恒太河大橋900t 大承載后支點掛籃設(shè)計

羅創(chuàng)民，馬存驥，榮勁松，王胤彪

（中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510450）

0 引言

后支點施工掛籃結(jié)構(gòu)輕巧、可一次移籃到位，形式多以菱形為主。 由大量工程實踐可知［1-6］，此類掛籃適用于長度5m 內(nèi)、承載力1 000 ～4 000kN、掛籃自重荷載比約為0.4 的懸澆梁段。 少數(shù)梁拱組合橋和矮塔斜拉橋的主梁采用后支點掛籃懸澆施工時，因橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎獨到，存在橋幅寬、箱梁內(nèi)室多、懸澆梁段塊體質(zhì)量極大等特點，導(dǎo)致所用的掛籃主桁榀數(shù)增多、內(nèi)模增加、掛籃自重相應(yīng)加大。 從國內(nèi)外少量施工案例看，這類超大承載力后支點掛籃的結(jié)構(gòu)與連續(xù)剛構(gòu)橋常規(guī)所用掛籃基本一致，在技術(shù)方面沒有較大改進提升，存在操作繁瑣、多榀桁架前移不同步、變形難以控制等不足。對于承載力＞9 000kN 的后支點掛籃，在國內(nèi)外尚無實施案例，因此，本文對超大承載力后支點施工掛籃進行研究和創(chuàng)新。

1 工程概況

恒太河大橋位于重慶市萬州區(qū)，大橋全長540m，橋型布置為（65＋110＋180＋110＋65）m，屬于大跨徑鋼管混凝土梁拱組合橋，主梁采用連續(xù)梁體系。 主橋上部設(shè)置單面鋼管組合型拱肋，采用鋼吊桿與混凝土主梁相連，橋梁上部結(jié)構(gòu)總體施工順序為先梁后拱，大橋立面如圖1 所示。 恒太河大橋主梁為單箱四室預(yù)應(yīng)力變截面箱梁，頂板寬36m，底板寬24.39～26.59m，兩側(cè)懸臂長均為4m，梁高從墩頂9.5m 向跨中4m 以1.8 次拋物線過渡。 箱梁內(nèi)每隔1 個梁段設(shè)置1 道吊桿橫梁，箱梁頂面設(shè)2%雙向橫坡。 2，3 號主墩兩側(cè)主梁采用掛籃懸澆施工，墩頂現(xiàn)澆段長度為14m，各主墩單側(cè)共懸澆21 個梁段，懸澆梁段縱向分段長度為（2×3＋19×4.0）m，懸澆梁段最大質(zhì)量為903t。 主梁截面如圖2 所示。

圖1 恒太河大橋立面Fig.1 Facade of Hengtai River Bridge

圖2 主梁截面Fig.2 Main girder section

2 掛籃設(shè)計難點

2.1 結(jié)構(gòu)安全保證

懸澆梁段最大質(zhì)量為903t，橋梁設(shè)計圖紙要求掛籃自重（含模板）≤361t，即掛籃自重荷載比控制在0.4 內(nèi)。 從此項要求看，掛籃應(yīng)具備超大承載力且結(jié)構(gòu)輕巧。 因此，確保掛籃結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全是掛籃設(shè)計首要考慮的重難點問題。

2.2 變形控制

懸澆梁段質(zhì)量大、橋幅寬36m、單箱四室的結(jié)構(gòu)決定了掛籃主桁榀數(shù)、后錨點數(shù)量以及前吊帶數(shù)量都會相應(yīng)增加。 掛籃在橋梁同一橫斷面方向受力點變多，受人為操作誤差影響更大，易造成某些點未充分受力或完全沒受力，再加上各受力點都存在不同的非彈性變形，導(dǎo)致掛籃總體變形增加或同一橫斷面方向出現(xiàn)較大的不均勻變形。 這種偏大的掛籃變形易導(dǎo)致橋梁線形不流暢、橋梁表面出現(xiàn)細微裂縫等質(zhì)量問題。 因此，須對掛籃變形進行重點控制。

2.3 行走安全保證

掛籃自重＞300t，屬于超大型后支點施工掛籃，空載移籃時的傾覆力矩遠大于連續(xù)剛構(gòu)橋常規(guī)所用的掛籃，抗傾覆的主桁行走機構(gòu)設(shè)計最重要，因為此處不僅涉及使用安全，還影響掛籃施工工效。此外，如何確保掛籃多榀桁架行走同步，防止各榀桁架之間出現(xiàn)較大行走偏差而造成掛籃扭曲變形，也是掛籃行走系統(tǒng)設(shè)計的重難點。

