公路橋梁施工掛籃反力架預(yù)壓試驗(yàn)分析研究

劉政 向海岳

廣州市市政集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510030

懸臂澆筑法在大跨徑公路橋梁施工中應(yīng)用較為廣泛，為保證懸臂澆筑施工的安全性，同時(shí)為獲取掛籃結(jié)構(gòu)彈性變形數(shù)據(jù)及消除非彈性變形，需要在掛籃正式使用前進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)。

傳統(tǒng)掛籃預(yù)壓試驗(yàn)加載方法主要以堆載為主，如沙袋、水箱、鋼筋等。高墩、高塔橋梁采用堆載預(yù)壓，由于所需堆載量過大，必須提前準(zhǔn)備大量的堆載物，還要進(jìn)行相應(yīng)的制作和加工準(zhǔn)備工作，工人操作空間狹小，安全隱患較多。而且都為高空作業(yè)，起吊有較大的安全隱患[1]。因此近年來(lái)掛籃預(yù)壓加載試驗(yàn)方式不斷推陳出新，諸多專家學(xué)者對(duì)各種方式進(jìn)行了研究分析。張維偉等[1]通過在某斜拉橋主墩承臺(tái)上預(yù)埋精軋螺紋鋼筋傳力至掛籃主桁前橫梁進(jìn)行反支點(diǎn)掛籃預(yù)壓；王敬濤等[2]以老山河大橋?yàn)橐劳校芯苛肆庑螔旎@桁架地面預(yù)壓加載工藝；黨濤等[3]以石川河特大橋?yàn)槔治隽嗽谙淞?號(hào)塊腹板安裝三角反力架，使用千斤頂反壓的加載試驗(yàn)方式。在如上所述的幾類掛籃預(yù)壓試驗(yàn)方式中，腹板安裝反力架反壓加載的試驗(yàn)方式具有受場(chǎng)地影響小，加載過程便捷、高效，材料循環(huán)利用率高等優(yōu)勢(shì)，針對(duì)大尺寸箱梁，此方法避免了堆載高度過大產(chǎn)生的傾覆、墜落等安全隱患。常規(guī)做法將反力架安裝于箱梁腹板端面，每個(gè)反力架配套一臺(tái)千斤頂即可模擬掛籃荷載，但對(duì)于寬度較大的箱梁，常規(guī)做法中千斤頂加載位置集中于腹板位置，難以準(zhǔn)確模擬箱梁底板實(shí)際整體荷載分布，且在加載過程中底籃局部受力過大，有造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致預(yù)壓試驗(yàn)可靠性、安全性不足。

筆者結(jié)合廣州大石水道橋掛籃預(yù)壓試驗(yàn)，通過有限元模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，探究出反力架預(yù)壓試驗(yàn)的改進(jìn)辦法。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

大石水道橋?yàn)閼冶郜F(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)。跨徑73m+125m+67m，箱梁斷面為單箱單室直腹。箱梁頂寬16.75m，底寬8.5m，翼緣板寬4.125m，根部梁高6.977m，腹板厚度50～85cm，底板厚32.3cm～84.3cm，頂板厚度30cm。由于0#塊長(zhǎng)度僅4m，無(wú)法滿足掛籃拼裝場(chǎng)地要求，因此將箱梁0#和1#塊共同在托架上澆筑，總長(zhǎng)度為10m，具備掛籃拼裝起始長(zhǎng)度的條件，懸臂澆筑的箱梁中最重塊段為2#塊，長(zhǎng)度3m，重量為189.4t。

1.2 掛籃概況

箱梁懸臂澆注采用菱形掛籃進(jìn)行施工，由如下幾部分系統(tǒng)構(gòu)成：

主桁系統(tǒng)：由菱形主桁架、橫向聯(lián)結(jié)系組成。桁架主桿件采用Q345材質(zhì)鋼構(gòu)件，桁架整體及各節(jié)點(diǎn)使用高強(qiáng)螺栓連接而成，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)焊接。橫向聯(lián)結(jié)系為L(zhǎng)型鋼及槽鋼焊接成整體，與桁架進(jìn)行栓接。

