一種貝雷桁架結構掛籃的適用性分析

李鵬飛　劉洋

摘要 文章主要以某連續剛構橋工程為項目背景，對連續剛構橋主梁懸臂澆筑施工中的掛籃結構進行研究。貝雷桁架結構掛籃在當今仍然具有一定的使用優勢，因其結構簡單、結構自身強度大、安裝和拆卸比較方便、材料周轉性強等特點至今仍廣泛應用在實際工程中。在連續梁及連續剛構主梁懸臂澆筑施工中，通過對貝雷桁架結構掛籃進行有限元軟件模擬，分析其受力特性，最終對其結構設計進行一定優化，并指導現場施工。

關鍵詞 連續梁；懸臂施工；貝雷桁架式掛籃；有限元分析

中圖分類號 U445.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0117-03

0 引言

懸臂澆筑技術從20世紀80年代引入我國[1]，至今已取得巨大成就。在懸臂建設中，混凝土的澆筑、鋼筋的綁扎、預應力筋的張拉等工作全都在掛籃內實施。因此，掛籃結構在整個連續梁懸臂澆筑施工中起到了至關重要的作用，掛籃結構力學性能的研究對連續梁懸臂澆筑施工意義重大。

掛籃懸臂澆筑施工，又稱DIDIAK施工方法，這種施工方法一般是將主梁以掛籃結構對施工設備進行的掛籃對稱澆筑施工，分為2～5 m長的節段進行[2]。目前，在各種臨時性、輔助性工程中，如橋梁、門式起重機、架橋機、掛籃等，掛籃由于其具有結構強度高、剛度大、便于拆卸等優點[3-4]，已被廣泛使用。

該文以某連續剛構橋為例，以掛籃的結構設計和力學性能分析為工程背景，結合有限元軟件，對其受力性能進行了研究，在一定程度上研究分析了大跨度預應力混凝土連續梁主梁懸臂澆筑施工中，貝雷梁桁架掛籃各構件的安全性能和特點及整體結構。

1 工程概況

該文以某連續剛構橋項目為例，該橋全長為2 769 m，總寬為65.6 m，主道橋寬為18.45 m，輔道橋寬為12.60 m。跨江部分采用連續剛構橋（64+2×115+64）m、連續剛構橋（106+198+106）m，下部結構全部采用雙肢薄壁橋墩形式。該文主要對（64+2×115+64）m連續剛構橋主道的主梁懸臂澆筑施工進行掛籃設計及受力分析研究。

2 掛籃結構設計

2.1 主桁系統

主桁架所用貝雷片為加強200型貝雷片，每片貝雷片長度為3.048 m，高度為2.234 m。為了提高整體強度和剛度，在貝雷梁板上增加了上下兩層加強弦。為了保證主桁架的橫向穩定性，在主桁架的前支點處設置了橫梁連接，以提供整體剛度，并在運行狀態下起到懸掛底模平臺后橫梁的作用。

2.2 懸吊系統

懸吊系統主要由外側模及內模的前后懸吊，以及底籃系統的前后懸吊兩部分組成。懸吊系統的作用主要包括兩個方面：一是用于懸吊外側模、內模以及底籃系統；二是將底籃系統、外側模及內模的自重、鋼筋及預應力荷載、待澆筑梁段混凝土重量以及其他施工過程中的荷載，傳遞至主桁架以及已澆筑完成的連續剛構主梁節段上。

底籃系統前下橫梁設6個吊點，后下橫梁設4個吊點。底籃系統前下橫梁吊點采用鋼吊帶形式，后下橫梁吊點采用40 mm40 Cr鋼桿吊裝形式。

2.3 底籃系統

底籃系統的作用主要包括兩個方面：一是為模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序提供施工平臺；二是直接承受澆筑中的梁段的混凝土重量。底籃系統主要由三個部分組成：主梁底板模板、主縱梁和前后下梁。底籃系統采用2I56B型鋼雙拼組，前下梁與后下梁焊接，I36B型鋼用于主縱梁。前后梁中央距5.3 m，主縱梁I36B型鋼采用2I56B的前后梁焊接而成。

