連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃施工工藝及穩(wěn)定性分析

韋道松

(廣西桂通工程管理集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

掛籃是橋梁懸臂澆筑施工過程中的主要施工機(jī)械，掛籃的可靠性和穩(wěn)定性直接影響著橋梁施工安全。隨著橋梁設(shè)計(jì)跨度和寬度的不斷增大，對掛籃的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出了新的要求，掛籃的設(shè)計(jì)正向著系列化、規(guī)格化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化以及新型化發(fā)展。隨著橋梁設(shè)計(jì)寬度的增加，掛籃的主桁架間距也隨之增大，對掛籃橫向穩(wěn)定性的影響頗大，但是目前關(guān)于寬幅連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃穩(wěn)定性的研究還比較鮮見[1-5]。為此，本文對大寬度連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃施工進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工工藝的探討，同時(shí)分析了掛籃在不同誤差和不同工況下的穩(wěn)定性，以期能為橋梁的懸臂掛籃澆筑施工提供借鑒。

1 工程概況

某橋位于云南省昆明市嵩明縣和官渡區(qū)境內(nèi)，橋梁全長649.28 m，橋跨徑組成為(6×40) m T梁+(73+135+73) m連續(xù)剛構(gòu)+(3×40) m T梁，最大墩高為103 m。主橋邊跨現(xiàn)澆段長4.26 m，采用托架現(xiàn)澆法施工，邊、中跨合龍段長度均為2 m，采用吊籃現(xiàn)澆施工，其他梁段采用掛籃對稱懸臂澆筑施工。

2 掛籃設(shè)計(jì)

按照結(jié)構(gòu)形式的不同，可將掛籃劃分為平行桁架式、平弦無平衡重式、弓弦式、三角形組合梁式、菱形桁架式以及滑動斜拉式等，但不同結(jié)構(gòu)形式的掛籃其主要組成結(jié)構(gòu)是基本相同的，一般由主桁系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、底籃系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、行走系統(tǒng)以及操作平臺防護(hù)系統(tǒng)等七個(gè)系統(tǒng)組成。遵循減輕掛籃自重、節(jié)約施工時(shí)間、保證施工質(zhì)量與施工安全、改善施工環(huán)境以及掛籃適用性等原則，本工程在菱形掛籃基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了(73+135+73) m跨連續(xù)梁掛籃作為懸臂澆筑的主要施工機(jī)械，如圖1所示。與其他結(jié)構(gòu)形式的掛籃相比，該型掛籃具有受力明確、沒有壓彎桿件存在、采用銷軸連接、結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固等特點(diǎn)，其主要參數(shù)為：掛籃自重130 t，適用最大梁段重281.8 t，適用施工最大節(jié)段長4.0 m，適用梁體底板寬度為13 m，頂板寬度為20.25 m；適用主梁高3.2～7.837 m。其走行方式為全液壓走行，澆筑混凝土和掛籃行走時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為2.0。

(a)側(cè)面

(b)正面圖1 (73+135+73) m掛籃結(jié)構(gòu)示意圖

3 掛籃施工工藝

3.1 掛籃拼裝

當(dāng)0#、1#節(jié)段施工完成后方可進(jìn)行掛籃的拼裝施工，掛籃拼裝的主要步驟是：找平及鋪設(shè)軌枕→安裝后吊掛組件和前滑座→安裝主桁系統(tǒng)→安裝掛籃前上橫梁→利用扁擔(dān)梁和精軋螺紋鋼進(jìn)行錨固→安裝外模和外導(dǎo)梁→安裝底籃系統(tǒng)→安裝內(nèi)模系統(tǒng)→調(diào)整掛籃和模板系統(tǒng)的位置和標(biāo)高。

