某大跨度預應力混凝土連續(xù)梁懸臂現(xiàn)澆施工方案研究

文＿劉海彬 （廣西建設職業(yè)技術學院市政與交通學院，高級工程師，碩士）

一、概述

懸臂現(xiàn)澆法因具有不受地形影響、不侵占橋下凈空、可在不中斷橋下交通的情況下開展施工等優(yōu)勢，在大中跨徑的預應力混凝土連續(xù)梁橋中得到廣泛應用，尤其是應用于跨越山谷、既有道路和航道等障礙物的大橋。懸臂現(xiàn)澆法施工最主要的設備是一對能夠循環(huán)利用的掛籃，可以有效減少周轉材料的投入，實現(xiàn)周期性循環(huán)作業(yè)。隨著橋梁建造技術水平的不斷進步，掛籃已經(jīng)由過去笨重的壓重平衡式發(fā)展到現(xiàn)在通用的自錨平衡式，尤其是近十多年，三角形及菱形掛籃因其獨特的優(yōu)勢被廣泛應用于市政、公路和鐵路的橋梁上部結構施工中。

二、工程概況

某大跨度預應力混凝土連續(xù)梁橋采用懸臂現(xiàn)澆法施工，施工機具為菱形掛籃。大橋主橋跨徑組合為（90+165+90）m，橋長345m，橋梁下跨河道寬度約137m，航道線與橋軸線斜交偏角38.18°。主跨為單箱五室箱型界面，主墩支點處最大截面高度為7m，跨中合攏段最小截面高度為3.50m，最大懸臂狀態(tài)下單側共劃分為20個施工節(jié)段，最重節(jié)段430t。橋寬34m，位于半徑3000m的曲線上，塔高24m，是雙塔單索面矮塔斜拉橋，具有寬幅、曲線和矮塔等技術特點，技術實施難度較大。因此，在懸臂現(xiàn)澆及移動狀態(tài)下保持穩(wěn)定是大橋懸臂現(xiàn)澆法施工方案中需要解決的重難點。大橋立面圖如圖1所示。

圖1 大橋立面圖

三、懸臂現(xiàn)澆施工方案

大橋主梁采用懸臂現(xiàn)澆法的總體施工方案設計為：（1）通過支架法現(xiàn)澆0#節(jié)段，建造臨時固結措施并施加預應力與主梁進行臨時固結；（2）以0#梁段作為施工平臺，實施掛籃拼裝并試壓，根據(jù)測定的監(jiān)控數(shù)據(jù)和有限元模擬，確定每個節(jié)段的模板施工預拋高值，為掛籃底、側模提供數(shù)值支撐；（3）利用掛籃作為施工平臺，以0#梁段節(jié)段為中心向兩側逐段現(xiàn)澆接長，測定模板實際預拋高值，模擬并修訂下一節(jié)段掛籃底、側模施工預拋高值；（4）施工至最大懸臂狀態(tài)，進行邊跨和中跨合攏施工，拆除臨時固結措施，實施體系轉換。在大橋主梁的懸臂現(xiàn)澆方案中，掛籃是最主要的施工設備，其設計和運行方式將直接影響大橋的順利建造，并決定懸臂現(xiàn)澆時及移動過程中的安全穩(wěn)定狀態(tài)，因此，掛藍結構和運行的合理性是施工需要解決的關鍵性技術。

（一）掛籃的設計

根據(jù)施工進度需要，綜合橋寬、各梁段重量及曲線形態(tài)，大橋掛籃設計為2對4套，在2個主墩上方各安置1對掛籃，每對掛籃由2套分離式掛籃組成，共計8只掛籃，每套重約150t，主要由承重系統(tǒng)（采用菱形桁架作為主要承重結構）、懸吊系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、模板系統(tǒng)和工作平臺六大部分組成，主材選用Q235b鋼材，鋼材的容重取78.5kN/m3。

1.承重系統(tǒng)

每套掛籃包含2只分離式掛籃，每只掛籃包含3榀菱形桁架，通過橫向桁架將3榀菱形桁架聯(lián)結成整體，主桁架間距由左向右分別為5.40m、5.30m、2m、5.30m、5.40m，如圖2所示。單榀懸臂端主桁架由上下弦桿、斜桿和立桿組成，高3.06m、長10.50m，采用雙拼36a型槽鋼焊接而成，如圖3所示。