2.4 錨固系統

每組主桁架后錨點均設有錨固系統。每組錨固系統由扁擔梁、后錨桿組成，每套掛籃共設有2組錨固系統。

錨固系統主要作用是平衡新澆筑連續剛構主梁節段混凝土產生的傾覆力矩，確保掛籃施工過程中的穩定性和安全性。

2.5 行走系統

掛籃的行走系統主要由軌道、墊梁、前后支座、外側模及內模行走導梁、導梁滾輪架以及牽引設備組成。掛籃前移時，通過牽引設備在軌道頂面滑行至前支點；在主桁架后錨處通過反扣輪組扣住軌道沿軌道線行走。

3 貝雷桁架掛籃受力性能及有限元分析

3.1 掛籃構造及受力分析

3.1.1 材料參數

（1）材料自重：對于鋼筋混凝土材料，取G＝26.5 kN/m3；對于鋼材，取G＝78.5 kN/m3。

（2）材料應力：Q235的強度設計值，取f＝190 MPa；Q355的強度設計值，取f＝250 MPa。

3.1.2 設計荷載

采用通用有限元計算軟件，設計計算懸臂施工貝雷桁架掛籃系統，各種系數在Midas Civil計算中考慮如下：

（1）考慮箱梁節段混凝土澆筑時膨脹等所引起的超載系數：1.05。

（2）澆筑混凝土時的動力系數：1.2。

（3）掛籃空載行走時沖擊系數：1.3。

（4）混凝土澆筑和掛籃走形時的抗傾覆穩定系數：2.0。

（5）活載分項系數：1.4。

（6）恒載分項系數：1.2。

根據箱梁截面的構造特點，劃分箱梁各節段斷面如圖1所示：

計算箱梁斷面內各梁段重量（kN）如表1所示：

掛籃的其他荷載如表2所示：

3.1.3 荷載組合

荷載組合Ⅰ：澆筑節段鋼筋混凝土重量+澆筑過程中超載+掛籃結構自重+人群及機具荷載。

荷載組合Ⅱ：掛籃結構自重+沖擊附加荷載+風載荷。

其中，采用荷載組合Ⅰ計算掛籃整體的強度剛度和穩定性；采用荷載組合Ⅱ計算掛籃走位時的強度、剛度和穩定性。

3.2 掛籃結構計算及有限元分析

3.2.1 有限元模型建立

200型貝雷片主要構件有上下弦桿、豎腹桿、斜腹桿、桁架連接銷、反保險銷、加固弦桿、弦桿螺栓、桁架螺栓及其他構件。每片貝雷梁的上弦和下弦均由兩根10號槽鋼背靠背組焊接而成；加固弦桿通過螺栓與貝雷片上下弦連接成整體，通過兩端連接的銷孔首尾連接組裝成貝雷片的整個主桁架結構；貝雷片的豎腹桿和斜腹桿均采用8號工字鋼連接而成。

貝雷片有更多的單元桿件，桿身的內力通常進行簡化型計算，即桁架部件上下弦桿、豎腹桿、斜腹桿以鉸架方式連接。

采用簡化桁架模型計算時，貝雷帽桁架各構件的內力僅為軸向力。空間線單元用于模擬每個構件，空間梁單元用于通過釋放桿端彎矩模擬螺栓的連接。貝雷桁架單元的簡化模型如圖2所示：

模型貝雷桁架掛籃式主桁架以鉸接方式模擬每個貝雷片之間的連接，計算出懸臂式桁架，簡體模型如圖3所示。

在實際的貝雷片構造中，貝雷片內部的桿件都是采用焊接的方式進行連接，這使得上下弦桿、豎腹桿和斜腹桿在產生軸向應力的同時，也產生了部分彎曲應力和剪切應力，也就是常說的次內力[5]。桁架掛籃的有限元模型通過通用的有限元模型軟件Midas Civil建立，次內力不在計算分析過程的考慮范圍內。

三維模型的建立如圖4所示。

3.2.2 承重工況計算結果分析

（1）主桁系統最大應力最大變形。根據有限元模型計算結果可知，主桁系統最大應力出現在支點下弦桿處，為213.6 MPa；最大變形出現在主桁架最前端，為13.5 mm。

