辰塔大橋主梁前支點(diǎn)掛籃設(shè)計(jì)及施工工藝

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

1 工程概況

辰塔公路越黃浦江大橋新建工程，位于上海市西南角的松江區(qū)西南呈南北走向的辰塔公路上，主橋跨越黃浦江，為雙塔雙索面混凝土斜拉橋。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙主肋斷面，主梁橋面寬34.6 m，截面中心點(diǎn)梁高2.8 m。主梁采用前支點(diǎn)掛籃懸臂澆筑施工，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)6.6 m，設(shè)置2道橫隔梁（圖1），混凝土體積為162.28 m3。

圖1 主梁斷面示意

2 主梁施工的難點(diǎn)和特點(diǎn)

針對(duì)大橋所處施工環(huán)境以及主橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在實(shí)施懸臂澆筑過(guò)程中將主要面臨以下難題：

1）根據(jù)設(shè)計(jì)及業(yè)主方要求，要實(shí)現(xiàn)全斷面一次性整體澆筑，保證主梁結(jié)構(gòu)整體性；

2）掛籃行走需要非常強(qiáng)大的C形掛腿及反壓機(jī)構(gòu)來(lái)平衡掛籃前傾力，使得掛籃超重；

3）大橋主跨位于黃浦江上游主航道，橋梁標(biāo)高較低，在前支點(diǎn)掛籃設(shè)計(jì)時(shí)，要滿(mǎn)足航道通航限高的要求。

這對(duì)掛籃的高度、操作平臺(tái)、模板升降、行走系統(tǒng)和相應(yīng)施工工藝提出了較高要求，傳統(tǒng)前支點(diǎn)掛籃已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足。為實(shí)現(xiàn)類(lèi)似超寬翼緣全斷面一次性澆筑：該掛籃承載平臺(tái)能夠滿(mǎn)足主梁節(jié)段澆筑的要求，嚴(yán)格控制自重；掛籃自身的高度需滿(mǎn)足通航限高要求；在掛籃高度受限前提下，自身結(jié)構(gòu)剛度、安全性以及可靠性要滿(mǎn)足；為能夠保證掛籃安全、可靠前移，需要一種復(fù)合型前支點(diǎn)掛籃的行走系統(tǒng)；主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段設(shè)置2道橫梁，需要一套可升降模板系統(tǒng)，保證掛籃前移時(shí)，模板不受第1道橫梁的阻礙[1,2]。

3 復(fù)合型前支點(diǎn)掛籃的設(shè)計(jì)

針對(duì)主梁施工中的難點(diǎn)，該掛籃設(shè)計(jì)主要由承載平臺(tái)、張拉機(jī)構(gòu)、行走系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)和模板系統(tǒng)組成。

承載平臺(tái)是掛籃支承混凝土荷載及模板體系的主體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)主體采用在橫橋向與斜拉索對(duì)應(yīng)位置布置2根主縱梁，主縱梁前端設(shè)置張拉系統(tǒng)形成支點(diǎn)，在主縱梁上設(shè)置承力面，適應(yīng)各節(jié)段斜拉索不同角度的變化，后端與已澆段混凝土錨固，主縱梁外側(cè)設(shè)置支撐架承載主梁懸臂位置荷載。主縱梁間設(shè)置3根橫梁，為提高承載能力和側(cè)向穩(wěn)定性，前、后橫梁采用箱形截面，為加工制作方便和減輕自重，連系梁采用工字形截面。承載平臺(tái)后部設(shè)置2根行走軌道滑梁（圖2）。

張拉機(jī)構(gòu)由前支點(diǎn)調(diào)節(jié)支座、張拉分配梁、張拉桿和精軋螺紋鋼組成，如圖3所示。前支點(diǎn)調(diào)節(jié)支座與分配梁之間采用銷(xiāo)軸連接，分配梁可繞支座轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)支座可沿主縱梁端部斜面移動(dòng)，通過(guò)兩部分共同作用調(diào)整張拉桿角度，張拉千斤頂通過(guò)撐腳固定在分配梁上。該機(jī)構(gòu)可調(diào)整以適應(yīng)各節(jié)段斜拉索平面角度的變化。精軋螺紋鋼筋用于固定前支點(diǎn)調(diào)節(jié)支座，張拉產(chǎn)生的沿主縱梁端部斜面的分力由其來(lái)承受。

圖2 承載平臺(tái)機(jī)構(gòu)

圖3 張拉機(jī)構(gòu)

