三角掛籃模擬堆載預壓實驗研究

李正權 ，陳建超 ，朱洪濤

（1.徐州公路工程總公司，江蘇徐州 221001；2.龍口市建筑工程質量監督站，山東龍口 265701）

0 引言

掛籃，作為預應力連續梁和連續剛構橋懸臂澆筑施工過程中采用的主要施工設備，有平行桁架式、三角、弓形、菱形等多種形式[1-2]。其中，三角掛籃以其受力明確、構造簡單、輕便等特點成為一種目前較為常用的掛籃形式。另一方面，掛籃在正式用于工程施工時，需先開展預壓實驗[3～6]。預壓實驗的主要作用包括三個方面：（1）驗證掛籃的承載能力，尋找薄弱環節以便加固；（2）消除掛籃結構的非彈性變形；（3）獲得預壓加載過程中掛籃的應變響應過程，為連續梁或連續剛構橋預拱度設置提供參考[7]。借助砂袋或水袋直接堆載是比較常規的方法，但在工程實踐中，由于需要準備較多的輔助物品并需大型起吊設備，在費用、時間上浪費較多，場地占用時間較長。因此，變更荷載施加途徑成為了一個比較熱門的工程實踐研究課題。針對三角掛籃的預壓實驗，已有的研究從預壓實驗荷載選擇及施加、掛籃在墩頂的拼裝、掛籃預壓試驗資料分析等多方面開展了研究，其中針對掛籃預壓荷載的施加分別采取了砂袋（或水袋）直接堆載法、預埋支撐結合千斤頂施加反力法[4]、兩掛籃橫臥對向錨固后在主梁前端用千斤頂施加推擠力模擬加載法等多種方法[5]。不過，不論采取哪種形式，真實地模擬施工荷載和加載過程以校驗掛籃的安全穩定性、獲得準確的應變響是掛籃預壓堆載實驗的根本目的。

1 掛籃堆載預壓實驗方案與實施

位于徐州境內的徐洪河大橋為45 m+65 m+37 m預應力混凝土連續梁橋。大橋最重節段（1號塊）長3.5 m，箱梁中心高3.44 m，底板厚0.654 m，腹板厚度為0.75 m，節段重量約126 t。

大橋采用三角掛籃澆筑，掛籃主構架由2件對稱的桁架式承載構件聯結而成。掛籃主構架是簡支結構，桿件間以銷軸連接，見圖1。單個掛籃立柱（AB）高 3 m，主弦桿（CBD）長 9.4 m，均由兩根32B槽鋼拼焊而成；斜拉桿由兩片25 mm厚、220 mm寬的16Mn鋼板構成，斜32°布置。除了主體結構外，掛籃結構中的前橫梁采用2根45B工字鋼，吊桿采用Φ32 mm精軋螺紋鋼筋。掛籃底模前后橫梁吊點各5個，掛籃側模和箱室頂板內模各2個吊點。每榀三角架后部有2根后錨扁擔梁，各通過2根Φ32 mm精制螺紋鋼筋豎向錨固于已澆筑箱梁上。掛籃模板系統中，底模重12 t，側模重 2×5.5 t，內模重 3 t。

圖1 三角掛籃外形尺寸示意圖（單位：cm）

在實際操作過程中，考慮采用在地面上將兩片三角掛籃主構架對向拼接，并借助油壓千斤頂對拉來模擬預壓的方法開展預壓實驗，見圖2。掛籃一端用Φ32 mm精軋螺紋固定，中間部位用工字鋼制成的墊梁做支點，另一端用110 t油壓千斤頂逐級加載。采用這種方法的主要出發點是：（1）更好地滿足預壓噸位要求：油頂預壓可以滿足預壓要求的噸位，而沙袋預壓受空間限制不能很好地滿足預壓要求；（2）縮短工期并節省費用：油頂預壓的施工工期為1 d，而采用沙袋預壓的施工工期接近1周，油壓千斤頂預壓的機械為油壓千斤頂一套，沙袋預壓需添置大量沙袋，并需要配置25 t汽車吊一輛同時耗費大量人力。但考慮到掛籃上橋拼裝后，在澆筑混凝土之前，結構仍未經歷預壓消除接觸變形的過程，因此，采用地面拼裝千斤頂預壓的過程，更重要的是獲得掛籃主體結構的應變響應。

