和翼緣板施工平臺的前端；后短吊桿用于底板砼澆筑時，吊掛底籃系統后端；后長吊桿用于錨固吊架，懸吊翼緣板施工平臺后端；后短吊帶將后下橫梁吊掛在內側導梁上，用于掛籃走行。本套掛籃吊帶設計采用厚32 mm，寬20 cm的鋼板吊帶，吊桿采用d=32 mm的精軋螺紋鋼筋。

前上橫梁共設置10處前長吊帶，其水平投影在底板區域的6根前長吊帶與前下橫梁連接，水平投影在翼緣板區域的4根前長吊帶與兩側翼緣板施工平臺前端導梁下的反力梁連接。底籃后端懸吊在已完成梁段底板處，通過后短吊桿與后下橫梁連接，共設置6組后短吊桿（1組為1個后吊點），每組采用3根φ32 mm的精軋螺紋鋼筋縱向錨固在已完成梁段底板內。兩側翼緣板施工平臺后端由后長吊桿通過吊架懸吊在已成梁段翼緣板上。

2.2.6 模板及附屬系統

模板系統包括內、外模板及其支撐系統，內外模為散裝散拆的鋼模和模板，支撐系統采用扣件式鋼管支架；附屬系統包括施工時用的上下通道、操作平臺等。

3 工況確定及荷載計算

3.1 控制性計算工況

工況一：選擇4#塊混凝土澆筑工況，此工況具有代表作用，該節段梁懸澆砼重量最重，對結構的強度、剛度、穩定性進行驗算。

工況二：掛籃行走工況，此工況主要分析掛籃行走時整體穩定性，保證整套系統安全。

3.2 荷載計算

①掛籃結構自重荷載：軟件自動計入，由軟件輸入重力加速度系數即可；②4#塊混凝土自重荷載：取26 kN/m3；③模板自重荷載：取1.5 kN/m2；④施工人員及機械設備荷載：取2.5 kN/m2；⑤振搗砼荷載：取2 kN/m2；⑥風荷載：按當地基本風壓計算。

4#塊節段先進行底腹板及支撐板澆筑、后澆筑頂板和翼緣板，為簡化計算，本次節段梁砼自重荷載按全斷面計算。根據4#塊典型斷面圖，采用條分法將箱梁各區域的自重荷載轉化為線荷載，節段梁砼自重荷載示意圖見圖4。

圖4 節段梁砼自重荷載示意圖（單位：kN/m2）

3.3 荷載組合

對于一般構件的強度計算，按照極限狀態法，荷載考慮分項系數——恒載1.2，活載1.4：

荷載組合Ⅰ：1.2×（①+②+③）+1.4×（④+⑤），用于工況一掛籃各構件強度驗算；

荷載組合Ⅱ：1×（①+②+③），用于工況一掛籃各構件剛度驗算；

荷載組合Ⅲ：1×（①+⑥），用于工況二掛籃行走整體穩定性驗算。

4 結構有限元分析

4.1 結構模型

采用有限元分析程序Midas Civil進行結構建模前處理及分析驗算后處理，由于掛籃各桿件單元較多，為保證建模有條不紊，可根據掛籃實際拼裝順序及各桿件相互關系進行建模。建模順序：菱形桁架片→平聯→前上橫梁→前長吊帶→前下橫梁→后下橫梁→底籃縱梁→底籃模板→導梁反力梁→導梁→翼緣澆筑平臺分配梁→后長吊桿→翼緣板及支撐架澆筑鋼管支架→翼緣板澆筑模板→行走后短吊帶。軟件模擬主要采用梁、板單元，全結構共1 273個節點，1 771個梁單元，64個板單元（見圖5）。