2.4 內(nèi)模支承調(diào)節(jié)與前移

箱梁每間隔1 個懸澆梁段設(shè)置1 道吊桿橫梁貫穿4 個內(nèi)室，導(dǎo)致吊桿橫梁位置模板每完成1 個節(jié)段后必須轉(zhuǎn)換支承設(shè)置方式，還造成吊桿橫梁后端內(nèi)模必須下降至橫梁底面后方可隨掛籃主桁同步前移；又因為受箱梁內(nèi)室凈空高度逐漸變小的影響，吊桿橫梁后端內(nèi)模不能設(shè)計成桁架式整體結(jié)構(gòu)，否則，過半的懸澆梁段內(nèi)室凈空無法滿足其整體下降后通過橫梁。 所以，如何妥善設(shè)計吊桿橫梁處模板以及其前、后端內(nèi)模，使其支承調(diào)節(jié)與前移方便高效屬于重難點。

2.5 底模寬度調(diào)節(jié)

箱梁底板寬由24.39m 漸變至26.59m，每個懸澆梁段底板平面呈大小不一的梯形。 掛籃每前移1次，都需要對底模寬度進行調(diào)整。 如何優(yōu)化底模設(shè)計，快速調(diào)節(jié)其寬度，直接影響施工工效和質(zhì)量。

3 掛籃設(shè)計及其總體結(jié)構(gòu)

3.1 掛籃設(shè)計

3.1.1 合理分明的傳力體系

后支點施工掛籃承受懸澆梁段荷載、施工荷載、混凝土振搗荷載、風(fēng)荷載以及掛籃自重荷載，所有荷載經(jīng)掛籃各構(gòu)件傳至已澆梁段。 掛籃設(shè)計遵循各系統(tǒng)及機構(gòu)的荷載傳力路徑最短的設(shè)計原則，避免通過較多的掛籃構(gòu)件實現(xiàn)荷載傳力，形成合理分明的傳力體系。

3.1.2 前支后錨的菱形桁架式主桁系統(tǒng)

主桁系統(tǒng)是掛籃承重的主體結(jié)構(gòu)，菱形桁架式結(jié)構(gòu)的主桁具備結(jié)構(gòu)輕巧、受力明確、作業(yè)空間廣等優(yōu)點。 900t 大承載后支點掛籃選用菱形桁架式主桁系統(tǒng)，相應(yīng)箱梁腹板設(shè)置5 榀菱形架。 單榀菱形架由5 根桿件通過銷軸連接而成；5 榀菱形架前端與立柱位置分別設(shè)置箱形截面的前橫梁和桁架式結(jié)構(gòu)的后橫梁，將5 榀菱形架連成整體；5 榀菱形架立柱位置下方設(shè)置支點，尾部設(shè)置錨固裝置，形成主桁前支后錨的傳力體系，將掛籃主桁承受的荷載通過前支點和后錨裝置有序傳至已澆梁段。

3.1.3 前吊后錨的底籃

底籃由桁架式結(jié)構(gòu)的前后托梁、工字形縱梁及底模組成。 縱梁與前后托梁采用螺栓連接，在箱梁腹板正下方加密布置，其余等間距均勻布置。 底模平鋪于底籃縱梁之上，采用鋼模與木模結(jié)合，以適應(yīng)底模寬度的變化；依靠橫向滑移底籃兩側(cè)縱梁帶動底模實現(xiàn)底模寬度調(diào)整。

前托梁通過前吊帶懸吊于前橫梁，后托梁通過錨桿穿過預(yù)留孔錨固于已澆梁段。 前吊帶與后錨桿設(shè)置于靠近箱梁腹板的兩側(cè)，中腹板兩側(cè)分別加密設(shè)置2 組，其他4 塊腹板兩側(cè)分別設(shè)置1 組。 因掛籃前移的需要，后托梁橋幅外側(cè)增設(shè)2 組吊帶懸吊于后橫梁，專供移籃時使用；考慮到掛籃可退至墩頂現(xiàn)澆段位置拆除，底籃前托梁外側(cè)須預(yù)留2 組前吊帶的安裝位置。

