某特大橋掛籃施工方案及計算分析

王常才

(安徽交通職業技術學院土木工程系，安徽 合肥 230051)

某特大橋掛籃施工方案及計算分析

王常才

(安徽交通職業技術學院土木工程系，安徽 合肥 230051)

在橋梁建設過程中通常需要對懸臂掛籃進行設計與校驗，以確保施工過程安全進行，避免發生事故.以某跨江公路大橋工程為例，運用MIDAS Civil有限元軟件分別對橋梁各施工階段懸臂掛籃的應力、變形進行設計與驗算，得出結果表明該橋梁設計的懸臂掛籃滿足相關規范要求，能夠保證懸臂掛籃施工的安全與穩定.

懸臂施工；菱形掛籃；驗算

掛籃是橋梁施工中不可缺少的工序之一，其組成部分大致可分為行走、底籃和模板、主桁承重三個系統.為了保證橋梁施工過程中混凝土的澆筑質量，掛籃的設計要求不僅需要自重小、強度性能可靠，還需要求剛度大、抗變形能力強.另外，掛籃還需滿足操作可靠靈活，便于安裝拆卸等要求[1,2].基于上述背景可知，橋梁在施工前必須對掛籃的主要受力構件進行強度及穩定性驗算.本文依托某跨江公路大橋工程，采用MIDAS Civil有限元軟件對橋梁施工階段懸臂掛籃的應力、變形進行計算分析，得出結果可為同類工程的設計與驗算提供參考依據.

1 工程概況

某特大橋為跨江公路工程的一座大型橋梁，橋梁全長與全橋整流分別為1061.04m、8聯，該主橋上部采取75m+130m+75m變截面預應力混凝土連續箱梁，主橋下部結構17#、18#主墩為鉆孔灌注樁基礎、承臺、實體墩，16#、19#過渡墩為鉆孔灌注樁基礎、承臺、蓋梁+實體墩.該特大橋主橋采取單箱雙室截面，單幅設2%的橫坡，頂板厚0.28m，頂板寬20.25m，箱梁橋面橫坡以不等高的兩側腹板實現，橫橋基于底板保持水平，底板寬6.625m×2計13.25m，底板厚從主墩中心1.50至3.00由1.50m變化至1.00m，以二次拋物線變化從主墩中心3.00m到跨中由1.00m變化至0.32m，1#～11#屬于腹板，塊件厚度為0.80m，14#～19#塊件為0.55m，在12#～13#塊件范圍內由0.80m按直線變化到0.55m，翼緣板根部厚0.70m，端部厚0.25m，懸臂長3.50m，設置一道3.00m的橫梁于主墩的墩頂，再設置一道1.50m的橫梁于邊跨端部外，其他部分都不設橫梁.

2 掛籃的選型

依據該大橋變截面連續箱梁的分段設計長度、結構形式(單箱雙室)、外形尺寸、斷面形狀、梁段重量等特點，同時考慮施工的長期使用及荷載，確定采取GL280型號的菱形掛籃.安裝三拼主桁架菱形掛籃于箱梁同一斷面的腹板上.掛籃的技術性能要求：梁頂面適用的寬度為20.25m，最大梁段的適用長度為3.00～4.50m,最大梁段的適用重為280t，懸臂翼緣板3.50m，適用梁高8.50m內，梁底寬13.25m內.GL280型菱形掛籃，每套掛籃自重為50.96T，在0#、1#塊體14.00m長的起步長度內同時交叉安裝二套六拼菱形掛籃.菱形掛籃具有彈性變形小、安裝拆除簡便、剛度大、簡易調整、自重輕、前后端作業面廣闊、就位準確、便于混凝土的運輸以及現場澆筑等特點.

3 掛籃的結構設計

采用的GL280菱形掛籃主要由模板系統、后錨系統、行走系統、橫梁系統、提吊系統、菱形主桁架等六部分組成.

3.1 GL280型掛籃的主桁架系統

桁架的組成部分與尺寸見圖1.掛籃主要的承重結構為菱形主桁架，桁架分為三拼在箱梁的腹板頂面安裝.每拼桁架除去主梁之外其余均是由2[28a槽鋼加拼1cm的厚鋼板組焊而形成，而其主梁則是由2[36#槽鋼組焊而成，其節點處采取M22mm螺栓與16mm節點鋼板進行聯結，菱形主桁架和前上橫梁則采取JL32精軋螺紋鋼進行聯結，從而形成桁架受力結構.

圖1 掛籃主桁架平面圖

3.2 掛籃橫梁的提吊系統

掛籃的上、下、前、后橫梁均是采用Q235鋼板與L125角鋼二組焊接而形成，而其長度是依據橋梁的寬度設定.其整體橫梁是由二組橫梁之間空距6cm而形成，梁高均為60cm.

掛籃的前懸吊帶之吊桿與其后懸吊帶之后吊帶皆是由8根JL32精軋螺紋鋼制作而成，而其錨固定在前上橫梁，其中兩側之后上橫梁與其翼板的倒角箱梁頂板上皆各固定一根錨，而已澆箱梁塊段的底板上由中間四根錨固定，每箱各兩根.每組吊帶均采用扁擔梁及2只32t手動螺桿式千斤頂以用來調節各塊件標高以及底模板，具體布置如圖2所示.