行走系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)掛籃空載前移功能，掛籃行走系統(tǒng)主要由三角桁架、牽引機(jī)構(gòu)以及后行走小車(chē)組成，如圖4所示。該行走系統(tǒng)與其他方式相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，首先這種形式的掛籃承載平臺(tái)前移比較平穩(wěn)，其次掛籃的承載平臺(tái)與各部分模板同步一次性就位，減少了施工工序，縮短了施工周期。

圖4 行走系統(tǒng)

定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)掛籃澆筑前的初定位及微調(diào)定位功能，由頂升機(jī)構(gòu)、主縱梁前、后錨桿組、止推機(jī)構(gòu)等組成。

通過(guò)錨桿組的提升和下放實(shí)現(xiàn)掛籃的升降，到位后可機(jī)械鎖定，以保證掛籃在施工中頂升支點(diǎn)的定位不變。止推機(jī)構(gòu)錨固在已澆梁段上，其作用是微調(diào)掛籃縱向定位位置，并承受掛籃施工中斜拉索的水平分力。掛籃的豎向標(biāo)高調(diào)整由錨桿及頂升機(jī)構(gòu)完成。

掛籃錨固系統(tǒng)包括2組主縱梁前錨桿組、2組主縱梁后錨桿組、主桁后錨桿組、止推機(jī)構(gòu)錨桿組和后行走小車(chē)錨桿組。主縱梁前錨桿組設(shè)在主縱梁中部，作用是將承載平臺(tái)承受的施工荷載傳遞到已澆梁段上；主縱梁后錨桿組設(shè)在主縱梁尾部，用以平衡掛籃斜拉索初張拉時(shí)產(chǎn)生的傾覆力，同時(shí)，2組錨桿組亦作為抗風(fēng)安全錨固點(diǎn)。

模板系統(tǒng)由主梁底模及側(cè)模、橫梁底模及側(cè)模、頂板底模、拱架以及支撐等組成，如圖5所示。主梁內(nèi)側(cè)模、橫梁內(nèi)側(cè)模上下端分別與頂板底模、主梁底模和橫梁底模采用鉸連接，主肋側(cè)模、橫梁側(cè)模之間采用對(duì)拉螺栓連接，懸臂模板和前端模板支撐采用可調(diào)撐桿支撐在承載平臺(tái)上。

在掛籃前移前，拆除主梁內(nèi)側(cè)模、橫梁內(nèi)側(cè)模上端與頂板底模的連接鉸，頂板底模及拱架下降適當(dāng)高度；松開(kāi)對(duì)拉螺栓，將主肋外側(cè)模、橫梁前端側(cè)模放置于承載平臺(tái)上，將主肋內(nèi)側(cè)模、橫梁內(nèi)側(cè)模轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度脫離混凝土，放置在頂板底模上且隨同拱架一起下降至掛籃行走時(shí)的定位高度。

掛籃前移到位后，再將拱架提升到設(shè)計(jì)標(biāo)高位置，立模并澆筑下一節(jié)段。

圖5 模板系統(tǒng)

4 掛籃結(jié)構(gòu)施工計(jì)算

4.1 掛籃設(shè)計(jì)主要參數(shù)

掛籃在施工過(guò)程中，主要承受混凝土荷載、人群施工荷載、風(fēng)荷載以及掛籃自身質(zhì)量，根據(jù)主梁及掛籃構(gòu)造特點(diǎn)，將以上荷載分別施加在掛籃承載平臺(tái)各部分。其中混凝土荷載取2.6 t/m3，主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段混凝土總質(zhì)量為422 t；人群及施工荷載取0.15 t/m2；工作狀態(tài)橋面風(fēng)荷載為0.03 t/m2，非工作狀態(tài)風(fēng)荷載為0.10 t/m2；掛籃各構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 掛籃設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2 掛籃施工驗(yàn)算主要工況

為了驗(yàn)算掛籃主要構(gòu)件的受力，通過(guò)以下8種施工工況對(duì)掛籃進(jìn)行計(jì)算：

工況一：掛籃位于邊跨2#節(jié)段，混凝土澆筑完成1/2（混凝土濕重211 t，下同），風(fēng)向豎直向下（風(fēng)速19 m/s，下同），斜拉索第2次張拉完成，單根索索力1 930 kN，計(jì)算中支點(diǎn)墊塊受力。

工況二：掛籃位于邊跨2#節(jié)段，混凝土澆筑完成，風(fēng)向豎直向下，斜拉索第2次張拉，單根索索力1 930 kN，計(jì)算掛籃工作狀態(tài)的受力和變形。

