拱橋懸臂澆筑掛籃設計的探討

摘"要：本文主要針對拱橋懸臂澆筑掛籃的設計展開了探討，通過結合具體的工程實例，簡要概述了懸臂澆筑掛籃設計的難點，并對掛籃的設計和驗算作了系統的分析，以期能為有關方面的需要提供有益的參考借鑒。

關鍵詞：拱形橋梁;懸臂澆筑;掛籃設計

由于懸臂澆筑法克服了傳統施工方法的一些缺點，因此，近年來，國內外廣泛將懸臂澆筑法用于修建大跨度鋼筋混凝土拱橋。而掛籃作為懸臂澆筑法施工中最重要的設備，對其的施工設計就需要引起相關建設單位的重視，通過做好有關的設計工作，保障懸臂澆筑的施工，從而保障整個拱橋工程質量。

1"工程概況

該橋橋位區兩岸為陡崖，中部為U形溝谷。全橋跨徑布置為2×30+165+4×30m，其主橋為懸鏈線箱形拱，凈跨徑165m，凈矢高30m，凈矢跨比1/5.5，拱軸系數m=1.988。主拱圈為單箱雙室箱形截面，寬7.5m、高2.8m。主拱圈縱向共分為27個節段，其中兩岸拱腳1號節段為支架現澆段，拱頂為合龍段，其余24個節段采用掛籃懸臂澆筑施工。懸臂澆筑整體布置見圖1。

圖1大橋懸臂澆筑整體布置圖

2"懸臂澆筑掛籃設計難點

該橋箱拱懸澆施工節段長（最長7.14m）、傾斜角大（最大傾斜角為35°）、重量較重（最重節段146t），施工周期短，掛籃設計需解決的問題主要有：掛籃的大結構尺寸，同時滿足受力、變形以及穩定性要求;掛籃輕型化;掛籃的斜爬與止退。

根據工程的實際特點，在掛籃設計上作了如下方面的考慮：主桁系統和底籃系統結合，增加結構的整體剛度;掛籃行走和混凝土澆筑時，掛籃的支承系統分離，以適應不同受力的需要;設置抗剪臂，抵抗澆筑混凝土過程中掛籃下滑;在拱背上預埋地腳螺栓，通過螺帽錨固軌道，從而實現在較大傾角下掛籃的移動;依靠后端的滾輪支反力對滑船產生的力矩，平衡掛籃自重產生的傾覆彎矩。

3"掛籃設計

3.1"設計思路

通過對國內外現有掛籃的施工特點、操作工藝、用料情況等進行分析和研究，結合該橋懸臂澆筑設計分段長度、梁段重量、外形尺寸、斷面形式等因素，同時考慮施工荷載和掛籃遠期適應性、通用性，該橋掛籃設計總體思路如下：

（1）選用一種受力合理、安全可靠、剛度較大的輕型結構作為掛籃承重主桁。

（2）力求結構輕巧，掛籃自重控制在50t以內，吊升系統采用大直徑高強絲桿，使錨固、裝拆方便，調整簡單。充分利用型鋼、貝雷等既有定型高強輕質鋼材，減少構件的加工量和提高構件的周轉率，節約成本。

（3）根據箱形拱橋斷面結構，考慮施工方便、快捷，降低勞動強度等因素，在縱梁的外側設眼鏡蛇式掛鉤，在掛鉤上端部設千斤頂和滑船，以便掛籃斜向移動。

（4）掛籃行走、側模移動均采用液壓裝置，加快懸澆速度的同時達到提高生產效率和降低工人勞動強度的目的。

（5）能夠承受懸澆時箱拱混凝土等傳遞的沿縱軸線推力，通過設于掛籃縱梁中偏后部的抗剪臂作用于已澆筑完成的主梁梁體上，以保證掛籃的相對移動。

（6）取消后錨裝置，既減輕了掛籃自重又能滿足穩定性要求。

（7）盡可能增大作業空間以改善施工條件，且適用于合龍段施工。

3.2"掛籃總體構造

倒掛式三角斜爬掛籃主要由型鋼和鋼板組焊構件組成，包括主桁系統、止退系統、支反力系統、走行系統、模板系統、工作平臺及安全防護6大系統。掛籃全長16.0m，總高8.32m;承重部分采用三角形桁架，桁高4.30m，兩三角主桁片中心距為5.0m。掛籃整體結構如圖2所示。

圖2"倒掛式三角斜爬掛籃整體結構圖

（1）主桁系統：包括縱梁、橫梁、斜桿、豎桿、掛鉤及穩定桁架。

（2）止退系統：包括抗剪臂、支擋裝置、鋼墊板等。

（3）支反力系統：包括臥式千斤頂、絲桿及鋼墊板等。

（4）走行系統：包括軌道、滑船、頂推盒、千斤頂、主桁結構上的行走滾輪、限位輪鋼墊板、銷軸及螺栓等。隨著千斤頂的不斷頂推、不斷更換銷軸和接長軌道，掛籃不斷向前移動，由于掛籃的重心靠前，掛籃尾部的滾輪隨著掛籃的移動在梁底不斷滾動。為防止結構左右晃動，掛籃兩側還裝有三對限位輪。

