小欖水道特大橋菱形掛籃設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

吉洪江

摘要：本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)掛籃的構(gòu)造作了詳細(xì)介紹，并用有限元軟件對(duì)菱形掛籃建立空間模型，對(duì)掛籃各主要受力構(gòu)件進(jìn)行檢算，計(jì)算結(jié)果表明各主要受力構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及變形均滿足規(guī)范要求；為進(jìn)一步驗(yàn)證掛籃的安全可靠性，通過(guò)模擬懸臂澆筑梁段最大重量對(duì)掛籃進(jìn)行了試驗(yàn)，分五種工況對(duì)單片菱形架進(jìn)行加載，試驗(yàn)結(jié)果表明，掛籃菱形架的設(shè)計(jì)有足夠可靠的剛度儲(chǔ)備，能夠安全使用。

關(guān)鍵詞：菱形掛籃；懸臂澆筑；構(gòu)造與設(shè)計(jì)；掛籃試驗(yàn)

Abstract: combining with engineering examples in the structure of the hanging basket in detail, and the finite element software to build space model diamond hanging basket, the main force of hanging basket by calculating cots, the calculation results show that the main stress components of the strength, stiffness and deformation will meet the standard requirement; To further test the safety and reliability of the hanging basket, through the simulation of the cantilever beam section maximum weight hanging basket to the test, points to five conditions of single piece of diamond frame for loading, the test results show that the diamond frame hanging basket to design of the stiffness of the reliable enough reserves, safe to use.

Keywords: diamond hanging basket; The cantilever; Structure and design; Hanging basket test

中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1 工程概況

小欖水道特大橋?yàn)閺V珠城際快速軌道交通的正線雙線特大橋，全長(zhǎng)7686.57m，共217個(gè)墩臺(tái)，孔樁1792根，其中主橋?yàn)椋?00+155+100）m剛構(gòu)連續(xù)梁，梁形式為單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。箱梁根部梁高為10.5m，頂寬11.6m，底寬8.0m，主墩采用V形墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。采用懸臂澆筑法施工，梁段長(zhǎng)度為3～4.5m，最大梁段重為249.4t。

2 菱形掛籃構(gòu)造與設(shè)計(jì)

在懸臂澆筑過(guò)程中，掛籃是最重要的施工設(shè)備，其剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性對(duì)橋梁施工安全和質(zhì)量關(guān)系重大。掛籃的種類很多，綜合考慮桁架式、斜拉式、鋼板式等多種掛籃結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本工程選用受力好、安全可靠的菱形桁架結(jié)構(gòu)作為掛籃承重主桁。該菱形掛籃主要材料以型鋼為主，拼裝而成，對(duì)荷載的敏感性較低，穩(wěn)定性較好。其特點(diǎn)是外形美觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、桿件受力明確、掛籃前端及中部工作面開闊，組裝方便，可反復(fù)利用。

2.1 掛籃技術(shù)性能指標(biāo)

根據(jù)掛籃設(shè)計(jì)任務(wù)及特點(diǎn)，同時(shí)能夠滿足順橋向在6.5m以內(nèi)，橫斷面在11.6m范圍內(nèi)的懸澆塊段的施工，本掛籃的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：適應(yīng)最大梁段重量:3000KN（不含掛籃自重）；掛籃自重:1300KN（包括模板、小型施工用具）；掛籃主桁前端臂長(zhǎng)5.5m，掛籃主桁后端臂長(zhǎng)5.3m，掛籃主桁高度4.0m；適應(yīng)最大梁段長(zhǎng)度:4.45m；最大梁頂寬度:11.6m，底板寬度為8m；走行方式:無(wú)平衡重走行，行走傾覆安全系數(shù)大于2.1。

2.2 掛籃方案比選

2.3 掛籃總體構(gòu)造設(shè)計(jì)

掛籃有主桁承重系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)以及模板系統(tǒng)等部分組成，掛籃總體長(zhǎng)度為10.8m，懸臂段長(zhǎng)5.5m，簡(jiǎn)支段長(zhǎng)5.3m。掛籃主要受力構(gòu)件由兩片菱形框架組成，而每片桁架由5根特制桿件組拼而成。兩片主桁的間距為7.76m；前上、下橫梁長(zhǎng)為11.0m，由2根工字鋼焊接而成。菱形掛籃布置如圖1所示。