3.1.4 模板系統(tǒng)設(shè)計

模板系統(tǒng)包括側(cè)模系統(tǒng)及內(nèi)模系統(tǒng)，按全斷面一次性澆筑箱梁混凝土設(shè)計。 側(cè)模與內(nèi)模均采用鋼模，單件側(cè)模翼板下方設(shè)置2 根滑梁支承，每個箱室的內(nèi)模由2 條滑梁及上方的內(nèi)模托架與撐桿系統(tǒng)共同支承；箱梁腹板內(nèi)、外兩側(cè)模板設(shè)置對拉螺桿，形成混凝土澆筑時的受力體系。

側(cè)模與內(nèi)模的滑梁前端由吊帶懸吊于前橫梁，后端通過承重吊架或滾輪吊架由錨桿穿越預(yù)留孔錨固于已澆梁段，在混凝土澆筑狀態(tài)下由承重吊架承受荷載，在移籃狀態(tài)下由滾輪吊架承受荷載。 側(cè)模與內(nèi)模隨掛籃主桁同步前移，內(nèi)模也可單獨二次前移，內(nèi)、外滑梁長度按懸澆梁段最大長度約2.5 倍設(shè)計。

3.1.5 軌行式液壓頂推同步一次性移籃就位

900t 大承載后支點掛籃選用軌行式液壓頂推同步一次性移籃就位方式，行走軌道設(shè)置于菱形架正下方，錨固于已澆梁段。 掛籃前移時，菱形架立柱正下方設(shè)置滑船，菱形架尾部節(jié)點設(shè)置行走小車倒扣懸掛于滑軌上翼緣，液壓油缸反力座固定于行走軌道上表面，反復(fù)頂推菱形架前支點位置，推動掛籃主桁系統(tǒng)前移，同時帶動底籃、側(cè)模及內(nèi)模前移就位。

3.1.6 安全便捷的走道及操作平臺

設(shè)置安全、方便快捷、美觀實用的掛籃走道及操作平臺，以橋面為起始點，形成上下貫通的走道及操作平臺，大幅度改善施工作業(yè)環(huán)境。

3.2 掛籃總體結(jié)構(gòu)

900t 大承載后支點掛籃結(jié)構(gòu)由主桁系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、底籃系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、走道及平臺系統(tǒng)、預(yù)留孔及預(yù)埋件八大系統(tǒng)組成（見圖3）。

圖3 掛籃總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of hanging hanging basket

4 掛籃設(shè)計難點

4.1 分體式螺桿主桁支點與孔道式主桁后錨

掛籃主桁架支點與后錨的結(jié)構(gòu)形式選擇和設(shè)計直接影響掛籃重載工況下的結(jié)構(gòu)安全。 主桁架支點的結(jié)構(gòu)形式通常采用整體式鋼結(jié)構(gòu)支墩或支承架內(nèi)設(shè)置4 根分體式螺桿支承于橋面。 主桁后錨結(jié)構(gòu)通常利用箱梁豎向預(yù)應(yīng)力筋由專用連接器接長后或由高強精軋螺紋鋼穿越箱梁腹板兩側(cè)預(yù)留孔通過錨梁錨固。 考慮到900t 大承載后支點掛籃主桁架支點與后錨位置承受的荷載極大，為了提升掛籃重載工況下的安全可靠性，主桁架支點結(jié)構(gòu)形式選用支承架內(nèi)設(shè)置4 個直徑120mm 螺桿支承于橋面，主桁后錨選用6 根直徑40mm 高強精軋螺紋鋼穿越箱梁腹板兩側(cè)預(yù)留孔錨固的設(shè)計形式。 主桁架支點結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主桁后錨結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 主桁架支點結(jié)構(gòu)Fig.4 Main truss fulcrum structure

圖5 主桁后錨結(jié)構(gòu)Fig.5 Back anchor structure after main girder

4.2 雙向鉸接螺桿微調(diào)式懸吊系統(tǒng)