圖2 掛籃結構斷面圖

圖3 掛籃結構立面圖

2.懸吊系統(tǒng)

大橋掛籃懸吊系統(tǒng)由前上橫梁、前下橫梁、后下橫梁、吊桿（吊帶）、螺旋千斤頂和扁擔梁組成，用于懸掛模板系統(tǒng)。前上橫梁采用雙拼HN450×150×9×14型鋼焊接成箱型結構，前下橫梁、后下橫梁采用雙拼I100×10×450×20型鋼焊接成箱型結構；吊桿采用φ32JL785級精軋螺紋筋，抗拉強度980MPa。

3.走行系統(tǒng)

大橋掛籃走行系統(tǒng)由橋面鋪設的6根走道梁、6臺長行程千斤頂、2根外側模導梁、6套走行吊架及箱梁底板鋪設的2根挑梁組成。橋面鋪設的走道梁和長行程千斤頂與菱形桁架一一對應，因橋面較寬且單套掛籃主桁架數(shù)量較多，因此在移動時，設計2套掛籃協(xié)同作業(yè)；為保證走行系統(tǒng)同步運行，配套了液壓控制系統(tǒng)；外側模導梁選用HN450×150×9×14型鋼雙拼而成，單只外側模導梁在走行過程中通過2只走行吊架來承受翼緣板模板及部分外腹板模板的重量，并通過最后側1只走行吊架和前吊桿將承重荷載傳遞給已經(jīng)澆筑完成的箱梁節(jié)段和主桁架。

4.錨固系統(tǒng)

錨固系統(tǒng)采用后錨固方式平衡荷載壓重，主要由6套后錨固裝置、后調節(jié)油頂和反壓輪組成，以確保掛籃在懸臂澆筑狀態(tài)和走行狀態(tài)下能保持平衡，避免發(fā)生側翻等危險狀況。

5.模板系統(tǒng)

模板系統(tǒng)由底模、側模、內(nèi)模、端模、底?？v梁、側模加強桁架及橫向對拉精軋鋼組成，采用“側包底”的形式。為保證混凝土澆筑的完整性和外觀質量，底模和外側模均采用了整體鋼制大模板，底?？v梁選用HN350×175×7×11型鋼雙拼而成；內(nèi)模采用木模支撐體系，其容重取8kN/m3，以降低整體重量。同時，在兩外側模處設置3道橫向對拉精軋螺紋鋼作為模板體系的對拉螺桿，用以抵抗曲線段箱梁現(xiàn)澆混凝土因腹板側向傾斜的構造設計而產(chǎn)生的不均衡壓力。

6.工作平臺

工作平臺設置在前上、下橫梁及后下橫梁處，采用角鋼及小字號槽鋼焊接固定，并鋪設木板或模板，用于施工作業(yè)平臺，如通過千斤頂調節(jié)吊桿的長度來調節(jié)模板標高作業(yè)、混凝土的澆筑作業(yè)、預應力鋼筋的張拉和灌漿作業(yè)、焊縫及錨固體系的安全狀態(tài)檢查和維護作業(yè)等。

（二）懸臂現(xiàn)澆方案

大橋掛籃采用Midas Civil軟件（空間通用有限元結構分析軟件）進行建模分析，掛籃主材選用Q235b鋼材（容許彎曲應力158MPa、容許剪應力98MPa），吊桿選用φ32JL785級精扎螺紋鋼（設計抗拉強度980MPa），吊帶選用16Mn鋼材。施工工序為：（1）在橋的原位處采用落地支架現(xiàn)澆箱梁0#、1#（1′#）、2#（2′#）梁段；（2）拼裝掛籃并依次懸臂澆筑3#（3′#）至20#（20′#）節(jié)段；（3）進行邊跨合攏和中跨合攏現(xiàn)澆施工。梁段長度：0#、1#（1′#）、2#（2′#）節(jié)段合計總長20m，3#（3′#）梁段長3m，4#、5#（4′#、5′#）梁段長3.50m，6#～17#（6′#～17′#）長4m，18#～20#（18′#～20′#）長4.50m，邊跨和中跨合攏段長均為2m，其中，最重節(jié)段為7#（7′#）達430t，是最不利澆筑節(jié)段。施工荷載：豎向模板荷載取2kN/m2，水平模板荷載取2kN/m2，工作平臺施工荷載及堆載取2.50kN/m，混凝土振搗荷載取10.40kN/m。施工工況：（1）選取7#（7′#）梁段懸臂現(xiàn)澆狀態(tài)為最不利懸臂現(xiàn)澆工況；（2）選取掛籃分部移動到位和整體移動到位分別進行工況模擬，并確定最佳方案。掛籃利用Midas Civil軟件建立有限元模型如圖4所示。