3.2 掛籃預(yù)壓

掛籃在主墩0#、1#塊頂部拼裝完成并錨固牢固后，利用0#、1#塊托架預(yù)壓時(shí)在承臺上預(yù)埋的6個(gè)預(yù)壓點(diǎn)共12根40b工字鋼，在底板前端前下橫梁腹板位置處通過千斤頂張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線的方式進(jìn)行預(yù)壓。預(yù)壓采用分級加載方式，分別取最重懸澆梁段重量的24%(279 kN)→48%(558 kN)→72%(837 kN)→96%(116 kN)→120%(1 395 kN)依次進(jìn)行加載。

3.3 掛籃懸臂澆筑工藝

當(dāng)掛籃拼裝和預(yù)壓完成后，每個(gè)T構(gòu)從2#塊開始進(jìn)行懸臂澆筑施工。按照懸臂澆筑的施工流程，將其分為四個(gè)步驟：(1)0#、1#節(jié)段梁體澆筑階段，此階段主要是進(jìn)行支架安裝、預(yù)壓，鋪設(shè)底模及安裝側(cè)模，埋設(shè)預(yù)埋件和布置預(yù)留孔；(2)掛籃模板拼裝階段，先進(jìn)行底板及腹板位置鋼筋綁扎，把內(nèi)模從0#、1#節(jié)段內(nèi)腔中拉出就位，再進(jìn)行頂板部分鋼筋綁扎，并按要求放置預(yù)埋件和布置預(yù)留孔；(3)2#節(jié)段梁體澆筑階段，澆筑過程中不能提前松開腹板位置的拉桿，以防止發(fā)生模板脹模現(xiàn)象，混凝土澆筑完成后需達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后才進(jìn)行梁體預(yù)應(yīng)力的張拉作業(yè)；(4)掛籃前移階段，當(dāng)前一段梁體預(yù)應(yīng)力施工完成后，先拆除內(nèi)、外模對拉桿，收拆內(nèi)模側(cè)板，然后松開各承重吊桿，松除掛籃走行軌道的錨固和后錨扁擔(dān)梁上的錨桿，接著使用千斤頂頂推或牽引掛籃移動，待掛籃移動到設(shè)計(jì)位置后，對掛籃重新固定，最后進(jìn)行澆筑施工。掛籃懸臂澆筑工藝流程如圖2所示。

圖2 掛籃懸臂澆筑工藝流程圖

4 誤差對掛籃穩(wěn)定性的影響

4.1 誤差設(shè)置

在掛籃懸臂施工過程中，由于受到各種因素的影響，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。按照實(shí)際工程中常見的掛籃失穩(wěn)類型，可分為對稱分岔失穩(wěn)、不對稱分岔失穩(wěn)以及跳躍失穩(wěn)三類。造成掛籃橫向穩(wěn)定性問題的主要原因有拼裝誤差和環(huán)境誤差。因此，本小節(jié)對兩種誤差及多因素影響時(shí)，不同施工工況下掛籃穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

拼裝誤差：在掛籃拼裝過程中要求主桁架結(jié)構(gòu)垂直放置在箱梁腹板上，但實(shí)際操作時(shí)往往存在著一定偏差。規(guī)范要求主桁架結(jié)構(gòu)與豎直方向的偏角造成的頂端唯一且不能超過桿件高度的1/1 000，并應(yīng)≤1 cm。因此，可將拼裝誤差引起的偏角取值范圍設(shè)置為0～5°，并對不同施工工況下(空籃工況、澆筑工況、行走工況)的掛籃穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

環(huán)境誤差：掛籃施工屬于高處作業(yè)，受施工環(huán)境的影響不可避免，特別是風(fēng)力的影響。本文選取風(fēng)力0～9級時(shí)，不同施工工況下的掛籃穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

混合誤差：為了分析多種因素對掛籃穩(wěn)定性的影響，選取了橫向風(fēng)力為6級、安裝偏角為5°時(shí)的混合誤差，對不同施工工況下的掛籃穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

