橋梁工程建設中掛籃整體結構設計與計算

杜岳濤

陜西省鐵路投資（集團）有限公司 陜西 西安 710199

在橋梁工程的建設中，掛籃施工是主要的施工方式，其主要的作用是確保在整個橋梁的建設中提升混凝土澆筑施工質量。橋梁工程建設開始前，應從設計出發總結出掛籃施工的細節和要求，并做好現場施工穩定性與強度控制，設計人員詳細計算與分析各項參數，保證符合要求，從而提高橋梁施工效果，提升橋梁工程建設水平。

1 工程概況

某橋梁工程在其橋梁工程建設施工中，由于該橋梁工程的施工環境十分復雜，因此需要設計人員在結合其施工環境的基礎上，對其工程施工掛籃結構進行設計與計算。某橋梁工程建設中的掛籃結構設計是基于對該橋梁工程施工現場的實際情況進行分析和研究的基礎上進行的，該橋梁工程在實際建設施工中采用懸臂澆筑法對該橋梁工程進行施工。在掛籃結構設計與計算中，其主要包括主梁、掛籃及模板等部分。首先是主梁結構，其主要包括底板、頂板、翼板和腹板等部分；其次是掛籃結構，其主要包括前橫梁、底縱梁、后橫梁以及底縱梁和腹板梁等部分；最后是模板，其主要包括前后橫梁以及模板支承架等部分。在對掛籃結構進行設計與計算中，由于該橋梁工程是一座獨塔雙索面預應力混凝土連續剛構橋，因此掛籃整體結構的受力狀況十分復雜。在對該掛籃整體結構進行設計與計算時，主要按照主梁長度、掛籃長度和懸臂長度這三種因素進行掛籃整體結構設計。同時對于掛籃整體結構的計算要點進行分析和總結：在對掛籃結構進行設計時，其計算要點為：①掛籃整體結構的受力分析；②對掛籃各桁條受力情況進行分析；③對各桁條桿件應力和變形情況進行分析；④對掛籃桿件內力進行計算。

1.1 掛籃結構設計

在對掛籃結構進行設計與計算時，其主要采用MIDASCivil軟件對掛籃整體結構進行設計與計算。同時在此基礎上，還需要根據掛籃懸臂長度這一因素來確定掛籃的主梁部分，進而有效確保整個掛籃的整體結構強度和剛度達到要求。同時在此基礎上，還需要根據掛籃的荷載情況來確定掛籃的主桁條高度，并通過相應的計算公式來對主桁條高度進行確定。同時，需要根據主桁條高度來確定其橫隔板的設置情況。在對掛籃主梁進行設計與計算時，其主要是通過下弦桿與上弦桿來實現對掛籃主梁的承載作用。在此基礎上，還需要根據掛籃結構中各桁條桿件所承擔的重量及所受荷載情況來確定其配重情況。

1.2 掛籃桿件內力計算

在對該橋梁工程掛籃結構進行計算時，可以采用等效簡化的方法，即通過簡化掛籃結構中各桁條桿件的形狀和尺寸來實現對該橋梁工程掛籃桿件內力計算的。在等效簡化方法中，主要是將掛籃結構中各桁條及掛籃結構中的底縱梁、前橫梁、后橫梁以及底縱梁和腹板梁等部分簡化為桿系模型，其主要考慮以下三種因素：①將掛籃整體結構中各桁條和掛籃結構中各桁條與主梁連接部位作為整體進行分析計算，因為該橋梁工程中，其主梁高度和跨度存在差異。同時由于該橋梁工程主梁的高度在12.000m～19.000m之間，因此掛籃桿件之間的距離并不是十分固定，因此需要對其進行詳細的計算。②通過將掛籃結構中各桁條及掛籃結構中各桁條與主梁連接部位作為整體進行分析計算，該橋梁工程中的主桁條桿件間距離為13.000m～19.000m之間，因此需要對其進行詳細的計算。③根據上述計算結果可以發現，如果將該橋梁工程的主梁高度在12.000m～19.000m之間進行考慮，那么其最大撓度會出現在掛籃結構最上方位置。由于該橋梁工程屬于獨塔雙索面預應力混凝土連續剛構橋，因此其受力狀態十分復雜，因此需要對其進行詳細的分析和研究。