圖2 對拼三角掛籃及油壓千斤頂預壓實驗

預壓實驗實際最大堆載值為50 kN，共分5級進行加載和卸載，加載實驗過程中，用鋼尺量取兩掛籃主弦桿頂面之間的距離變化。由于采用的是兩掛籃拼合的方式，因此，主弦桿間距離的變化值對于單個掛籃而言應當減半。荷載施加過程中，1/2收縮量與荷載之間關系見圖3。

圖3 實測1/2收縮量曲線與荷載之間關系曲線

另外，對于與施加荷載端相對的錨固端，實驗過程中，也進行了錨固鋼筋伸長量的測量，其數值僅4 mm，中部墊梁的壓縮變形僅2 mm，對加載端的影響較小。這主要是在加荷載之前，首先將掛籃間工字鋼墊梁安裝到位，然后對整個掛籃主弦桿的兩端同時使用螺紋筋、螺帽并配合千斤頂進行了錨固，然后，將墊梁位置處也采用螺紋筋錨固扎實，最后，放松荷載施加端螺帽進行加荷，這樣，有效地限制了非荷載施加端的變形。

2 試驗測試結果分析

從圖3中可以看出，掛籃在加載之初，由于存在明顯的非彈性變形（主要是構件之間接觸部位相互擠壓的緊致過程產生的變形），實驗曲線在加載之初呈現明顯的非線性。加載借助的緊固件與掛籃間咬合有個從寬松然后驟然緊密的過程。當荷載增加到20 kN之后，接觸部位由于擠壓已經充分，整個掛籃實驗體系才呈現出明顯的線彈性工作狀態。從掛籃預壓實驗的三個主要目的中的消除掛籃結構的非彈性變形來看，在實際施工過程中，若掛籃的底模、側模以及臨時施工荷載超過這個數值的話，則可以在底模高程調整之前就將結構間緊致過程完成，避免在確定底模立模高程過程中出現偏差。另一方面，與本次在地面拼裝掛籃進行實驗不同的是，傳統的在橋面拼裝掛籃的時候，要進行預壓實驗，則至少需要構建桁架、支撐、懸吊和模板系統中的底模和側模，模板的重量在進行實驗之前已經主要由掛籃承擔，其重量一般都接近20 t（本橋超過25 t）。故此，在地面拼裝掛籃進行實驗過程中獲得的變形數值中，接觸變形或者稱非彈性變形要遠遠大于在橋面拼裝掛籃后開展的預壓實驗，而此部分變形在后一種類型的試驗過程中，由于已經先于堆載產生，故而是測不到的。值得關注的是，掛籃在橋面拼裝并澆筑混凝土時，其傳力機理與地面掛籃主桁架對拼后開展的預壓實驗存在較為明顯的不同。以如圖4所示的掛籃系統為例，橋梁梁段底板、腹板澆筑時產生的豎向自重荷載主要由掛籃的底模系統承擔，頂板自重產生的荷載由內模系統承擔，翼板的荷載由外模系統承擔，這些荷載首先通過掛籃的前、后吊桿或吊帶傳遞到前、上橫梁和已澆梁段的底板及腹板上。最終，前、上橫梁的所有荷載都傳遞到掛籃的主桁架上，主桁架再通過前支點和后錨點把力傳遞到已澆梁段的頂板、腹板上。懸吊系統和主桁系統部分起著力轉換的作用。掛籃吊架在澆筑梁段中所產生變形的調整，能通過調整前吊桿高度或在后錨橫擔梁上配重加以調整。

圖4 徐洪河大橋掛籃布置立面圖（單位：cm）

預壓實驗過程中，千斤頂的推擠力直接作用于三角桁架的底部弦桿，整個過程中，除了與預壓荷載施加端相對的主弦桿另一側由于采用的是螺紋筋錨固的方式，會產生拉伸變形之外，掛籃主桁架之外的部分（特別是懸吊系統）的變形都被忽略。與常規掛籃預壓實驗時，底模和側模的重量在立模高程確定之前即由掛籃為主承擔，且懸吊、模板甚至行走系統均參與試驗有所不同，因此，上述地面拼裝后堆載過程中的荷載噸位選擇、加載位置、觀測方法是否合理，均需加以分析。

