變幅式寬體箱梁多桁片掛籃施工技術(shù)研究

文 / 中交路橋建設(shè)有限公司海外分公司 朱正偉

引言

掛籃是目前變截面箱梁懸臂施工中的主要設(shè)備，在當(dāng)代橋梁工程施工中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，具有自重相對(duì)較小，構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安拆方便、重復(fù)利用率高，適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，但在一些特殊截面的懸澆箱梁施工時(shí)，需要對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)詳細(xì)研究。

本文依托在建的菲律賓EP橋上部結(jié)構(gòu)掛籃施工為依托，在掛籃使用過程中不斷進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高掛籃的安全性，節(jié)約成本，為今后類似工程提供借鑒。

工程概況

本項(xiàng)目為中國政府對(duì)菲律賓政府援建的兩座橋項(xiàng)目工程之一，橋址位于首都大馬尼拉地區(qū)makati市，大橋橫跨當(dāng)?shù)嘏廖鞲窈樱髽蛉L212m，橋?qū)?1.65m，雙向4車道設(shè)計(jì)，為左右幅整體箱梁。主橋采用（40+66+40）m變截面箱梁斜腿剛構(gòu)結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用Y型墩和矩形承臺(tái)群樁基礎(chǔ)。主橋南岸邊跨橫跨現(xiàn)有主干道，交通繁忙，只能臨時(shí)改移道路不可封閉；北岸邊跨場地相對(duì)寬敞，是鋼筋加工及材料存放主要場地。

重難點(diǎn)分析

整體式箱梁設(shè)計(jì)

主橋上部結(jié)構(gòu)采用四箱室變截面箱梁設(shè)計(jì)，左右幅為整體結(jié)構(gòu)，箱梁頂板寬21.65m，腹板厚80cm，邊腹板兩側(cè)無翼緣板，箱梁整體寬度較大，在掛籃設(shè)計(jì)時(shí)須充分考慮掛籃單個(gè)桁片受力及桁片組的整體協(xié)調(diào)性。掛籃底板寬度過大，且在南岸一側(cè)受凈空高度極大限制，底板設(shè)計(jì)可選擇形式不多。

斜腹板+變幅設(shè)計(jì)

整個(gè)箱梁邊腹板均為1∶2傾斜設(shè)計(jì)，頂板寬度維持21.65m不變，隨著箱梁高度由墩頂向跨中位置逐漸變小，箱梁底板寬度在不斷變大，底模和側(cè)模無論采用側(cè)包底還是底包側(cè)的結(jié)構(gòu)形式，都會(huì)給掛籃模板調(diào)整帶來一定難度。

波形鋼腹板

箱梁外腹板為鋼筋混凝土+波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)，波腹板位于腹板外側(cè)，厚度8mm，主要起到箱梁外形裝飾作用，波腹板通過內(nèi)側(cè)鉚釘錨固在混凝土內(nèi)。在掛籃施工過程中波腹板安裝及精確定位是重點(diǎn)。

掛籃設(shè)計(jì)

主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，掛籃主桁架采用菱形結(jié)構(gòu)，五片桁架組合設(shè)計(jì)形式，主桁立柱之間由型鋼桁架連接為整體。主要參數(shù)如下：

①最大懸澆梁段重量：277.9t；②最大懸澆梁段長度5.2m；③行走方式：液壓油缸頂推前移；④模板提升方式；螺旋千斤頂提升；⑤掛籃自量控制在139t（0.5倍最大塊段重量）以內(nèi)；⑥最大撓度：＜20mm；⑦抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：走行時(shí)大于2，澆注時(shí)大于2。⑧主桁桿件安全系數(shù)：大于2。⑨吊桿和錨桿安全系數(shù)：大于2。

主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）主桁架承重系統(tǒng)。主桁由雙拼槽32型鋼組成，分為前后腹桿、立柱、上下水平桿，主桁各桿件之間全部采用銷軸連接。前端設(shè)有前上橫梁，用于懸吊各前吊桿，前上橫梁上設(shè)置施工操作平臺(tái)及護(hù)欄。（2）掛籃模板系統(tǒng)。模板設(shè)計(jì)均按全斷面一次性澆注連續(xù)箱梁混凝土考慮；因箱梁高度及底板寬度每個(gè)梁段各不相同，從適用性和安全性考慮，底模和側(cè)模之間采用底包側(cè)形式。（3）掛籃提吊系統(tǒng)。掛籃懸吊系統(tǒng)主要由橫梁、鋼吊帶、精軋螺紋鋼和千斤頂?shù)冉M成。鋼吊帶采用厚32mm寬140mm鋼板加工。