表1 掛籃縱、橫梁計算

首先是主梁結構中預應力的布置，預應力布置時需要結合主梁結構中各節點之間的距離和位置進行確定。該橋梁工程在實際建設施工中，需要對其掛籃結構進行設計和計算，其中主梁長度為15.8m，主梁長度為15m和12m兩種。同時根據相關規定，在對該橋梁工程進行施工設計時，需要對掛籃懸臂長度進行適當增加。其次是掛籃結構中預應力的布置，在對其掛籃結構進行設計與計算時，其預應力布置需要結合主梁長度及懸臂長度這兩種因素進行確定。同時根據相關規定，在對其掛籃結構中預應力布置時，需要確保預應力的間距值在25m左右。最后是主梁中預應力的張拉問題，預應力張拉問題主要是針對主梁中的縱向預應力施加問題進行研究和探討。在該橋梁工程建設施工中需要設計人員對主梁中縱向預應力施加方案進行確定[1]。

2 掛籃結構分析

橋梁工程建設中掛籃結構設計與計算主要是對掛籃進行受力分析，而受力分析的基礎則是掛籃結構設計的合理性。對于掛籃結構設計的合理性而言，其主要指的是掛籃結構設計中能夠根據荷載進行合理受力，從而保證掛籃結構設計的穩定性與可靠性。通過對實際工程進行分析后發現，掛籃結構屬于懸臂式連續梁橋，其懸臂長度為35m，而懸臂施工一般采取掛籃懸臂澆筑法施工，在該工程施工中需要考慮到很多方面因素的影響，如：混凝土強度、溫度以及施工荷載等，因此在對其進行分析時必須要全面考慮到各種因素對于掛籃結構受力產生的影響，確保掛籃結構具有較高的穩定性與可靠性，從而為橋梁工程建設打下堅實的基礎。

2.1 掛籃重量

掛籃結構重量是影響掛籃結構設計合理性的重要因素，其中，重量與掛籃結構受力大小之間具有直接的關系，當掛籃結構的重量越小時，其所承受的荷載就會越小。由于在進行掛籃結構設計時，并不是所有因素都會對掛籃結構的受力產生影響，如：掛籃重量、材料性能、施工方式以及施工工藝等都會對掛籃結構的受力產生直接影響。因此在掛籃結構設計時，必須要結合掛籃結構受力大小對其進行合理設計，只有這樣才能保證掛籃結構設計能夠滿足橋梁工程施工需求。另外，在對掛籃結構進行計算時必須要全面考慮到各種因素所帶來的影響，其中主要包括：溫度變化、混凝土澆筑以及荷載作用等，從而確保掛籃結構設計能夠滿足施工需求。

2.2 荷載類型

通過對橋梁工程建設中掛籃結構分析可知，橋梁工程建設中掛籃結構設計與計算所考慮的荷載主要有三種，即：施工人員重量、施工材料重量以及模板重量。在實際操作中，施工人員的重量可以通過承重的方式直接施加到掛籃結構上，而材料重量可以通過移動、拖拉等方式間接施加到掛籃結構上，因此在對掛籃結構進行分析時必須要全面考慮到三種不同形式的荷載。通過對橋梁工程建設中掛籃結構設計與計算的研究可知，對于三種不同類型的荷載而言，其受力方式存在著一定區別。如：施工材料重量主要是通過移動、拖拉等方式施加到掛籃上，而模板重量則是通過移動籃結構上。因此在對橋梁工程建設中掛籃結構進行分析時必須要全面考慮到三種不同類型的荷載，只有這樣才能確保橋梁工程建設中掛籃結構設計與計算具有較高的可靠性與合理性[2]。