圖2 掛籃吊帶及前橫梁布置圖

3.3 掛籃的行走系統

行走系統主要包括牽引設備、滑道與主梁的后壓錨；行走前需鋪設組合滾輪與雙排軌鋼在其主桁架下，安裝組合滾輪于其主縱梁尾部，拆除后錨固，采取5t的手拉葫蘆帶動其向前慢速移動直至掛籃行走到位.定位前，采用千斤頂在其主縱梁前支點將主梁頂起，加密滑道墊梁，并用方扁墊塊代替滾軸來固定主梁前支點以及掛籃行走系統(見圖3).

圖3 掛籃行走系統

3.4 掛籃的后錨固系統

圖4 主梁后錨固示意圖

主桁架的自錨平衡裝置為后錨，該裝置是由千斤頂、連接錨桿、利用箱梁豎向預應力筋，錨固扁擔梁(分配梁)等組成.每拼主桁縱梁尾部為連接箱梁體內的豎向預應力筋，則需采用3根JL32精軋螺紋鋼作為連接錨固桿，后錨固系統的布置形式見圖4.設置3個后錨固點于單拼主梁上，則一套掛籃上應總共設置9個錨固點.對于在掛籃后錨臨時使用的精軋螺紋鋼的要求是：應在使用之前均進行30t的預拉.

3.5 掛籃的模板系統

掛籃的底模采取規格為1.2m×3m的定型鋼模板，內頂模則采取10cm×10cm的松木方，模板則采取規格為15mm厚的大塊竹膠板模板，外模則采取定制好的鋼模，隨梁高的逐漸降低而減少.為使外、內腹模板形成一個整體，則需采用[10槽鋼作加強架.

箱梁翼緣板以及外側模皆使用鋼管支架來支撐，支架豎桿最大順橋向步距為0.55m，最大橫橋向步距為0.60m,支架采用Φ48×3mm的鋼管腳手架構成.為使結構穩定，支撐于前、后下橫梁上的縱梁15#梁需與鋼管支架相焊接.側模夾底模的方式需用于底模與外側模之間.

采用定型組合鋼模，以便于修改、裝拆內側腹板模板.為避免頂模模板受力后發生變形，采用0.1m×0.1m方木加工成整體桁架進行支撐.頂板則采取大塊腹膜竹膠板.被內頂桁架支承于2根分配梁上.分配梁前端同時由前吊帶受力，后端采取在已完成澆筑的箱梁頂板上，使用每箱三根JL32精軋螺紋鋼錨固定住.腹板外、內側模采取Φ16mm拉桿進行對拉，其外套鐵皮管，混凝土澆筑完成張拉壓漿后，為了使拉桿可以進行循環利用，應使掛籃移動推開從而能使拉桿被抽出.拉桿的水平距離為0.9m，上、下道的距離為0.8m.掛籃模板示意圖如圖5所示.

圖5 掛籃模板示意圖

4 計算分析

掛籃主要由行走系統、模板與底籃系統、主桁承重系統等系統構成.為保證掛籃的施工安全，必須對施工過程中掛籃的主要受力構件進行強度及穩定性校核[3-6].

4.1 施工穩定性計算

4.1.1 掛籃自重計算

經計算得，掛籃底模板支架、縱梁15.57t；前上下橫梁自重6.56t；后上下橫梁自重6.56t；菱形主桁架前拉桿自重1.51t；菱形主桁架前壓桿自重1.58t；菱形主桁架后拉桿自重1.97t；菱形主桁架中壓桿自重1.23t；菱形主桁架主縱梁自重2.21t；菱形主桁架中橫向連接桿自重2.79t；菱形主桁架前橫向連接桿自重1.01t；枕梁自重0.90t；32t千斤頂自重1.05t；Φj32吊桿1.05t；軌道鋼墊塊2.34t.掛籃自重合計46.33t.

4.1.2 空掛籃行走穩定性驗算

在掛籃上澆筑砼節段，當一系列預應力工藝完成后，掛籃便解除錨固系和模板梁后吊點，在新澆筑節段上鋪好枕木和鋼軌，并裝好制動裝置和后錨點.移動時最危險為掛籃移至懸臂梁前端時的受力狀態.

傾覆力矩為：M傾=g1×2.075+g前×4.15+g前拉×2.075+g前壓×2.075+g前連×2.075+1/2×g千斤頂×4.15+1/2×g吊桿×4.15=71.47N·m；

穩定力矩為：M穩1=g后×0.35+g后拉×2.95+g中壓×0.45+g主縱×3.625+g中連×0.45=17.920N·m；

由K傾=M穩/M傾≥2，得掛籃所需錨固力：

在行走時，3片桁架每片由2根Φj32的精軋螺紋鋼為錨固筋，其標準強度為750MPa，按其最不利的錨固情況計算，其錨固力為：

澆筑砼時，掛籃的穩定性驗算

M穩=179.20kN·M

M傾=714.7+3220×2.075=7396.2kN·M

K穩=(M穩+a×P)/M傾=2.93>2

所以，掛籃懸臂施工時其穩定性滿足要求.