走行系統(tǒng)：包括軌道墊梁、軌道壓梁、行走軌道、前支座、反扣輪組、內(nèi)外滑梁、吊架、千斤頂。

錨固系統(tǒng)：每側(cè)掛籃錨固系統(tǒng)采用6根Φ32精軋螺紋鋼筋分兩側(cè)將掛籃后端固定于梁頂，精軋螺紋鋼筋下端通過螺帽及墊板固定于箱梁箱室頂部，上端通過壓梁緊固掛籃主桁后箱室。

底籃系統(tǒng)：底籃為直接承重受力部位，該項(xiàng)目底籃采用H35型鋼縱梁，腹板下部間距20cm，箱室下部間距80cm，縱梁下部前后下橫梁均為2*H60型鋼。

懸吊系統(tǒng)：底藍(lán)前端設(shè)4個(gè)吊點(diǎn)，前吊帶采用鋼板吊帶，底藍(lán)后端設(shè)8個(gè)吊點(diǎn)，吊桿采用Φ32精軋螺紋鋼筋。

圖1 掛籃立面圖

2 掛籃反力架預(yù)壓加載分析

2.1 常規(guī)反力架預(yù)壓加載分析

常規(guī)反力架安裝于箱梁腹板，每個(gè)反力架下部放置一臺(tái)千斤頂，即單側(cè)掛籃由兩臺(tái)千斤頂同步分級(jí)加載，最大加載值取110%設(shè)計(jì)荷載。荷載通過千斤頂下部墊梁（型號(hào)2*I32b）傳遞至底模及底籃系統(tǒng)，最大重量節(jié)段為189.4t，每臺(tái)千斤頂加載最大值為1041.7KN。

圖2 常規(guī)反力架預(yù)壓加載

按此加載方式建立計(jì)算模型，對(duì)底籃受力、變形情況進(jìn)行模擬計(jì)算，可知底籃系統(tǒng)在預(yù)壓荷載條件下，彎拉應(yīng)力、剪切應(yīng)力極值均出現(xiàn)于腹板下縱梁（型號(hào)H35型鋼）位置，彎拉應(yīng)力最大值318.3MPa，剪切應(yīng)力最大值74MPa。底籃最大形變28mm。掛籃底籃材料均為Q345鋼材，設(shè)計(jì)彎拉應(yīng)力極限取305MPa，剪切應(yīng)力極限取175MPa，由計(jì)算結(jié)果可知，此類加載方式若加載全部梁節(jié)段荷載，局部彎拉應(yīng)力超出材料設(shè)計(jì)極限，容易對(duì)底籃縱梁造成破壞，存在一定安全隱患，且荷載過于集中，與實(shí)際施工情況偏差較大。

2.2 改進(jìn)反力架預(yù)壓加載分析

此橋箱梁底寬達(dá)到8.5m，為更準(zhǔn)確模擬箱梁底板實(shí)際整體荷載分布，對(duì)反力架加載方式進(jìn)行改進(jìn)，在腹板所安裝反力架下部平行底籃托梁方向焊接2*I45a水平橫向鋼梁，在鋼梁下部并排放置4臺(tái)千斤頂，利用等效荷載，計(jì)算各個(gè)千斤頂?shù)淖畲箢A(yù)壓噸位，細(xì)分塊段中截面，得到多個(gè)矩形或梯形的面積[4]，如圖3所示。力矩平衡點(diǎn)選擇在截面對(duì)稱面，建立二元一次方程求解F1，F(xiàn)2預(yù)壓荷載設(shè)計(jì)值：

圖3 常規(guī)反力架預(yù)壓模擬計(jì)算結(jié)果

其中，F(xiàn)1為靠近腹板千斤頂荷載值，F(xiàn)2為靠近對(duì)稱面千斤頂荷載值；L1,L2為F1，F(xiàn)2至對(duì)稱面的距離；Ga～Gg為劃分各區(qū)域重力，Xa～Xg為劃分各區(qū)域質(zhì)心至對(duì)稱面的距離，具體數(shù)值見表1。由此方程求得F1=699.5KN，F(xiàn)2=247.5KN。則按110%設(shè)計(jì)荷載，F(xiàn)1加載最大值為769.45KN，F(xiàn)2加載最大值為272.25KN。