3 掛籃的設計和計算

3.1 懸吊系統

懸吊系統是掛籃結構中的關鍵組成部分，對于懸吊系統而言，主要分為主吊桿和橫梁兩個部分。主吊桿和橫梁由銷軸連接，而主吊桿與橫梁之間則采用高強螺栓連接。在設計過程中，為了增強掛籃的剛度，提高掛籃的穩定性和安全性，通常會采用高強螺栓來對其進行連接，同時對于掛籃上的錨具也進行了相應的改進，使其更加適合于錨固在混凝土中。根據本例工程的實際情況來看，由于該橋梁工程在施工過程中采用的是掛籃施工法進行橋梁施工，因此，在進行懸吊系統設計時要充分考慮到掛籃施工過程中懸臂段橫向移動時可能產生的拉力對掛籃梁上的錨具的影響。因此在進行懸吊系統設計時要對錨具進行相應的優化設計。在本次研究中采用了一種新型錨固結構形式來替代傳統錨固結構形式，該錨固結構主要由兩部分組成：上錨頭和下錨頭。上錨頭主要采用優質螺栓與下錨頭連接形成整體；下錨頭主要采用高強螺栓與下錨頭連接形成整體。由于上、下錨頭之間不需要接觸摩擦，因此其受力更加合理可靠。

3.2 模板系統

（1）模板系統是掛籃的重要組成部分，在其設計過程中要根據實際情況對底模和內模進行設計。其中底模的設計是在底模內肋的基礎上進行，為了方便施工，在內肋中設置了幾道縱梁；而模板的設計則是在模板內肋外肋上進行，為了保證模板具有足夠的強度和剛度，在模板外側肋板上設置了縱梁，通過對縱梁的使用，保證模板具有足夠的剛度。（2）內模主要是指在主桁架的腹板下設置的模板。內模與底模內肋之間通過一定方式進行連接，保證連接方式的合理設計。（3）本例中所采用的模板系統采用可拆式薄壁型鋼加工而成，模板內側腹板設置了若干縱梁，的間距為450mm。為了保證在混凝土澆筑過程中可以有效進行施工作業，在澆筑前將該部分腹板澆筑完成。（4）在本例中所使用的模板系統為一套組合式模板系統，該系統由底模、內模以及外模三部分組成。其中內模是指在底模之上設置內肋。通過對內肋進行合理的設計可以有效提高混凝土澆筑作業效率。（5）模板系統中設置有一道縱梁和兩道橫梁，其作用在于為箱梁提供橫向支撐。為了保障施工安全和施工效率，在混凝土澆筑過程中要保證內肋與外肋板之間保持一定的間隙。（6）為了保證混凝土澆筑作業順利進行，需要設置側模。為了有效降低對腹板的壓力和降低對斜腹板的壓力，需要將側模設置為斜腹板形式；為了滿足施工要求，需要對底模內肋進行合理設計。

3.3 底模系統

（1）對于底模系統而言，其主要作用是對錨固于箱梁內的掛籃進行支撐，根據掛籃結構所采用的模板系統和懸吊系統計算結果可知，懸吊系統所承受的最大荷載為128.74kN，錨固于箱梁內的底模系統承受的最大荷載為181.21kN，在底模系統中最大壓力值為129.76kN。（2）在本例中采用MIDAS軟件進行建模分析，根據計算結果可知，本例中主要計算點的應力和位移變化情況：底模系統底部錨固點的最大應力為136.95MPa，其位移量為9.83mm。在進行分析時要考慮到錨固點的剪力和彎矩。（3）對于本例而言，通過分析發現在掛籃結構中錨固系統所承受的最大壓力值為174.03kN，最大壓力值出現在內模與底模之間，錨固系統所承受的最大壓力值為153.84kN，因此在進行設計時要將錨固系統作為一個重點進行設計。

