現澆連續梁掛籃法施工結構安全性研究

摘 要：為保障跨路連續梁掛籃施工安全并保證實體質量，本文以某公路工程（40+72+40）m連續梁為案例，使用有限元軟件對連續梁進行建模，計算了掛籃結構在5種不同工況下的組合應力分布、變形及抗傾覆性，分析了掛籃組合應力集中部位和最不利位置。研究結果表明，當掛籃固定時，掛籃菱形鋼結構斜桿與豎桿、下部托架中部、上橫梁連接處等部位均容易出現較大的組合應力值；底托會出現較大的變形。在掛籃行走過程中，中門架與豎桿連接處出現組合應力最大值。本文結合實際工程提出了安全管控技術措施，為連續梁的安全施工提供了保障。

關鍵詞：連續梁；行走掛籃；數值模擬；安全施工

中圖分類號：U 448" " 文獻標志碼：A

跨路連續梁采用行走掛籃裝置進行施工是一種廣泛應用的施工方法，掛籃法施工具有結構簡單、組裝靈活、不阻斷交通等優點，在工程實踐中取得了良好的應用。同時，掛籃法施工也存在一系列風險點，掛籃傾覆是最主要的風險點；一旦傾覆，高空墜物會導致嚴重的安全事故。通過優化掛籃結構來提高掛籃抗傾覆作用是避免掛籃傾覆的有效方法[1]；使用有限元計算軟件對掛籃結構的三維受力分布進行分析，可以確定掛籃結構受力的最不利位置[2]；數字化高精度線形監測控制有效保證了梁體的幾何形態[3-4]。同時，由于不同工程所處的外界環境有一定差異，因此針對具體的連續梁安全施工，需要具體分析其掛籃結構穩定、梁體線形控制、外部風險等異常因素。本文依托山東省某上跨省道連續梁工程，根據實際工程，建立三維有限元模型，分析了結構受力特點，計算了掛籃結構的強度、剛度、穩定性及抗傾覆性，確定了掛籃結構受力最不利位置，并提出了相應的安全控制措施，保證了現場的安全施工和連續梁實體質量。

1 工程概況

山東省某公路工程設計有一聯（40+72+40）m連續梁，主梁梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁，邊跨跨徑40.0m，中跨跨徑72m，在跨中處附近上跨既有運營省道，梁底距離省道最大高差47.5m，此處省道來往車輛密集，現場掛籃施工對過往車輛存在較大的安全隱患，對連續梁掛籃安全施工提出了較高的要求。

連續梁1#～10#節段塊采用掛籃懸臂澆筑施工，現場施工采用鋼結構菱形掛籃施工，走行方式為無平衡重走行方式，掛籃工作系數小于0.45，單支掛籃按照自重70.34t、負荷150t控制設計，采用高強度型鋼作為主體結構桁架；設計桁架走行時的穩定系數大于2.0，滿足規范要求。待0#段混凝土澆注完成、預應力筋張拉完畢后，在0#塊上拼組掛籃逐孔對稱懸灌施工箱梁，預壓荷載為最大施工荷載的1.2倍。掛籃走行到指定位置后，先將掛籃后錨上好，然后從底板預留孔穿入后吊帶并將后吊帶錨固，再安裝側模走行梁后吊桿。在掛籃各節段懸灌施工及掛籃結構行走過程中，存在一定的安全風險。

2 掛籃結構有限元建模

為全面了解掛籃結構的受力形態和在掛籃行走過程中的結構受力的薄弱點，對掛籃結構進行三維有限元建模分析，使用有限元軟件通過數值模擬計算能夠實現對掛籃結構受力的三維可視化再現[5]。

菱形掛籃結構主要的荷載取值如下。1）橋體塊段鋼筋混凝土荷載。取各橋體節段塊中的最大值，選取1#塊，長度為3200mm。2）橋體塊段鋼筋混凝土偏載。不平衡偏載最大值取10.5t。3）菱形掛籃結構重力荷載。由三維模型尺寸及物理參數共同確定。4）外側鋼模板重力荷載，1.3kN/m2。5）上部施工作業人員及設備，2.6kN/m2。

6）加工混凝土產生的動力荷載，4.8kN/m2。7）掛籃結構行走產生的沖擊作用，0.35倍掛籃結構重力荷載。8）環境風力作用，3kN/m2。9）防墜落護欄自重荷載，按1.2kN/m計算。

在菱形掛籃結構有限元建模計算過程中，主要分析菱形掛籃結構的強度、剛度、穩定性及抗傾覆性能。各類工況下的荷載分配組合情況如下。

組合工況1：F1=a·（①+③+④）+b·（⑤+⑥）+⑨。

組合工況2：F2=a·（②+③+④）+b·（⑤+⑥）+⑨。

組合工況3：F3=a·（①+③+④）+⑧+⑨。

組合工況4：F4=①+③+④+⑤+⑨。

組合工況5：F5=a·（③+④）+⑧+⑨。

其中，F為荷載組合值，a為永久荷載分項系數，取1.2；b為可變荷載分項系數，取1.4。

組合工況1、2、3用于掛籃主體結構穩定性與強度驗算；組合工況4用于結果抗傾覆驗算；組合工況5用于結構的剛度驗算。

3 掛籃結構強度與穩定性驗算

在組合工況1條件下，主要基于澆筑結束前的最不利工況對菱形鋼結構的穩定性和強度進行驗算。此時設計混凝土方量已經全部澆筑完成，施工作業人員仍在進行振搗（增加振搗作用對鋼結構產生的荷載作用），上部施工機械設備仍在掛籃結構承重計算范圍。同時，應添加混凝土自身膨脹的作用效果。組合工況1條件下軟件計算結果云圖如圖1所示。