表1 加載計(jì)算取值

按改進(jìn)后的加載方式建立計(jì)算模型，對(duì)底籃受力、變形情況進(jìn)行模擬計(jì)算，可知底籃系統(tǒng)在預(yù)壓荷載條件下，彎拉應(yīng)力、剪切應(yīng)力極值同樣出現(xiàn)于腹板下縱梁（型號(hào)HN350×175）位置，但彎拉應(yīng)力最大值僅為225.2MPa，剪切應(yīng)力最大值52.5MPa。底籃整體最大形變19mm。由計(jì)算結(jié)果可知，用改進(jìn)后的加載方式加載全部梁節(jié)段荷載，底籃縱梁彎拉應(yīng)力、剪切應(yīng)力均處于材料設(shè)計(jì)極限值以內(nèi)，試驗(yàn)不會(huì)對(duì)底籃縱梁造成破壞，因此在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用改進(jìn)后的加載方式，每側(cè)掛籃使用4臺(tái)千斤頂同時(shí)加載預(yù)壓。

3 掛籃反力架預(yù)壓改進(jìn)后加載試驗(yàn)

依照表1及圖4中相關(guān)數(shù)據(jù)和位置設(shè)置好反力架及千斤頂，按圖6在掛籃底籃前后下橫梁設(shè)置C1～C6高程測(cè)點(diǎn)，在兩側(cè)縱梁設(shè)置C7Z，C7Y兩個(gè)高程測(cè)點(diǎn)。依照表2設(shè)置每側(cè)4臺(tái)千斤頂分級(jí)加載荷載值以及持續(xù)時(shí)間。在加載達(dá)到110%設(shè)計(jì)荷載時(shí)，持續(xù)觀測(cè)各位移測(cè)點(diǎn)，確認(rèn)變形穩(wěn)定后再逐步卸載。

表2 預(yù)壓分級(jí)加載值

圖4 改進(jìn)反力架預(yù)壓加載示意圖

圖5 改進(jìn)反力架模擬計(jì)算結(jié)果

使用全站儀測(cè)量位移數(shù)據(jù)并記錄，可知左右幅大小里程側(cè)掛籃荷載-變形數(shù)據(jù)相近，且變化規(guī)律基本一致，如圖7～圖9為右幅10#軸大里程側(cè)荷載-變形曲線。由圖可知掛籃底籃在預(yù)壓加載過程中，最大變形值為C2測(cè)點(diǎn)，變形值-35mm，變形值為掛籃各部件變形值累加，因此數(shù)值大于底籃變形計(jì)算值，同步卸載后，各測(cè)點(diǎn)剩余變形值為-1至-3mm，由此可知該項(xiàng)目掛籃非彈性形變值僅-1至-3mm。

圖7 掛籃底籃前下橫梁荷載-變形曲線

圖8 掛籃底籃后下橫梁荷載-變形曲線

圖9 掛籃底籃縱梁荷載-變形曲線

4 結(jié)論

針對(duì)梁體較寬大的懸臂現(xiàn)澆單室箱梁掛籃預(yù)壓試驗(yàn)，僅在腹板位置加載全部設(shè)計(jì)荷載可能會(huì)導(dǎo)致掛籃構(gòu)件局部應(yīng)力超限，造成損壞，且無(wú)法準(zhǔn)確模擬掛籃實(shí)際受力情況。改進(jìn)掛籃反力架結(jié)構(gòu)，在腹板所安裝反力架下部平行底籃托梁方向焊接橫向鋼梁，使用多臺(tái)千斤頂分配加載可保證掛籃構(gòu)件安全。利用等效荷載法確定多臺(tái)千斤頂?shù)募虞d值，能夠以更貼近實(shí)際施工荷載的形式加載全部設(shè)計(jì)荷載，從而消除掛籃整體的非彈性形變，從試驗(yàn)中獲得的彈性形變規(guī)律也為后續(xù)施工中底籃標(biāo)高調(diào)整給予了量化依據(jù)，使得施工前對(duì)底籃的標(biāo)高調(diào)整更為精確。