4.2 掛籃強度和穩定性驗算

掛籃在砼澆筑過程中，主桁架受力達到最大.因此，應分別對其進行驗算、校核.基于前文掛籃自重計算分析，取現澆箱梁節段的砼最大重量322.0t，對底模進行受力分析.

4.2.1 主桁架各內力計算分析

圖6 主桁架受力分析

由ΣM(E)=0?RF×4.4-q1×L1×2.20-q2×L2×2.20-RL×4.4=0?RE=q1×L1+q2×L2+RL-RF=172.065t，RF=172.065t；當砼完成后RG=RC=176.395T，移位時RG=RC=15.395t；砼澆筑完成后RC=176.395/3=58.8t，RG=176.395/3=58.8t，移位時RG=RC=15.395/3=5.13t；經計算，當抗傾覆系數為2.0時，每根后錨桿的拉力為376.4kN，容許拉力為P確=750π·162/1000=603.2kN，故后錨力滿足要求.

菱形主桁架的內力計算：

ΣX=0

NCB=NCO·Cos27°/Cos20°

Σy=0

NCB·Sin20°+NCO·Sin27°-RC=0

?NBC=NCB=71.66t，NBA=(NCB·Sin70°)/Sin51°=86.65t，NBO=86.65·Cos51°+71.66·Cos70°=79.04t?OA桿的壓力為NOA=NBA·Sin51°=67.34t.

4.2.2 主桁架軸向受壓穩定性計算分析

由以上計算知：主桁架所受的最大軸線壓力為中壓桿(BO桿)，其軸力為Nmax=790.4kN.主桁架所受的最大軸線拉力桿為后拉桿(AB桿)，其軸力為Nmax=866.5kN，以最不利的X軸慣性矩進行檢驗計算

對掛籃桁架軸壓力最大的OB壓桿穩定性驗算：

λBO=l0/i=400/9.68=41.32≤80

根據《路橋施工計算手冊》，查表表得縱向彎曲系數φ=0.8956.

σ壓=Nmax/Am=60.31Mpa≤φ[σ]

k=125/60.31=2.07

對掛籃桁架拉桿AB桿強度驗算：

σ壓=Nmax/A=66.12MPa≤[σ]=140MPa

k=140/66.12=2.11

所以掛籃主桁架受力滿足要求.

4.2.3 前上下橫梁受力計算分析

(1)由電算知下橫梁受力如下：

圖7 下橫梁支點反力圖

圖8 下橫梁剪力圖

圖9 下橫梁彎矩圖形

彎距Mmax=57.72kN·m；剪力Qmax=139.33kN；應力σ=Mmax/ωz=18.34MPa<140MPa；切應力τ=Qmax/A=6.45MPa<85MPa.

(2)由電算知上橫梁受力如下：

圖10 上橫梁反力圖

圖11 上橫梁剪力圖

圖12 上橫梁彎矩圖形

彎距Mmax=79.79kN·m；剪力Qmax=206.04kN；應力σ=Mmax/ωz=25.35MPa<140MPa；切應力τ=Qmax/A=9.54MPa<85MPa，故掛籃前上下橫梁受力滿足施工要求.

(3)后下橫梁在行走過程中受力分析：

圖13 后下橫梁行走過程中受力分析

5 結論

通過運用有限元軟件MIDAS Civil對掛籃在施工過程階段的穩定性、剛度、強度等力學指標進行變形、應力的計算，算出該掛籃不論在空載行走或是澆筑混凝土時，均能滿足強度、剛度以及穩定性等方面的要求，可以用于施工.

[1] 馬保林. 高墩大跨連續剛構橋[M]. 北京:人民交通出版社, 2001．

[2] 周云龍. 連續梁橋菱形施工掛籃的設計[J]. 山西建筑, 2009, (8): 333-334.

[3] 中交第一公路工程局有限公司.JTGTF50-2011 公路橋涵施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[4] 中華人民共和國建設部. GB 50017-2003 鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社,2003.

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[6] 張樹仁. 鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁結構設計原理[M].北京: 人民交通出版社, 2004.

(責任編校：晴川)

Construction Design and Calculation Analysis of the Hanging Basket of A Super Large Bridge

WANG Changcai

(Department of Civil Engineering, Anhui Communications Vocational & Technical College, Hefei Anhui 230051, China)

In the process of bridge construction, it is usually necessary to design and verify the cantilever hanging basket to ensure the safety of the construction process and avoid accidents. Taking a cross river highway bridge project as an example, this paper uses the Civil MIDAS finite element software to design and check the stress and deformation of the cantilever hanging basket. The results show that the bridge design of the cantilever hanging basket meet relevant specifications, and can guarantee the safety and stability of the cantilever hanging basket.

cantilever construction; diamond hanging basket; checking calculation

2015-08-06

王常才(1965— )，男，安徽合肥人，安徽交通職業技術學院土木工程系副教授.研究方向：橋梁加固、養護.

U455.4

A

1008-4681(2015)05-0017-06