圖4 掛籃有限元計算模型及受力分析

（三）最重節(jié)段澆筑時掛籃受力模擬分析

大橋最重節(jié)段為7#（7′#）梁段，長4m，重430t，懸臂現(xiàn)澆施工工況對掛籃要求最高，設定為最不利工況。掛籃設計重量150t，掛籃與7#（7′#）梁段懸澆梁段的質量比為150/430=0.35，小于0.50，符合規(guī)范要求。利用Midas Civil軟件建立模型并在最重節(jié)段澆筑工況下對掛籃進行受力模擬分析，如圖4所示。

1.主桁架受力分析

在7#（7′#）梁段懸臂現(xiàn)澆工況下，根據(jù)模擬顯示，單套掛籃中央2榀菱形主桁架受力最大，受力分析情況如表1所示。

表1 掛籃主桁架受力情況

其最大組彎曲應力σ軸力=77.60MPa＜容許彎曲應力[σ]=158MPa，滿足規(guī)范要求。

2.前上（下）橫梁、后下橫梁受力分析

掛籃前上橫梁由HN450×150×9×14型鋼雙拼焊接而成，前下橫梁由I100×10×450×20型鋼雙拼焊接而成，后下橫梁由I100×10×450×20型鋼雙拼焊接而成，其受力分析情況如表2、表3、表4所示。

表2 掛籃前上橫梁受力情況

表3 掛籃前下橫梁受力情況

表4 掛籃前下橫梁受力情況

前上橫梁、前下橫梁、后下橫梁的最大組彎曲應力均小于容許彎曲應力158MPa，最大剪應力也均小于容許剪應力98MPa，符合規(guī)范要求。

3.吊桿受力分析

掛籃前、后吊桿都選用φ32JL785級精軋螺紋筋，所受最大拉力為360kN，其最大拉應力為447.90MPa，小于設計抗拉強度980MPa，滿足規(guī)范要求。

從以上的掛籃有限元模擬分析可知，在最重節(jié)段梁段懸臂現(xiàn)澆施工工況中，掛籃主桁架、前后橫梁及吊桿等各組成構件的最大應力均小于規(guī)范規(guī)定的允許值，因而其設計方案可行。

（四）掛籃的移動方式優(yōu)化

根據(jù)大橋結構特點設計的掛籃，其主桁架長度達10.50m，為順利完成掛籃的拼裝，需將0#梁段、1#梁段、1′#梁段、2#梁段、2′#梁段總長共20m的梁段進行原位整體支架現(xiàn)澆作為施工和拼裝平臺，而懸臂現(xiàn)澆節(jié)段梁體施工則從3#（3′#）梁段開始。大橋掛籃最初按常規(guī)三步驟走行設計，主要步驟如下。

第一步：解除走道梁錨固狀態(tài)，利用長程千斤頂將走道梁沿著大橋縱軸方向頂推，到達設計位置后安裝錨固裝置。

第二步：懸臂現(xiàn)澆節(jié)段梁體完成混凝土養(yǎng)生和預應力張拉后，先放松2根底模后錨固吊桿；接著錨固挑梁的后端，拆除2根底模前長吊桿，將底模前端吊掛在挑梁上；再放松并拆除懸臂現(xiàn)澆節(jié)段梁體外側模導梁吊桿，將導梁吊放在走行吊架上。啟動走道梁上的長行程千斤頂，以走道梁作為固定反力點，頂推掛籃帶外側模導梁前移。