掛籃施工

掛籃拼裝

根據(jù)現(xiàn)場吊具的實(shí)際起吊能力，將各部位大件在地面預(yù)先組拼，分塊吊裝。主要構(gòu)件拼裝順序如下：主桁組拼—安裝軌道—主桁吊裝—主桁錨固—主桁平聯(lián)—上前橫梁—前后吊帶（桿）—前后下橫梁—底籃縱梁—底模—側(cè)模頂模。

掛籃預(yù)壓

因本橋腹板縱向主筋為Ф36mm鋼筋，圖紙要求0#箱梁預(yù)埋外伸鋼筋長2m，1#箱梁總長僅有3.5m，底模空間無法滿足堆載預(yù)壓要求；另跨中一側(cè)掛籃下方為帕西格河，河面凈空僅4m，無法采用反拉和吊掛預(yù)壓。綜合對(duì)比選用較為便捷的牛腿反頂預(yù)壓。在三個(gè)中腹板位置安裝三個(gè)反頂牛腿，因邊腹板為傾斜設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)壓；采用3臺(tái)500t液壓千斤頂分別安裝于中腹板牛腿下方，建模計(jì)算出中腹板對(duì)應(yīng)的前橫梁各支點(diǎn)反力，千斤頂安照計(jì)算的反力頂推牛腿和掛籃底板達(dá)到預(yù)壓目的。

技術(shù)研究及建議

主桁設(shè)計(jì)

本橋單端掛籃主桁共5片桁架，經(jīng)建模計(jì)算桁架前支點(diǎn)反力依次為275.2KN、672.3KN、578.4KN、672.3KN、275.2KN，數(shù)據(jù)中可見兩側(cè)邊腹板桁架支點(diǎn)反力不足中桁架的一半，理論上邊桁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以大幅降低。基于3個(gè)原因：①保持各主桁行走時(shí)步調(diào)一致；②便于下一個(gè)項(xiàng)目掛籃改制利用；③在掛籃預(yù)壓時(shí)兩側(cè)邊腹板桁架無法預(yù)壓，通過提高兩側(cè)桁架結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，彌補(bǔ)兩側(cè)主桁無法預(yù)壓的不足；所以將5片桁架結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。

行走系統(tǒng)

本掛籃依靠主桁與軌道之間的液壓千斤頂提供動(dòng)力，每個(gè)主桁安裝一臺(tái)，通過油泵一拖五中控閥向5個(gè)液壓千斤頂統(tǒng)一供油，實(shí)現(xiàn)同步行走。滑船與型鋼軌道之間設(shè)有加強(qiáng)鋼板摩擦面，在摩擦面涂黃油做潤滑劑。單個(gè)行走千斤頂可提供70t頂推力，如果將主桁的水平桿用水平型鋼桁片連接為一整體，確保水平桁片具有足夠的強(qiáng)度（＞14.5KN）和剛度(變形＜2cm)前提下，將第2、4道主桁千斤頂取消，依靠第1、3、5道主桁帶動(dòng)第2、4道主桁整體前移是可行的,或者用第2、4道主桁帶動(dòng)第1、3、5道主桁前移，理論上完全可行。單個(gè)液壓千斤頂+海運(yùn)費(fèi)成本為1.5萬元，以單端掛籃配3個(gè)行走千斤頂計(jì)算，全橋可節(jié)省8個(gè)液壓千斤頂共計(jì)12萬元，水平型鋼桁片總成本約5萬元，此項(xiàng)可為項(xiàng)目節(jié)約成本12-5=7萬元。

外模系統(tǒng)

本橋箱梁兩側(cè)外腹板斜率為1∶2不變，底板寬度隨梁高減小而逐步變寬。為了滿足外腹板斜率和底板寬度的變化需求，設(shè)計(jì)意圖是將掛籃外側(cè)模板和背后桁架片沿箱梁底板邊線逐塊切割，施工過程中會(huì)造成兩個(gè)問題：①全橋合龍后，所有外側(cè)模全部成為廢料，無法周轉(zhuǎn)；②現(xiàn)場手工切割外側(cè)鋼模，會(huì)造成側(cè)模與底模之間接縫參差不齊，嚴(yán)重影響混凝土外觀質(zhì)量。