3.4 錨固及銷軸驗算

在進行錨固力計算時，斜拉錨固的結構應力主要包括主桁架梁、橫梁、腹板和斜拉索。其中在主桁架梁部分，其應力主要集中于主梁中下部和兩個邊橫梁之間；在橫梁部分，其應力主要集中在兩根主梁之間的斜拉索上；在腹板部位，其應力主要集中在主桁架梁的中部位置。通過對以上各點進行分析計算后可以得出結論：本例中的錨固系統能夠滿足實際施工要求。在施工過程中需要對錨固力進行計算，其中要根據實際情況對主桁架梁、橫梁以及斜拉索的節點進行選擇，在選取節點時要保證其可靠和穩定，并且要使結構具有良好的剛度，這樣可以有效保證掛籃的穩定性[3]。

4 掛籃拼裝

（1）掛籃拼裝應在模板、主梁及模板等全部安裝完成后進行。首先將底模板支承在基礎上，然后再將底模用螺栓連接在底模上，再將上、下橫梁及主梁與底模焊接。當焊接完成后，應對掛籃進行檢查，如果發現存在問題，應立即進行處理。（2）拼裝完成后，必須對掛籃進行預壓，預壓時將主梁前、后橫梁、底模等全部預壓荷載施加到掛籃上，檢查掛籃的各部件是否有異常情況。如發現問題必須立即處理。（3）在主梁安裝時，應根據圖紙要求選擇合適的節段長度，在安裝過程中應先安裝頂板和底板，然后再安裝側板。

4.1 掛籃的安裝

（1）安裝前、后橫梁。掛籃底模板安裝完畢后，應對底模進行檢查，其尺寸應符合圖紙設計要求。掛籃的上、下橫梁均采用Φ32精軋螺紋鋼制作，經預埋螺栓連接固定在模板上，以保證結構的穩定性。由于掛籃的側模采用型鋼制作，為了方便安裝，側模主框架在模板外側與模板連接后再與模板相連；將底模與底模連接在一起后再安裝前、后橫梁，然后將上、下橫梁用螺栓連接在底模。（2）安裝底模并調整標高。先將底模整體校正到設計標高后再把底模往上移，用螺栓將底模與模板連接在一起。（3）安裝腹板模板，必須按圖紙設計要求進行加工和安裝，保證其平整、光潔并能承受梁的自重及其他施工荷載；腹板側板也同樣采用精軋螺紋鋼制作，經預埋螺栓與側板連接。

4.2 掛籃預壓試驗

（1）掛籃預壓試驗的主要目的是為了保證掛籃的安全性，使掛籃的各個部位的承載能力符合設計要求。試驗荷載選取主要以混凝土的最大壓力作為主要荷載，通過對各關鍵部位進行測量，在確定無異常后，對掛籃進行卸載。（2）對預壓試驗數據進行記錄，并對整個掛籃進行全面分析，使掛籃的實際承載能力滿足設計要求。（3）當實際測試數據與設計值存在一定偏差時，應根據測試數據來調整預壓壓力，使實際掛籃承載力和設計荷載基本相符。（4）在掛籃預壓過程中，應嚴格按照規范要求進行操作，以確保整個掛籃安全可靠。（5）預壓結束后，應對掛籃進行全面檢查，確保所有結構安全可靠。

5 結束語

綜上所述，本文通過對某橋梁工程掛籃整體結構設計與計算進行研究，對掛籃整體結構設計與計算進行了詳細分析。首先，從掛籃設計的基本要求入手，明確了掛籃整體結構的設計原則和注意事項，為掛籃整體結構的計算提供了依據。其次，本文結合實際工程案例，對掛籃整體結構的設計要點進行詳細分析，通過對該工程的掛籃結構進行有限元計算分析可知，該工程掛籃整體結構滿足設計要求。最后本文根據工程實際情況，提出了相應的掛籃設計質量控制措施，確保了該工程掛籃施工的安全性與穩定性。通過本文的研究，有助于進一步提高橋梁工程掛籃整體結構設計水平，提升其計算的準確性和可靠性。