第三步：放松并卸下底模后長吊桿、挑梁吊掛點，將前、后下橫梁兩側分別吊掛在側模導梁上。啟動安裝于導梁前端的穿心千斤頂，拖拉底、側模到位。

此種掛籃走行方式是最為常規(guī)的方式，成功案例非常多，也是最穩(wěn)妥的施工方式。但是由于本工程施工工期較為緊張，按三步驟完成掛籃的移動耗費時間較多，可能會延長工期，對項目如期順利完成非常不利。為此，在掛籃正式施工前，提出第二種移動方案：將三步移動到位的方案調整到兩步移動到位的方案，即合并三步掛籃驟移動方式第二步和第三步，讓掛籃的底、側模隨著主桁架同步移動，這樣可以大大節(jié)省掛籃移動的時間。因此，此處在掛籃的移動方式上考慮第二種方案，利用Midas Civil有限元軟件分別分析三步移動到位的施工工況和整體移動到位的施工工況，通過對比，分析掛籃整體移動的可行性。

1.掛籃分步移動時各構件受力分析

掛籃分步移動和整體移動最主要的區(qū)別是，在走道梁推進到位后，先要主桁架帶動外側模導梁現(xiàn)行移動前行移動到位，然后底、側模梁在液壓頂進系統(tǒng)作用下通過走行吊架沿著外側模導向前移動就位。在該種情況下，掛籃各桿件的受力模擬分析如圖5所示。

圖5 掛籃分步移動時各桿件應力情況

在移動過程中，外側模導梁是主要的受力構件，選用HN450×150×9×14雙拼型鋼結構，其最大組合應力91MPa，小于容許彎曲應力158MPa，符合規(guī)范要求。

此外，完成懸臂現(xiàn)澆梁段的養(yǎng)護和預應力筋張的后，在掛籃走行狀態(tài)下，前、后下橫梁在走行時只有兩端吊點，底模荷載按均布荷載加載在前、后下橫梁上，經(jīng)計算焊接箱形截面梁強度滿足要求，主要受變形位移的控制，最大位移fmax=55.30mm＜L/400=27200/400=68mm，滿足要求，如圖6所示。

圖6 掛籃走行狀態(tài)下位移分析

2.掛籃整體移動時各構件受力分析

掛籃整體移動方案，第一步與分步移動一致，即現(xiàn)行頂推走道梁到設計位置就位，第二步是主桁架帶動底、側模同步移動到位，在此過程中，外側模導梁通過吊帶與底側模銜接，主桁架通過前上橫梁上設置的9根吊桿與前下橫梁銜接，則其移動便節(jié)省吊桿反復拆除與安裝等步驟，可大量節(jié)省人工和時間。

在整體移動過程中，底模重力荷載通過設在前、后下橫梁上的吊桿傳遞給主桁架，故外側模導梁和前、后上橫梁是主要的受力構件。如圖7所示，外側模導梁的最大組合應力28.20MPa，前、后下橫梁最大組合應力均為29.40MPa，均小于容許彎曲應力158MPa，符合規(guī)范要求。

圖7 掛籃整體移動時各構件應力情況

3.分析結果

通過掛籃分步移動和整體移動兩個施工工況的模擬發(fā)現(xiàn)，兩種工況下掛籃因是空載運行，其應力要小于懸臂現(xiàn)澆狀態(tài)，但是掛籃整體移動各桿件的最大組合應力比分步移動要低很多，并且具有縮短移動周期的優(yōu)勢。

四、方案實施及其效果

大橋在實際施工中，在懸臂澆筑3#（3′#）梁段時，掛籃采用分步移動方式，掛籃從完成移動到模板標高調整共耗時7天；在澆筑懸臂澆筑4#（4′#）梁段時，采用整體移動的方式，掛籃從完成移動到模板標高調整共耗時2天，單個梁段施工周期縮短5天，除第二次移動后模板調整熟練程度提升等原因外，掛籃仍具有明顯優(yōu)勢，故從5#（5′#）梁段開始至20#（20′#）梁段懸臂澆筑施工，掛籃均采用整體移動方式。掛籃整體移動的方式為大橋的順利貫通提供了有力的保證。因此，掛籃移動方案的研究和實踐成果對于同類采用懸臂現(xiàn)澆法施工的寬幅大跨度橋梁而言，可以提供借鑒，具有推廣意義。