因此，主桁系統強度及剛度均滿足使用要求。

（2）懸吊系統最大應力最大變形。根據有限元模型計算結果，前梁斜桿處出現懸吊系統最大應力，為152.0 MPa；吊帶最下端出現最大形變，為16.3 mm，從而使懸吊系統的強度和剛度達到使用要求。

（3）底籃系統最大應力最大變形。根據Midas Civil有限元模型計算結果可知，底籃系統應力最大值出現在主縱梁跨中部分，為146.2 MPa；底籃系統的最大變形出現在前下橫梁跨中部，為19.3 mm。因此，底籃系統強度及剛度均滿足使用要求。

（4）錨固系統最大應力最大變形。根據有限元模型計算結果可知，錨固系統最大應力出現在錨梁中部，為43.7 MPa；最大變形出現在錨梁中部，為4.1 mm。因此，錨固系統強度及剛度均滿足使用要求。

（5）承重工況下掛籃整體最大應力最大變形。根據有限元模型計算結果，掛籃結構整體最大應力出現在主桁架支點處，為213.6 MPa；最大變形出現在底籃前下橫梁中部，為19.3 mm。因此，承重工況下掛籃整體強度及剛度均滿足使用要求。

3.2.3 行走工況計算結果分析

根據有限元模型計算結果可知，行走工況下，掛籃整體錨固最大應力出現在主桁架支點處，為61.6 MPa；最大變形出現在底籃后下橫梁中部，為18.4 mm。因此，行走工況下掛籃整體系統強度及剛度均滿足使用要求。

4 結論

該文主要以某連續剛構橋大跨度預應力混凝土連續剛構懸臂澆筑掛籃施工為工程背景，對連續剛構主梁懸臂澆筑施工中所用到的貝雷桁架式掛籃進行設計，并對其受力性能進行了一定程度的研究；主要對天府大道眉山城區段道路工程太和岷江特大橋連續剛構懸臂澆筑施工過程中，掛籃的實際受力情況進行分析，并通過有限元計算軟件Midas Civil進行模擬計算；對貝雷桁架式掛籃的主桁系統、底籃系統、懸吊系統、行走系統以及掛籃結構整體等進行了應力、變形及穩定性等方面的計算分析。

測算結果表明，貝雷桁架式掛籃應用于某連續剛構橋主梁的懸臂澆筑施工，在承重工況和行走條件下的受力性能安全可靠。但是，根據設計和測算分析結果，在測算分析中也發現了一些尚待改進之處，主要對掛籃結構提出以下改進意見，以便更好地用于連續剛構主梁的懸臂澆筑施工：

（1）建議掛籃材料盡量選取輕型材料，掛籃結構的設計也應向輕型化發展。

（2）掛籃建議以模塊化設計為主，以保證掛籃的通用性，便于運輸和現場裝配，減少施工費用。

通過此次掛籃設計及有限元計算軟件的計算分析，再次驗證了貝雷桁架式掛籃的強度、剛度的安全可靠。

該文在一定程度上研究分析了大跨度預應力混凝土連續梁主梁懸臂澆筑施工中，貝雷梁桁架掛籃各構件的安全性能和特點及整體結構，可為今后掛籃懸臂澆筑施工提供一定的參考和建議。

參考文獻

[1]祝松男. 連續梁懸臂掛籃施工線型控制措施與應用研究[D]. 武漢：華中科技大學， 2021.

[2]陳偉， 李明. 橋梁施工臨時結構設計[M]. 北京：中國鐵道出版社， 2002.

[3]董寶成. 大跨度鐵路橋梁連續梁掛籃施工技術研究[J]. 建筑機械化， 2023（4）： 52-54.

[4]郭超. 杭州灣大橋接線工程懸臂橋梁監控與施工技術研究[D]. 鞍山：遼寧科技大學， 2019.

[5]冉啟智. 橋梁懸臂澆筑施工過程中掛籃模板適用性研究[D]. 鎮江：江蘇科技大學， 2012.