4.2 拼裝誤差的影響

計(jì)算分析得到不同工況下掛籃穩(wěn)定系數(shù)隨偏差角度的變化特征如圖3所示。由圖3可知：在同一工況下，隨著偏差角度的增大，穩(wěn)定系數(shù)有逐漸減小的趨勢。行走工況下穩(wěn)定系數(shù)下降幅度最大，下降了0.66，其次為空籃工況，下降了0.24，再次為澆筑工況，下降了0.034；在相同拼裝誤差影響下，空籃工況下掛籃的穩(wěn)定系數(shù)最大，行走工況下的穩(wěn)定系數(shù)居中，澆筑工況下的穩(wěn)定系數(shù)最小。這說明在拼裝誤差影響下，空籃工況的穩(wěn)定性最好，澆筑工況的穩(wěn)定性最差。

圖3 偏差角度對掛籃穩(wěn)定系數(shù)的影響變化示意圖

4.3 環(huán)境誤差的影響

計(jì)算分析得到不同工況下掛籃穩(wěn)定系數(shù)隨風(fēng)力等級的變化特征如圖4所示。由圖4可知：相同工況下，隨著風(fēng)力等級的增大，穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低，但減小趨勢和幅度有所不同。當(dāng)掛籃處于空籃工況下，風(fēng)力等級在0～5級時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)基本不變；當(dāng)風(fēng)力等級達(dá)到6級后，穩(wěn)定系數(shù)逐漸下降，且風(fēng)力等級越大，穩(wěn)定系數(shù)的下降幅度越大；當(dāng)風(fēng)力達(dá)到9級后，穩(wěn)定系數(shù)下降了13.45。當(dāng)掛籃處于澆筑工況時(shí)，風(fēng)力等級對掛籃穩(wěn)定性基本沒有影響，且風(fēng)力等級達(dá)到9級后，穩(wěn)定系數(shù)才降低了0.006。當(dāng)掛籃處于行走工況，當(dāng)風(fēng)力等級為0～2級時(shí)，對穩(wěn)定性沒有影響；當(dāng)風(fēng)力等級達(dá)到3級之后，穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低；當(dāng)風(fēng)力等級為9級時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)減小了3.672。在相同風(fēng)力等級下，不同工況穩(wěn)定系數(shù)從大到小依次為：空籃工況>行走工況>澆筑工況，說明在懸臂混凝土澆筑施工過程中，掛籃的穩(wěn)定性是最差的，此時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)最高。

圖4 風(fēng)力等級對掛籃穩(wěn)定系數(shù)的影響變化示意圖

4.4 混合誤差的影響

取偏差角度為5°，風(fēng)力等級為6級的混合誤差對掛籃穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并與單個(gè)誤差因素影響的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果見下頁圖5。從圖5中可知：當(dāng)只存在風(fēng)力等級為6級環(huán)境因素影響時(shí)，在空籃工況、澆筑工況以及行走工況下的穩(wěn)定系數(shù)分別為29.89、4.679和12.5；當(dāng)只存在偏差角度為5°拼裝誤差影響時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)分別為29.85、4.646和12.51；當(dāng)存在拼裝誤差和環(huán)境誤差混合影響時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)分別為29.6、4.625和12.23。由此可見，在混合誤差影響下，掛籃的橫向穩(wěn)定系數(shù)有一定程度下降，但下降幅度比較小。

圖5 不同誤差下穩(wěn)定系數(shù)對比柱狀圖

5 結(jié)語

(1)設(shè)計(jì)了(73+135+73) m跨連續(xù)梁掛籃，該掛籃具有結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

(2)對掛籃拼裝、預(yù)壓和澆筑施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)探討，并將掛籃懸臂澆筑劃分為四個(gè)階段，可用于指導(dǎo)類似工程施工。

(3)分析了拼裝誤差、環(huán)境誤差、混合誤差對掛籃穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示：偏差角度對掛籃穩(wěn)定性的影響較小；風(fēng)力等級對掛籃空籃工況和行走工況的穩(wěn)定性影響較大；混合誤差對掛籃的橫向穩(wěn)定有一定影響，但影響程度較小；當(dāng)掛籃處于澆筑工況下時(shí)，掛籃的穩(wěn)定性最差。