掛籃吊帶通常采用長、短鋼吊帶由銷軸連接組成，鋼吊帶下端設(shè)置單向鉸接與前托梁相連，上端由銷軸穿插吊帶孔位后坐落于前橫梁上平面的支承座；吊帶長度調(diào)節(jié)的動力采用手搖機械千斤頂，通過縮減鋼吊帶數(shù)量或銷軸穿插鋼吊帶不同孔位來實現(xiàn)粗調(diào)，通常采取在銷軸支承座與前橫梁上平面之間加墊薄鋼板來實現(xiàn)微調(diào)。 這種懸吊系統(tǒng)操作自動化程度不高，調(diào)節(jié)精度因受加墊的薄鋼板厚度制約也明顯降低，易導(dǎo)致掛籃某些吊帶組未充分參與受力，從而加大了掛籃變形。 900t 大承載后支點掛籃前端懸吊組數(shù)量多達24 組，改進和提升懸吊系統(tǒng)的操作自動化程度以及調(diào)節(jié)精度成為亟待解決的重要技術(shù)工藝。

900t 大承載后支點掛籃創(chuàng)新使用的雙向鉸接螺桿微調(diào)式懸吊系統(tǒng)，由常規(guī)所用的鋼吊帶懸吊系統(tǒng)改進設(shè)計而成。 鋼吊帶下端改進設(shè)置縱、橫雙向鉸接與前托梁相連，此舉能更好地保證吊帶組完全處于豎直受拉受力狀態(tài)；吊帶組上方選用直徑60mm、材質(zhì)40Cr 螺桿，螺桿下端與鋼吊帶設(shè)置專用連接器相連，上端由螺母鎖定穩(wěn)固于前橫梁上表面，通過螺牙微調(diào)徹底解決了鋼吊帶調(diào)節(jié)精度偏大問題；所有吊帶組調(diào)節(jié)的動力改進為液壓穿心千斤頂，液壓控制操作系統(tǒng)可同時對所有吊帶組實施調(diào)節(jié)，也可單獨調(diào)節(jié)任一吊帶組，大大提升了操作的自動化程度。 懸吊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 懸吊系統(tǒng)Fig.6 Suspension system

4.3 抬吊主桁軌行式液壓頂推同步前移的行走方式

影響掛籃行走安全的主要因素包括行走軌道結(jié)構(gòu)及固定方式、行走小車結(jié)構(gòu)、各榀桁架前移的同步等。

900t 大承載后支點掛籃行走軌道選用箱形截面的單軌設(shè)置方式，軌道上表面按50cm 等間距設(shè)置14cm×7cm 長方孔，以便液壓油缸后端反力座依次卡位于軌道內(nèi)，移籃前依靠液壓油缸的伸縮拖行軌道前移，移籃時依靠液壓油缸的伸縮頂推掛籃前移。 5 榀菱形桁架下方共設(shè)置4 條行走軌道，箱梁中腹板處菱形桁架下方不設(shè)置行走軌道，由4 榀菱形桁架抬吊中腹板處菱形桁架同步前移。 在箱梁腹板兩側(cè)開設(shè)預(yù)留孔，由高強精軋螺紋鋼通過錨梁錨固行走軌道，縱向錨固點間距按≤3m 設(shè)計，有利于提升自重超大型掛籃行走時的安全可靠度。 行走小車上端通過連桿與菱形桁架尾部節(jié)點采用銷軸相連，下端設(shè)置均勻受力的4 個車輪倒扣懸掛于行走軌道上翼緣，行走軌道上翼緣加厚設(shè)計，確保局部不發(fā)生變形。 4 榀菱形桁架前移的同步主要通過優(yōu)化液壓系統(tǒng)設(shè)計、配置智能移籃控制系統(tǒng)解決，4 個液壓頂推油缸由同一個泵站控制，利用超聲波傳感器測量每榀主桁前行的位移量，再將數(shù)據(jù)反饋至智能移籃控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過電磁閥實時調(diào)節(jié)油路，自動調(diào)節(jié)每個油缸的伸縮量，實現(xiàn)4 榀菱形桁架前移的同步精度控制在3mm 內(nèi)。 行走機構(gòu)如圖7 所示。

圖7 行走機構(gòu)Fig.7 Walking mechanism

4.4 托架式撐桿系統(tǒng)的支承調(diào)節(jié)裝置

單個箱室前、后腔體內(nèi)頂模由滑梁上方的內(nèi)模托架通過撐桿系統(tǒng)支承；前腔體內(nèi)頂模采用整塊鋼模設(shè)計，通過撐桿系統(tǒng)實現(xiàn)模板的拆裝作業(yè)；后腔體內(nèi)頂模采用分塊鋼模設(shè)計，由人工進行拆裝，置于內(nèi)模托架上隨掛籃主桁同步前移。 內(nèi)側(cè)模與內(nèi)模托架的伸縮梁連接，通過液壓油缸伸縮實現(xiàn)模板的自動開合。