根據計算結果可以得出以下結論，底托系統最大應力為121.8MPa，位于腹板下縱梁位置，基本呈對稱分布的特點。導梁系統最大應力為166.2MPa，前橫梁最大應力為67.6MPa，菱形鋼結構架體最大應力為143.9MPa，與上橫梁接觸的斜桿所受組合應力最大。

在組合工況2條件下，主要考慮施工時懸灌量一側完成、另一側未完成，兩邊混凝土自重荷載不一致的情況，此時兩側相差混凝土自重荷載為12t。組合工況2條件下計算結果云圖如圖2所示。

根據計算結果可以得出以下結論，澆筑完成的一側應力明顯大于另一側，兩側最大應力差值為31MPa，前橫梁最大應力為65.5MPa。菱形鋼結構架體處出現最大應力值，最大應力為135.7MPa，底托系統最大應力為110.4MPa，位于已澆筑混凝土完成側腹板下的縱梁位置。

組合工況3的實際工況為菱形掛籃結構行走過程中，考慮風荷載的作用，下部的底托結構全部由吊桿懸吊；外導梁依舊存在模板荷載作用。

根據組合工況3條件下菱形掛籃結構的計算結果可以得出以下結論，在菱形掛籃結構行走過程中，由于沒有橋體節段塊的重力作用，底部托架、導梁、上橫梁的組合最大應力值要明顯小于組合工況1、2，結構內各點的最大組合應力均在10MPa以內，中門架與豎桿連接處出現組合應力的最大值，為105.4MPa。

由工況組合1～3可知，3種工況下均能滿足掛籃設計的強度與穩定性。菱形鋼結構斜桿與豎桿、下部托架中部、上橫梁連接處等部位均容易出現較大的組合應力值，上述部位一旦發生斷裂等破壞極易導致掛籃傾覆，造成嚴重的安全事故。對此，須采取相應的風險管控措施，具體包括對上述部位的螺栓安裝報警裝置，并每日檢查鋼結構是否出現裂隙等損傷現象，保證兩側對稱施工。同時加強連續梁掛籃行走施工的線形控制，確保澆筑節段的實體質量和線形外觀質量。

4 掛籃結構剛度驗算

組合工況4是基于澆筑結束前的最不利工況對菱形鋼結構的剛度進行驗算。由于結構主要為豎向受力，本節僅考慮豎向（計算模型Z軸方向）的變形值。根據組合工況4條件下計算結果可以得出以下結論，掛籃結構下部托架變形明顯要大于上部結構的變形。主構架部分最大變形位于前橫梁支點處，最大豎向變形量為9.7mm。前橫梁部分中部區域出現最大值，最大位移為11.19mm，相對變形值為1.9mm。導梁及吊桿彈性變形最大位移值為15.5mm，底托系統最大位移值為19.5mm，結構剛度滿足規范及使用要求。對出現較大變形的部位增設應變片進行變形監測，定期檢查外模板變形情況，避免因模板變形影響施工節段的外觀質量和實體質量。

5 掛籃抗傾覆驗算

混凝土澆筑時的抗傾覆計算組合工況5為掛籃施工過程中已錨固完成的掛籃結構承受最大的正常人員設備荷載。為保障施工安全，需要驗算此種載荷組合下的掛籃后錨點的安全性。

由計算結果可知，荷載組合1時后錨點拉力最大值為818.1kN。每邊錨固鋼筋為6×?32mm的精軋螺紋鋼，錨固力為4003kN，安全系數為4.9，以上計算結果能夠滿足抗傾覆要求。掛籃傾覆會造成較嚴重的工程事故，掛籃結構錨固配件和設備必須符合國家質量檢驗標準及受力要求，并定期檢查使用情況；避免因銹蝕導致精軋螺紋鋼及錨固配件的破損，如果發現異常情況，就及時排除更換配件，消除安全風險。

6 結語

當掛籃固定時，掛籃菱形鋼結構斜桿與豎桿、下部托架中部、上橫梁連接處等部位均容易出現較大的組合應力值，非對稱澆筑過程中會出現單側應力集中。在掛籃行走過程中，中門架與豎桿連接處出現組合應力最大值。掛籃結構下部托架變形明顯要大于上部結構的變形，最大豎向變形出現在底托，為19.5mm，主構架部分最大變形位于前橫梁支點處，錨點拉力最大值為818.1kN，安全系數為4.89，結構剛度及抗傾覆性滿足規范及使用要求。

根據掛籃受力、變形特點，本文提出了在重點部位的螺栓安裝報警裝置，并每日檢查鋼結構是否出現裂隙等損傷現象，保證兩側對稱施工；同時，加強連續梁掛籃施工的線形控制，保證澆筑節段的安全施工與實體質量。

參考文獻

[1]師新虎，李樹鼎，黃亞磊.大跨度連續梁橋菱形掛籃優化設計[J].四川建筑，2023，43（5）：61-63.

[2]趙裴.鄭萬高鐵（72+128+72）m連續梁懸臂施工控制研究與實踐[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2020.

[3]徐暢.（32+48+32）m連續梁橋三角掛籃受力性能及線形監控研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2018.

[4]劉欣.某上跨鐵路大跨連續梁橋施工監測與控制研究[D].西安：長安大學，2018.

[5]李樂.預應力連續梁橋懸臂澆筑施工監控分析[D].西安：長安大學，2018.