大橋懸臂施工掛籃設(shè)計與驗算研究

何 俊

（華亭市交通運(yùn)輸局，甘肅 華亭 741000）

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度加大，橋梁施工技術(shù)水平日益成熟，橋梁懸臂因獨有的施工特點，在跨越河流的橋梁中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢[1]。本文以某特大橋為例，介紹懸臂施工掛籃設(shè)計方案，通過工程實例驗算，為不同跨徑的橋梁懸臂施工提供參考。

1 工程概況

某特大橋主橋結(jié)構(gòu)形式為主跨150m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，跨徑組成為（85+150+85）m，邊中跨比為0.567，橋墩梁高5.5m，端部和跨中梁高3.2m，箱梁高度變化按照1.6次拋物線設(shè)計。橫斷面為單箱五室斜腹板箱梁。

主橋上部結(jié)構(gòu)采用對稱懸臂澆筑施工，主梁每個單“T”劃分為20個梁段，其中0號、1號、1′號梁段共長為13.0m，在墩頂托架上現(xiàn)澆施工，2~7號塊長3.0m，8~17號塊長3.75m，18~20號塊長4.0m，邊跨支架現(xiàn)澆段長8.84m，邊跨合攏段長2m，中跨合攏段長2m。箱梁施工采用掛籃懸臂現(xiàn)澆，梁段最大重量為525.8t。本文選取8#梁段，混凝土澆筑，梁段長度較長，混凝土重量最大。

掛籃結(jié)構(gòu)計算模型如1所示，包括主桁架、前上橫梁、立柱間橫向連接系、內(nèi)外滑梁底籃等承重系統(tǒng)[2]。

2 掛籃8#節(jié)段澆筑強(qiáng)度、剛度驗算

2.1 荷載計算[3-4]

2.1.1 翼板荷載

（1）翼板處混凝土自重荷載：2.16×1.0×26.5÷( 1.0×4.65)=12.3kN/m2

（2）考慮超灌，系數(shù)取值1.05，腹板部位混凝土分布荷載：p11=12.3×1.05=12.9kN/m2

（3）模板荷載計算：p12=1.0×(2.65+2.03)×1.5÷(1.0×4.65)=1.74kN/m2

（4）人工和設(shè)備荷載：P13=2.5kN/m2

翼板下荷載效應(yīng)的基本組合值為：p1=1.2×（p11+p12）+1.4×p13=1.2×（12.3+3.87）+1.4×2.5=22.9kN/m2

2.1.2 邊腹板部位荷載計算

（1）邊腹板混凝土自重荷載：2.21×1.0×26.5÷( 1.0×1.0)=58.6kN/m2，考慮超灌，系數(shù)取值1.05，則腹板部位混凝土荷載：p21=58.6×1.05=61.5kN/m2

（2）模板分布荷載計算：P22=1.0×( 2.36+0.8)×1.5÷( 1.0×1.0)=4.74kN/m2

（3）人工和設(shè)備荷載：P23=2.5kN/m2

邊腹板下荷載效應(yīng)基本組合值為：p2=1.2×(p21+p22)+1.4×p23=1.2×( 61.5+4.74)+1.4×2.5=83.0kN/m2

2.1.3 中腹板部位荷載

（1）中腹板混凝土自重荷載：3.13×1.0×26.5÷( 1.0×1.9)=43.65kN/m2。考慮超灌，系數(shù)取值1.05，則腹板部位混凝土分布荷載：p31=43.65×1.05=45.8kN/m2

（2）模 板 分 布 荷 載：p32=1.0×( 2.36+0.8)×2×1.5÷( 1.0×1.0)=9.48kN/m2

（3）人工和設(shè)備荷載：p33=2.5kN/m2

中腹板下荷載效應(yīng)的基本組合值為：p3=1.2×(p31+p32)+1.4×p33=1.2×( 45.8+9.48)+1.4×2.5=69.8kN/m2