吊桿橫梁側(cè)模與底模間采用鉸接，前腔體處的吊桿橫梁側(cè)模通過撐桿實現(xiàn)拆模并放置于前腔體頂模之上，而后腔體處的吊桿橫梁側(cè)模需整體下放至內(nèi)模托架上，以便行走時不與吊桿橫梁干涉。 通過在前、后吊桿橫梁側(cè)模上部加裝或拆除蓋板模，可妥善解決懸澆梁段間隔出現(xiàn)吊桿橫梁的模板設(shè)計問題。 內(nèi)模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 內(nèi)模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Internal model system structure

4.5 滑移式無級調(diào)節(jié)底模寬度

底模中間部分采用固定式鋼模，平鋪固定于底籃縱梁之上。 底模兩側(cè)采用可隨底籃縱梁橫向滑移的活動式鋼模，活動式鋼模與其下方邊側(cè)的3 根縱梁焊接成整體，由設(shè)置于前、后托梁外側(cè)的手拉葫蘆橫向拖拉縱梁滑移就位，就位后由螺栓固定活動式鋼模下方的縱梁實現(xiàn)底模寬度的無級調(diào)節(jié)。固定式鋼模與活動式鋼模之間形成的2 個梯形面采用18mm 厚膠合板填充，以適用于每個懸澆梁段的不同底板寬度。 底模寬度調(diào)節(jié)如圖9 所示。

圖9 底模寬度調(diào)節(jié)Fig.9 Bottom die width adjustment

4.6 可視化智能安全監(jiān)控系統(tǒng)

采用數(shù)字化手段對掛籃施工全過程進行安全質(zhì)量監(jiān)控，對掛籃主要構(gòu)件的應(yīng)力和位移、移籃同步性、混凝土溫度以及施工環(huán)境等方面進行可視化監(jiān)控。 應(yīng)力、位移和傾斜的數(shù)據(jù)來源分別通過在掛籃構(gòu)件上安裝振弦式應(yīng)變計、靜力水準儀和傾角計實現(xiàn)，每榀主桁前行的位移量通過在液壓頂推油缸上安裝超聲波傳感器收集，混凝土溫度和施工環(huán)境的數(shù)據(jù)通過在施工現(xiàn)場安裝溫濕度傳感器和風(fēng)速儀獲取。 收集到的各類數(shù)據(jù)輸入主監(jiān)控平臺后，通過在主監(jiān)控平臺建立掛籃BIM 模型，實時顯示掛籃的應(yīng)力、位移及傾斜情況，系統(tǒng)在監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預(yù)警值時會發(fā)出警報，并遠程傳輸報警信息。

5 結(jié)語

以900t 大承載后支點掛籃在恒太河大橋的施工情況為例，主要得到以下結(jié)論。

1）設(shè)計分體式螺桿主桁支點與孔道式主桁后錨，有利于保證大承載后支點掛籃結(jié)構(gòu)的安全；設(shè)計托架式撐桿系統(tǒng)支承調(diào)節(jié)的內(nèi)模，提高了吊桿橫梁處模板以及其前、后端內(nèi)模支承調(diào)節(jié)與前移方便高效的難題；設(shè)計滑移式無級調(diào)節(jié)寬度的底模，實現(xiàn)了掛籃底模寬度的無級調(diào)節(jié)。

2）創(chuàng)新設(shè)計的雙向鉸接螺桿微調(diào)式懸吊系統(tǒng)，提高了掛籃懸吊系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，提升了懸吊系統(tǒng)的安全可靠性和操作自動化程度；創(chuàng)新設(shè)計抬吊主桁軌行式液壓頂推同步前移的行走方式，拓寬了多榀桁架掛籃前移的行走方式，提升了多榀桁架掛籃前移的同步精度，保證了自重超大型后支點掛籃的行走安全；創(chuàng)新設(shè)計的可視化智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，拓寬了掛籃施工安全和質(zhì)量的管控手段。

3）在安全與質(zhì)量方面，掛籃結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全與行走安全得到了可靠保證，掛籃變形得到了有效控制，橋梁線形流暢且質(zhì)量穩(wěn)定；在經(jīng)濟效益方面，掛籃操作自動化程度大幅度提高，縮短了全橋施工工期，間接產(chǎn)生了較大經(jīng)濟效益。