（5）模板系統：包括底模、側模、內模、頂模、頂模支架及移動外架等。通過掛籃尾部的后支點千斤頂頂升（卸油）來調整立模標高。

（6）工作平臺及安全防護系統：包括前工作平臺、側向工作平臺及后吊架3部分。

4"掛籃驗算

4.1"傳力機理

4.1.1"受力平衡關系分析

倒掛式三角斜爬掛籃主縱梁位于箱形拱橋底面，通過中掛點B和后錨點A與已澆注的混凝土梁段連接，水平止退位于D點，R1、H、R2為已澆梁段給掛籃提供的相關反力（圖3）。G和W分別為掛籃自重（包括施工荷載）和待澆梁段混凝土重。

圖3掛籃受力原理圖

根據力的平衡，有：

Gsinα+Wsinα=H""""""""""""""""""""（1）

Gcosα+Wcosα+R1=R2""""""""""""""（2）

L2·Gcosα+L3·Wcosα+H·h=L1·R1"""""""（3）

將式（1）代入到式（3），得：

（4）

將式（4）代入到式（2），得：

（5）

式（1）、（4）、（5）反映了掛籃反力與懸澆梁段之間的關系，當W=0時，該3式是掛籃空載時的反力。其反力為：

H=Gsinα"""""""""""""""""""""""""（6a）

（6b）

（6c）

掛籃從第2個節段開始懸澆，直至拱圈合龍，G值在整個懸澆過程中為常數，假定每個節段W值相同，隨著α由大變小，在空載和懸澆狀態下，H值由大變小，R1、R2均是由小變大。

4.1.2"荷載傳遞路徑

混凝土澆筑過程中，掛籃構件傳力過程如圖4所示。

圖4澆筑混凝土時掛籃構件的傳力過程

4.2"荷載計算假定及取值

4.2.1荷載計算假定

（1）模板、施工荷載按均布荷載考慮;

（2）忽略待澆梁段由于曲率變化而引起混凝土分配荷載的變化;

（3）忽略橫向混凝土不均單獨引起的橫向偏載和節段前后高差對結構受力的影響;

（4）箱梁外側模自重及外側模上馬蹄形混凝土重，通過外側模直接傳遞給底模;

（5）風荷載只在掛籃行走時考慮。

4.2.2荷載取值

每節段重量及分配給掛籃的計算重量見圖5。

圖5"待澆筑混凝土體積與掛籃承重體積對照圖

4.3"分析工況

針對該橋懸澆掛籃的服役期，根據設計節段長度的變化，擬定第2、4、6、12共4個施工節段工況，其混凝土重量對掛籃構件的效應可以涵蓋其他施工節段，掛籃構件內力計算即以這4個施工節段為基準，空掛籃狀態則以第12施工節段為基準計算。

荷載組合工況如表1所示。

表1""荷載組合工況

注：（1）代表混凝土重量;（2）代表掛籃自重;（3）代表施工振動荷載;（4）代表混凝土偏載;（5）代表施工機具與人群荷載;（6）代表風荷載;（7）代表掛籃移籃沖擊荷載;（8）代表其他荷載。

4.4"計算及結果分析

（1）計算模型

根據該掛籃的受力特點，建立掛籃空間Midas""civil模型，進行三維整體性分析。掛籃整體計算模型如圖6所示。

圖6"掛籃整體計算模型

（2）主要計算結果

主要計算結果見表2。

表2""掛籃在各種工況下的受力及穩定性分析結果

由表2可以看出：

（1）主桁各構件在工況1～5情況下，各彎曲應力均<145MPa（容許值），軸向應力<140MPa（容許值），剪應力也<85MPa（容許值），其強度及剛度滿足要求。

（2）掛籃在工況1～5情況下失穩模態的最小穩定性系數為3.86>2.0，其整體穩定性滿足要求。

4.5"掛籃靜載試驗

為檢驗掛籃的承受能力和穩定性，消除掛籃的非彈性變形，為箱梁施工控制提供數據，掛籃正式懸澆施工前進行靜載試驗。利用塔吊提升砂袋至底模上逐級進行加載試壓，分4級加載和4級卸載。每級加卸載前后測試其應力和撓度，為減小溫度影響，應力測試采用電阻應變片橫向溫度自補法，撓度采用精密水準儀配標尺進行觀測。

由靜載試驗結果可知，掛籃各構件在試驗過程中未出現不良現象;焊縫未出現裂紋，整體焊接質量良好;掛籃彈性變形試驗值較理論計算值稍低，剛度滿足要求。

5"結語

綜上所述，掛籃作為懸臂澆筑專用設備，不僅是施工梁段的承重結構，還是施工梁段的作業平臺。因此，做好掛籃設計的工作非常重要。本文就拱橋懸臂澆筑掛籃的設計進行了探討，相信對有關方面的需要能有一定的幫助。

參考文獻：

[1]何偉.鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑掛籃設計及施工技術[J].四川建筑.2011（02）.

[2]武秀萍、張衛國.大跨連續梁橋懸臂澆筑菱形掛籃的設計與施工[J]國防交通工程與技術.2013（S1）.