2.1.4 底板部位荷載計算

（1）底板混凝土自重荷載計算：2.47×1.0×26.5÷( 1.0×3.5)=18.7kN/m2

考慮超灌，系數(shù)取值1.05，則腹板部位混凝土分布荷載：p41=18.7×1.05=19.6kN/m2

（2）模板分布荷載：p42=1.0×( 3.5+3.5)×1.5÷( 1.0×3.5)=3.0kN/m2

（3）人工和設(shè)備荷載：p43=2.5kN/m2

底板下荷載效應(yīng)的基本組合值為：p4=1.2×(p41+p42)+1.4×p43=1.2×( 19.6+3)+1.4×2.5=30.6kN/m2

2.1.5 頂板部位荷載計算

（1）頂板混凝土自重荷載計算

3.23×1.0×26.5÷( 1.0×6.2)=13.8kN/m2

考慮混凝土超灌，系數(shù)取1.05，則腹板部位混凝土分布荷載：p51=13.8×1.05=14.5kN/m2

（2）模板分布荷載

p52=1.0×( 1.8+2.4+1.8)×1.5÷( 1.0×6.2)=1.45kN/m2

（3）設(shè)備及人工荷載：p53=2.5kN/m2

頂板下荷載效應(yīng)的基本組合值為：p5=1.2×(p51+p52)+1.4×p53=1.2×( 14.5+1.45)+1.4×2.5=22.6kN/m2

翼板下外滑梁所受均布荷載為：q=22.9×1.0=22.9kN/m2

邊腹板下底縱梁所受均布荷載為：q=83.0×0.5=41.5kN/m2

中腹板下底縱梁所受均布荷載為：q=69.8×0.5=34.9kN/m2

底板下底縱梁所受均布荷載為：q=30.6×0.9=27.5kN/m2

頂板下內(nèi)滑梁所受均布荷載為：q=22.6×1.75=39.6kN/m2

2.2 主構(gòu)架驗算

主構(gòu)架前端變形圖如圖2所示。由圖2可知，主構(gòu)架最大變形13.2mm＜20mm，滿足施工要求。

圖2 主構(gòu)架前端變形圖 （單位：mm）

2.3 前上橫梁驗算

前上橫梁應(yīng)力如圖3所示。由圖3可知最大組合應(yīng)力為：34.4MPa＜215MPa，滿足強(qiáng)度要求。前上橫梁撓度如圖4所示。由圖4可知，最大變形為：14.2mm＜6550/400=16.4mm，滿足剛度要求。

圖3 8#塊前上橫梁應(yīng)力 （單位：MPa）

圖4 8#塊前上橫梁撓度（單位：mm）

2.4 底托系統(tǒng)驗算

底托系統(tǒng)應(yīng)力如圖5所示。最大組合應(yīng)力為：170.6MPa＜215MPa，滿足強(qiáng)度要求。底托系統(tǒng)撓度如圖6所示，最大變形為：3.0mm＜5300/400=13.25mm，滿足剛度要求。

圖5 8#塊底托系統(tǒng)應(yīng)力（單位：MPa）

圖6 8#塊底托系統(tǒng)撓度 （單位：mm）

2.5 滑梁驗算

內(nèi)外滑梁應(yīng)力如圖7所示，最大組合應(yīng)力為：113.4MPa＜215MPa，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求；內(nèi)外滑梁撓度如圖8所示，最大變形為：12.6mm＜5300/400=13.25mm，剛度滿足規(guī)范要求。

圖7 8#塊內(nèi)外滑梁應(yīng)力 （單位：MPa）

圖8 8#塊內(nèi)外滑梁撓度 （單位：mm）

2.6 吊桿驗算

吊桿應(yīng)力如圖9所示，由圖9可知，最大應(yīng)力為：536.2MPa＜700MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖9 8#塊吊桿應(yīng)力 （單位：MPa）