箱梁邊腹板外側(cè)設(shè)計(jì)有一層厚8mm波形鋼腹板，該鋼板不參與結(jié)構(gòu)受力，僅作為外腹板造型用。鋼腹板內(nèi)表面設(shè)置剪力釘，與現(xiàn)澆箱梁混凝土連接為整體，在混凝土澆筑時(shí)，同時(shí)起到模板作用。因此在掛籃設(shè)計(jì)時(shí)，該部分的模板可以進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，可省略面板，側(cè)模桁架能夠固定波形鋼腹板即可。

底模滑梁

本橋?yàn)樽笥曳w箱梁，單箱四室結(jié)構(gòu)形成了箱梁橫向?qū)挾乳L、塊段重量大的特點(diǎn)，箱梁底板最大寬度達(dá)19.6m，前后下橫梁長達(dá)23.5m，如采用一般的下橫梁設(shè)計(jì)，橫梁型鋼自身撓度與連接螺栓孔空隙疊加會(huì)造成橫梁中部下?lián)线^大，不能滿足施工要求，甚至可能造成連接部位因應(yīng)力過大斷裂。采用雙拼H45型鋼采用螺栓連接成整體，現(xiàn)場實(shí)測達(dá)25cm。

（1）設(shè)置底模滑梁。在通常掛籃設(shè)計(jì)中均無底模滑梁這一結(jié)構(gòu)，為了減小掛籃行走時(shí)后下橫梁連接處的連接鋼板和螺栓應(yīng)力，減小下?lián)狭浚谙聶M梁下放設(shè)置兩道滑梁，滑梁前端與上前橫梁吊帶連接，后端通過滑車與內(nèi)箱后錨相連，通過前吊帶或滑車后錨調(diào)整滑梁與下橫梁的緊密程度，使下橫梁與滑梁共同受力，穩(wěn)步行走。

（2）節(jié)點(diǎn)位置設(shè)加強(qiáng)鋼板。首先將螺栓連接鋼板與主梁型鋼焊接成整體，消除螺栓孔間隙引起的下?lián)希辉谶B接點(diǎn)的內(nèi)外側(cè)型鋼翼緣板位置焊接兩塊4000mm*430mm*14mm鋼板，使橫梁中間4m范圍的型鋼形成箱體，增加下橫梁剛度。從計(jì)算結(jié)果可以看出，加強(qiáng)后的后下橫梁最大應(yīng)力為85Mpa，撓度為12mm，遠(yuǎn)小于螺栓連接時(shí)的撓度值，對(duì)下橫梁進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)完全可以滿足施工需要。

北岸邊跨施工組織探討

本橋邊跨長40m，其中直線段長5.92m，合龍段長2m，單側(cè)懸澆梁僅有5個(gè)塊段共長22.4m，兩側(cè)邊跨均位于陸地，其中南岸邊跨橫跨現(xiàn)有道路，交通繁忙，北邊跨位于陸地上，且地質(zhì)狀況良好，橋下凈空4m，具備支架現(xiàn)澆施工的條件。

結(jié)語

（1）掛籃懸澆施工一直是變截面箱梁的主要施工方法，在新掛籃設(shè)計(jì)及加工過程中應(yīng)充分考慮掛籃的通用性和便利性，本項(xiàng)目掛籃在設(shè)計(jì)中不僅考慮了本橋懸澆箱梁使用，同時(shí)參考了即將開工的新建項(xiàng)目箱梁設(shè)計(jì)，經(jīng)過簡單的現(xiàn)場改造即可投入到新項(xiàng)目中使用，大大提高了該掛籃的周轉(zhuǎn)利用率，降低了施工成本。（2）在新型設(shè)備如掛籃、橋面吊機(jī)、移動(dòng)模架等設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分召開專家討論會(huì)，進(jìn)行桌面推演，盡量模擬施工中每個(gè)環(huán)節(jié)，把問題解決在萌芽狀態(tài)。（3）本項(xiàng)目已經(jīng)全部完工并通車，實(shí)踐證明本橋掛籃的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)可以應(yīng)用到類似工程當(dāng)中。