圖1菱形掛籃示意圖

主桁承重系統(tǒng)由兩片外型呈菱形的桁片通過(guò)橫向聯(lián)接系組成一空間桁架，主桁桿件采用2[36b組焊而成，桿件之間采用節(jié)點(diǎn)板銷軸連接；每個(gè)菱形桁片由2個(gè)拉桿和3個(gè)壓桿組成。

懸吊系統(tǒng)由前上橫梁及吊帶組成，其中吊帶包括底籃前吊、底籃后吊、滑梁前吊、滑梁后吊、滑梁架底模下吊帶組成，吊帶均為Q345鋼帶用銷軸聯(lián)接而成。每件均由1個(gè)雙孔吊帶（L=4.0m）和1個(gè)多孔吊帶（L=4.0m）用銷軸聯(lián)接而成；滑梁后吊安裝在箱梁底板上，共4件，每件均由1個(gè)L=4.0m的多孔吊帶組成；滑梁架底模下吊帶共6件，其中4件用于滑梁架，安裝在箱梁頂面板上，2件用于底模平臺(tái)吊帶，安裝于箱梁內(nèi)室兩側(cè)，每件吊帶長(zhǎng)度L=2.6m。

走行系統(tǒng)由軌道、鋼枕、前后支腿、手拉葫蘆等組成。軌道由H型鋼和δ=29mm鋼板組焊而成，并由豎向精軋螺紋鋼錨固。前后支腿各2個(gè)，前支腿支承在軌道頂面，下墊φ20圓鋼。后支腿通過(guò)反扣輪沿軌道頂板翼緣下沿滾動(dòng)，無(wú)需加設(shè)平衡重。

錨固系統(tǒng)利用8根φ32精軋螺紋鋼錨固在已成梁段上，軌道錨固在已成梁段的豎向預(yù)應(yīng)力筋上，錨固時(shí)，利用千斤頂將后支腿反扣輪脫離軌道，然后錨固。

模板系統(tǒng)包括側(cè)模、底模和內(nèi)模。側(cè)模支承在外模走行梁上，走行梁前端通過(guò)吊桿懸吊在前上橫梁上，后端通過(guò)吊架懸吊在已澆筑好的箱梁外側(cè)頂板上，側(cè)模面板采用8mm鋼板，法蘭采用14mm鋼板；底模由前、后下橫梁組成；內(nèi)模由縱帶、托架、內(nèi)模豎帶、銷軸和組合鋼模板組成。

3 掛籃內(nèi)力及變形檢算

掛籃計(jì)算采用MIDAS Civil用梁?jiǎn)卧⒖臻g模型，本模型共劃分309個(gè)節(jié)點(diǎn)，341個(gè)單元，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

3.1 掛籃設(shè)計(jì)參數(shù)

為使掛籃構(gòu)造設(shè)計(jì)達(dá)到經(jīng)濟(jì)和合理，首先要確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確定掛籃設(shè)計(jì)參數(shù)為：撓度容許值:；箱梁荷載:最大施工荷載1號(hào)塊，重249.4t；掛籃強(qiáng)度安全系數(shù)k=1.2；施工人員及施工機(jī)具荷載:；Q235鋼：。

圖2掛籃有限元模型

3.2 掛籃主要受力構(gòu)件檢算

取對(duì)箱梁1＃塊進(jìn)行施工時(shí)的工況進(jìn)行計(jì)算，箱梁1＃塊長(zhǎng)度為3米，計(jì)算在該工況下掛籃主要受力構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

3.3 掛籃檢算結(jié)論

（1）掛籃總體設(shè)計(jì)方案可行，結(jié)構(gòu)計(jì)算方法基本正確，從表1可以看出：掛籃各主要受力構(gòu)件強(qiáng)度安全系數(shù)＞1.2，各受力構(gòu)件強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范要求；