2.7 橫聯(lián)驗算

橫聯(lián)應(yīng)力如圖10所示，由圖10可知，最大組合應(yīng)力為：18.3MPa＜215MPa，滿足強(qiáng)度要求；橫聯(lián)撓度如圖11所示，最大變形為：0.1mm＜1375/400=3.4mm，滿足剛度要求。

圖1 掛籃結(jié)構(gòu)計算模型

圖10 8#塊橫聯(lián)應(yīng)力 （單位：MPa）

圖11 8#塊橫聯(lián)撓度 （單位：mm）

2.8 主構(gòu)架內(nèi)力與支點反力

主構(gòu)架內(nèi)力和支點反力分別見圖12、圖13所示。

圖13 8#塊主構(gòu)架支點反力 （單位:kN）

3 主構(gòu)架強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗算

3.1 澆筑時主構(gòu)架桿件強(qiáng)度及穩(wěn)定性計算

主構(gòu)架各桿件采用2[36b型鋼，截面參數(shù)[5]：A=13618mm2，Wx=1406000mm3，I=253034000mm4。

（1）桿件強(qiáng)度計算

上弦桿與后斜桿均為受拉桿件，其中后斜桿軸向拉力 最 大：N=1009kN；壓 應(yīng) 力：74.1MPa<[σ]=170MPa

（2）壓桿穩(wěn)定性計算

下弦桿與前斜桿均為受壓桿件，其中前斜桿軸向壓力最大：N=943kN；

故前斜桿穩(wěn)定性滿足要求。

3.2 澆筑時主構(gòu)架銷軸強(qiáng)度計算

（1）銷軸抗彎強(qiáng)度驗算

銷軸直徑80mm,采用40Cr材質(zhì)；彎矩：M=Fa=×0.015=7.57kN?m；壓應(yīng)力150.7MPa<480MPa，滿足要求。

（2）銷軸抗剪強(qiáng)度驗算

（3）節(jié)點板銷孔承壓計算

節(jié)點板板厚為20mm，每塊節(jié)點板單面焊20mm厚補(bǔ)強(qiáng)板，銷孔直徑D=80mm，壓力P=804.5/2=402.25kN；壓應(yīng)力=157.6MPa<300MPa，滿足要求。

（4）桿件銷孔承壓計算

槽鋼腹板厚為9mm，槽鋼腹板內(nèi)側(cè)焊20mm厚補(bǔ)強(qiáng)板，銷孔直徑D=100mm，壓力P=1057/2=528.5kN；壓應(yīng)滿足要求。

3.3 澆筑時主構(gòu)架抗傾覆計算

混凝土澆筑時抗傾覆計算：主縱梁后錨在澆筑8#塊3.75m節(jié)段混凝土?xí)r錨力最大，主桁架后錨力P1＝562.7kN，由模型得：傾覆力P=374.4kN；傾覆彎矩M=P×L=374.4×5.3=1984.3kN·m；后錨設(shè)置Φ32精軋螺紋筋4根，抗力為P1=4×562.7=2250.8kN；抗傾覆彎矩M1=P1×L1=2250.8×4=9003.2kN·m，抗傾覆系數(shù)K=M1/M=4.5>2，設(shè)計滿足規(guī)范要求。

3.4 錨固系統(tǒng)驗算

單個后錨點的最大錨固力為562.7kN，采用Φ32精軋螺紋鋼筋4根,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為785MPa。A=804.2mm2×4=3216.8mm2；σ＝N/A=562.7/3216.8=174.9MPa

4 結(jié)束語

綜上所述，橋梁懸臂在跨越河流的橋梁中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。本文以某特大橋為例，介紹了懸臂施工掛籃設(shè)計方案，對設(shè)計掛籃強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行驗算。驗算結(jié)果表明：掛籃主構(gòu)架，前上橫梁構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定都滿足規(guī)范要求；掛籃的精軋螺紋鋼吊桿以及后錨吊桿設(shè)計滿足規(guī)范要求。