4.2 邊界條件

外部約束：（1）掛籃后支點用固定鉸支座模擬，前支點用滑動鉸支座模擬，且均限制支點節點橫向平動；（2）后長、短吊桿均采用固結模擬。

內部約束：（1）菱形桁架片各桿件連接處均采用銷接，用釋放梁段的抗彎剛度的方式模擬；（2）各桿件焊接采用剛體連接模擬；（3）桿件搭接處采用彈性連接模擬。

4.3 各工況計算結果

工況一計算結果見圖6～圖9。由圖6可得出，菱形桁片最大支反力為1 546.6 kN；由圖7可得出，最大位移為1.5 cm，發生在翼緣板澆筑平臺上的鋼管支架上；由圖8得出，掛籃在澆筑工況下，最大組合應力為94.7 MPa，發生在翼緣板澆筑平臺下的導梁上；由圖9可看出，此掛籃在澆筑工況下，最易失穩的部位為翼緣板澆筑平臺。

圖6 工況一：主桁支點反力（單位：kN）

圖7 工況一：整體位移圖（單位：mm）

圖8 工況一：組合應力圖（單位：MPa）

圖9 工況一：掛籃整體穩定性（臨界穩定系數n=8.426）

工況二計算結果見圖10～圖12。掛籃前移時，松開底籃系統后短吊桿，后下橫梁通過2根后短吊帶懸掛在兩側內導梁上。由圖10可看出，掛籃行走時，最大位移為8.8 mm，發生在后下橫梁跨中處；由圖11可得出，掛籃行走時，最大組合應力為46 MPa；由圖12可看出，掛籃行走時，最易發生失穩的部位為后下橫梁。

圖10 工況二：整體位移圖（單位：mm）

圖11 工況二：組合應力圖（單位：mm）

圖12 工況二：掛籃行走整體穩定性（臨界穩定系數n=18.69）

5 寬幅式掛籃施工工藝

5.1 施工流程

掛籃拼裝流程：橋面清理及材料轉運（按安裝先后順序運至施工點）→測量放樣軌道中線及墊座安裝調平→安裝縱向軌道→安裝前、后支腿→安裝菱形桁片→安裝平聯→安裝后錨→前上橫梁安裝→前吊帶安裝→底籃系統安裝→吊架及內外導梁安裝→翼緣板施工平臺安裝→模板及附屬系統。

5.2 主桁、錨固、吊掛系統安裝

施工安裝主要為：（1）清理橋面及預埋孔，放樣軌道中心線。（2）安裝軌道墊梁及軌道；墊梁里程方向誤差控制在10 cm以內，待放置軌道后根據軌道高度再進行加焊調平。（3）安裝縱移軌道并調平，首次調平軌道標高誤差在±5 mm內，后期施工誤差控制在±10 mm以內，調平完畢后用反壓梁將軌道錨固在0#塊箱梁梁面上。（4）安裝前支腿、反扣輪。（5）分片安裝菱形桁片，第一片桁片安放后施加臨時支撐，第二片桁片安裝就位后與第一片之間施作臨時橫聯確保不失穩，按此順序直到整個掛籃所有桁架片安裝完畢。菱形桁片橫橋向間距誤差控制在±5 mm以內，用手拉葫蘆進行調節，誤差采用吊線與拉尺相結合控制，確保桁架的垂直度及間距滿足要求。（6）安裝平豎橫梁。（7）安裝后錨，用型鋼或鋼板在縱移軌道與主桁片后節點之間墊平，以便在后錨安裝后，用螺旋千斤頂將后錨螺桿抽緊。（8）安裝前上橫梁及工作平臺。（9）安裝吊帶，吊帶先在預拼場地進行拼裝，然后采用整體吊裝。