采用Ansys軟件對試驗進行模擬。立柱和斜拉桿采用桿單元，主弦桿采用梁單元。計算得到的主弦桿前端最大下撓為15.6 mm，各桿、梁變形見圖5。與圖3中對應荷載（400 kN）所產生的位移（22 mm）相比，有較大出入。若將圖3中非線性變形階段扣除部分，200 kN荷載，彈性變形按8 mm計，其余4～5 mm認為是錨固系統與掛籃之間緊致、加載非線性、變形非線性等原因產生的形變，則兩者數值較為接近。由此可見，在上述試驗所獲得的數據中，有一部分是由于試驗系統設計和操作過程中引入的粗差，需要將其剔除后再進行掛籃真實響應的計算。其次，掛籃桁架受千斤頂頂推作用情況下，其荷載施加過程與沙袋堆載的傳統方式相比，不夠均勻、加載歷時也較短等原因均會造成實測數據的偏大。

3 箱梁澆筑預拱度設置

預應力箱梁由于施工荷載和后續節段施工荷載的影響，其節段前緣會產生較大下撓，使得箱梁頂、底高程偏離設計線形，故而箱梁節段施工過程中，需要設置預拋高（預拱度）以抵消其影響。預拱度數值的大小主要受以下因素影響：一期恒載、預應力、二期恒載、結構體系轉換、掛籃變形、混凝土收縮徐變、墩身壓縮、溫度影響、臨時施工荷載、活載，其中預應力和混凝土收縮會造成體系緊致，對施工預拱度設置有減小的作用，其余部分，則多數會造成施工過程中本節段或之前已澆筑節段的下撓。實際施工過程中，影響線形控制的主要不可控因素是掛籃的非彈性變形部分。

在上述掛籃實驗中，可以看出，對于非新制掛籃，非彈性變形主要集中于荷載施加初期，而預壓實驗數據中的后半段，彈性特征明顯，可以作為參照，并依照每個節段箱梁的自重、長度計算獲得澆注過程中的掛籃變形值。

徐洪河大橋施工過程中，對于預拱度的設置采用了Midas軟件進行箱梁自重荷載、預應力張拉、混凝土干縮及徐變、溫度變化等模擬，對于掛籃的變形，1號塊按照20 mm考慮，對比如圖3所示，扣除了部分非彈性變形的影響，但仍保留了部分數值以抵抗掛籃錨固不實等原因產生的下撓。施工監測結果顯示，上述設置是合理的，保證了橋梁底板線形的美觀、流暢。

4 結語

對于三角掛籃這一輕便掛籃的典型代表，在施工前對其開展堆載預壓，是獲知掛籃穩定性和應變響應的重要途徑，借助千斤頂而非砂袋在地面拼接掛籃進行預壓實驗，一方面操作更為安全，可以大幅節省工期，另一方面，更為安全。其滿足了驗證掛籃的承載能力，獲得預壓加載過程中掛籃的應變響應過程兩個最重要的要求，而對消除掛籃結構的非彈性變形，考慮到掛籃系統模板重量較大，且施工控制均是在模板系統就位后進行調整，故而，完全可以滿足消除掛籃系統各部件間接觸變形的需要。反過來，地面拼裝后采用千斤頂加載的初期，其獲得的數據中會包含部分非彈性變形，需要結合分析將其剔除，避免對掛籃的真實相應計算引入誤差。此外，在開展預壓實驗的過程中，需注意其受力差異，針對性地開展構件對拼準備、實驗數據分析和相應的數值分析工作，才能更好地完成相關的實驗工作。

值得說明的是，考慮到由于千斤頂施加荷載的靈活性，施加對拉力的時候，特別是加載前期，可縮小步長，使構件各個部分漸進地緊致；荷載施加完成后，卸載過程中也應在小荷載區間延長停滯時間，以便觀察掛籃的殘余變形數據。這是上述試驗過程中忽略了的問題，在今后的試驗過程中，需要加以改進。

[1]徐岳.預應力混凝土連續梁橋設計：原理、方法及實例[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2]陳金水.幾種施工掛籃的設計與比較[J].公路與汽運,2005,110(3):137-139.

[3]黃程春.輕型三角掛籃加固與預壓試驗 [J].科技創新導報,2007,35:29-30.

[4]羅遷.掛籃加載試驗受力分析及方法[J].貴州工業人學學報(自然利學版),2007,36(4):108-112.

[5]羅春鳴,吳針樣.左江大橋三角掛籃試壓試驗方案[J].建筑與工程導報,2008(5):63-64.

[6]楊從娟,向敏,等.京杭運河大橋掛籃設計與懸臂段施工[J].鐵道建筑,2005(10):8-10.

[7]雷俊卿.橋梁懸臂施工與設計[M].北京:人民交通出版社,2000.