（2）箱梁1＃塊在澆筑工況下，各受力構(gòu)件撓度小于，掛籃前端位移≤20mm，滿足掛籃變形控制要求。

4 掛籃試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該掛籃設(shè)計(jì)的安全可靠性，對(duì)掛籃進(jìn)行試驗(yàn)，掛籃試驗(yàn)總體方案為：在臺(tái)架上利用滑輪組對(duì)菱形架施加豎向荷載，測(cè)量菱形架的變形，驗(yàn)證其安全性。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備、方法及原理

試驗(yàn)臺(tái)架主要由2根臺(tái)架主梁、2組上下滑輪組、鋼絲繩、手拉葫蘆、支承扁擔(dān)、錨固用精軋螺紋鋼和荷載顯示裝置等組成。將臺(tái)架主梁平放在豎固的工作場(chǎng)地上，將臺(tái)架主梁定位，安裝菱形架和橫聯(lián)，掛上滑輪組，纏繞鋼絲繩，安裝10t手拉葫蘆，安裝測(cè)力荷載顯示裝置，拉動(dòng)手拉葫蘆，手拉葫蘆通過(guò)滑輪倍率加載到菱形架上，實(shí)現(xiàn)掛籃試壓，測(cè)量菱形架的變形并扣除臺(tái)架主梁的變形值，得出菱形架的變形值。手拉葫蘆通過(guò)滑輪倍率加載到掛籃菱形架上，測(cè)量裝置型旁壓試測(cè)力傳感裝置，在荷載顯示器上直接讀出荷載值。

4.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置及加載工況

變形（下?lián)隙龋y(cè)點(diǎn)布置在菱形架前端，為了消除主梁支點(diǎn)變形的影響，在菱形架中間、后端各布置變形測(cè)點(diǎn)，菱形架前端實(shí)際下?lián)狭繎?yīng)消除這部分的影響，在相應(yīng)部位布置測(cè)點(diǎn)，采用高精度水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。菱形架變形測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 菱形架變形測(cè)點(diǎn)布置示意圖

荷載試驗(yàn)采用分級(jí)加載方法，模擬懸臂澆筑梁段最大控制重量，單片主桁架加載分五種工況：前四種為1.1倍動(dòng)荷載與1.05倍偏荷載及1.05倍混凝土超載組合，單片桁架共加載90t，主要測(cè)定掛籃的彈性變形及非彈性變形；第五種工況（超載試驗(yàn)）為1.25倍靜荷載與1.05倍偏荷載及1.05倍混凝土超載組合，單片桁架共加載102t，主要測(cè)試掛籃的安全性。

4.3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)五種工況的加載試驗(yàn)，利用計(jì)算公式，下?lián)现担庑渭?變形測(cè)試結(jié)果如表2所示。

4.4 試驗(yàn)結(jié)論

從表2可以看出，菱形架在額定最大荷載90t時(shí)的下?lián)献畲笾担笃瑸?.88mm，右片為8.97mm，均小于在額定靜載工況時(shí)的控制值13mm；在超載荷載102t時(shí)的下?lián)献畲笾担笃瑸?.89mm，右片為10.93mm，均小于控制值20mm。掛籃菱形架在超載情況下變形仍然比較小，說(shuō)明菱形架的設(shè)計(jì)有足夠可靠的剛度儲(chǔ)備，能夠安全使用。

5 結(jié)語(yǔ)

菱形掛籃受力明確、剛度大、外形美觀、組裝方便等很多優(yōu)點(diǎn)，雖然其存在上橫梁高度偏高，前吊帶較長(zhǎng)等不足之處，但仍然是目前國(guó)內(nèi)較先進(jìn)且應(yīng)用廣泛的掛籃之一。通過(guò)對(duì)掛籃主要受力構(gòu)件的內(nèi)力和變形計(jì)算，驗(yàn)證了掛籃強(qiáng)度、剛度和變形均滿足規(guī)范要求；掛籃試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該菱形掛籃具有足夠的剛度儲(chǔ)備。本掛籃實(shí)用性強(qiáng)，稍加改造即可適用于同等類型的斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)橋。掛籃設(shè)計(jì)將向輕型高效方向房展，以滿足大跨度橋梁懸臂施工的要求。

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。