5.3 底籃系統、翼緣板施工平臺、附屬系統安裝

底籃系統按自底向上的順序進行拼裝，在拼裝場地根據設計圖擺放前后下橫梁，安裝縱梁、底模。底模系統拼裝平臺采用兩層枕木搭設，枕木平臺頂鋪設一層1 cm鋼板減少橫梁與平臺間的摩擦，以利于橫梁位置微調。前后下橫梁吊裝擺放到位后放出中心線，并采取量對角線的措施保證前后下橫梁的位置準確。前后下橫梁擺放到位后，即可拼裝縱梁，先嚴格設計間距安裝擺放兩端及中間的縱梁，然后采取拉對角線的方法復核距離，誤差控制在±5 mm以內，再依次安設其他縱梁。縱梁與前下橫梁采用螺栓銷接，與后下橫梁采用焊接，焊接時先點焊，并間隔施焊，嚴禁不對稱施焊。縱梁安裝完畢后組織全面驗收，驗收合格后，即可安裝底模，底模安裝時嚴格控制位置及平面尺寸。

待前主桁系統、上橫梁、吊帶、主桁后錨及底籃后錨安裝到位后，全面驗收合格，即可進行底籃系統整體吊裝。吊裝底籃采用卷揚機、滑輪、鋼絲繩及配套鎖扣進行，用兩個定滑輪的吊帶布置在掛籃最外側縱移軌道上，將軌道與相應的桁片用精軋螺紋鋼串聯，增加剛度。吊裝時采用2臺卷揚機，整體吊裝，單邊兩點吊。按圖布置轉向滑輪及動滑輪，鋼絲繩穿過滑輪組要確保不錯不繞。底籃系統吊裝前應進行試吊，將底籃垂直提升至高過拼裝場地20 cm，并持續1 min。正式吊裝設置專人指揮，并保證通訊良好。底籃提升過程中，時刻觀察底籃狀態，為防止底籃傾斜，底籃兩端高差宜控制在30 cm以內。底籃系統安裝完成后，即可進行安裝翼緣板施工平臺、模板系統和附屬系統。吊架和支撐板澆筑排架預先在施工場地內拼裝完成，吊裝采用底籃吊裝時的兩臺8 t卷揚機。

5.4 掛籃移機

節段梁施工完畢后，放松掛籃前長吊帶、底籃系統后短吊桿，并調節前后下橫梁使底籃水平，放松翼緣澆筑平臺后吊帶，使翼緣澆筑平臺落于吊架上，錨固下平臺走行后吊帶，將掛籃調整至走行狀態，然后將掛籃行走軌道接長，用千斤頂牽引掛籃行走。軌道接長時，前后軌道用連接板和螺栓連接成一整體并用壓梁錨固，軌道中心距誤差≤5 mm。前端移機軌道打磨干凈，在前支腿移動范圍內均勻涂一層黃油，減少前支腿與軌道間的摩阻力，并在軌道側面用紅油漆標注尺寸（最小刻度10 cm），作為掛籃前移同步控制的標尺。放松并卸掉掛籃后錨固系統，拆除后錨桿，使掛籃走行反扣輪徐徐受力，用液壓千斤頂向前推動掛籃，逐個拆除擋住反扣輪前進的軌道上壓梁，掛籃行走速度≤10 cm/min，并及時在反扣輪后重新安裝軌道上壓梁，直到掛籃前移到位。

掛籃行走到位后，即可安裝掛籃后支點錨固系統，底籃系統后短吊桿、翼緣澆筑平臺后長吊桿，同時放松走行后吊帶，調整前后下橫梁，使底籃坡度適應梁底坡度，最后錨固掛籃后錨及掛籃吊帶或吊桿，調整各模板高程。

6 結語

本文介紹的超寬幅變截面連續梁澆筑所采用的掛籃設計，在施工過程中充分考慮了菱形掛籃結構特點和工程實際情況，分析了結構在最不利工況下的強度、剛度和穩定性，確保節段梁懸臂澆筑施工安全。實際在施工過程中，可在掛籃后短吊帶卸載前，把掛籃底板澆筑平臺上的雜物、翼緣澆筑平臺的鋼管腳手架等清除、卸載掉，以減輕掛籃走行時的負擔。同時掛籃走行時，應關注后下橫梁的順橋向的穩定性，在需要的時候可以把下弦與縱梁之間用兩道斜向連接桿相連，以保證掛籃行走穩定。