工況三：掛籃位于中跨21#節(jié)段，混凝土澆筑完成1/2，風(fēng)向豎直向下，斜拉索第2次張拉未開(kāi)始，斜拉索一張單根索索力1 240 kN，計(jì)算主縱梁前錨桿組受力。

工況四：掛籃位于中跨21#節(jié)段，混凝土澆筑完成1/2，風(fēng)向豎直向下，斜拉索第2次張拉完成，單根索索力3 180 kN，計(jì)算主縱梁后錨桿組受力。

工況五：掛籃位于中跨21#節(jié)段，混凝土澆筑完成但未凝固，風(fēng)向豎直向下，二次張拉單索索力3 180 kN，計(jì)算掛籃工作狀態(tài)的受力和變形。

工況六：混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)并張拉完成，實(shí)現(xiàn)掛籃與主梁間的索力轉(zhuǎn)換，掛籃在前、后錨桿組和頂升機(jī)構(gòu)的配合下下放，風(fēng)向豎直向下，計(jì)算掛籃下放時(shí)頂升機(jī)構(gòu)受力。

工況七：掛籃下放完成準(zhǔn)備行走，掛籃端部用連系鋼帶與三角桁架連接，掛籃后部行走軌道作用在行走小車(chē)上，風(fēng)向豎直向下，計(jì)算掛籃開(kāi)始行走狀態(tài)時(shí)行走小車(chē)的受力情況。

工況八：掛籃行走到位，風(fēng)向豎直向下，計(jì)算掛籃行走到位狀態(tài)時(shí)三角桁架與連系鋼帶受力。

4.3 掛籃施工驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)驗(yàn)算數(shù)據(jù)，掛籃鋼材拉伸、壓縮、彎曲的許用應(yīng)力及掛籃剛度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

掛籃行走到位錨固后的空掛籃狀態(tài)，以及該工況下掛籃施加有斜拉索初張索力550 kN（單根），2種狀態(tài)中掛籃在33 m/s風(fēng)荷載作用下，掛籃穩(wěn)定力矩與傾覆力矩之比分別為2.19和4.33，均大于2，說(shuō)明掛籃整體抗傾覆性滿(mǎn)足使用要求。

同時(shí)根據(jù)8種施工工況，驗(yàn)算了止推機(jī)構(gòu)螺桿承壓強(qiáng)度、螺桿螺紋副強(qiáng)度、抗剪柱剪切強(qiáng)度、連接焊縫、錨固精軋螺紋鋼抗拉強(qiáng)度以及掛籃錨固機(jī)構(gòu)的受力等均滿(mǎn)足規(guī)范強(qiáng)度要求。

5 掛籃施工工藝

針對(duì)辰塔大橋的結(jié)構(gòu)及前支點(diǎn)掛籃特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套與之相對(duì)應(yīng)的施工工藝，使各節(jié)段滿(mǎn)足索力及變形雙控的要求。

1）施工節(jié)段預(yù)應(yīng)力張拉完成，將掛籃上索力轉(zhuǎn)換到已澆主梁上，實(shí)現(xiàn)索力轉(zhuǎn)換，拆除張拉千斤頂與斜拉索連接；

2）解除三角桁架后錨固點(diǎn)，安裝反壓機(jī)構(gòu)；三角桁架在手拉葫蘆牽引下前移；

3）三角桁架尾部與已澆主梁錨固，拆除止推機(jī)構(gòu)，調(diào)整可調(diào)螺桿松開(kāi)模板，下放拱架，折疊模板實(shí)現(xiàn)脫模；

4）通過(guò)掛籃承載平臺(tái)前、后錨桿組和頂升機(jī)構(gòu)共同作用將承載平臺(tái)下放200 mm；

5）承載平臺(tái)下放到位后，安裝承載平臺(tái)和三角桁架間的牽引機(jī)構(gòu)；

6）安裝并調(diào)整行走小車(chē)，讓其與掛籃承載平臺(tái)中的行走滑梁接觸并受力；

7）拆除承載平臺(tái)前、后錨桿組并回縮頂升機(jī)構(gòu)；

8）承載平臺(tái)在三角桁架前端千斤頂?shù)臓恳拢刂凶呋合蚯耙苿?dòng)一個(gè)節(jié)段；承載平臺(tái)行走到位，安裝承載平臺(tái)前、后錨桿組，伸長(zhǎng)頂升機(jī)構(gòu)至梁底；

9）拆除承載平臺(tái)與三角桁架間牽引機(jī)構(gòu)，通過(guò)承載平臺(tái)前、后錨桿組和頂升機(jī)構(gòu)將承載平臺(tái)提升200 mm；

10）安裝止推機(jī)構(gòu)和張拉機(jī)構(gòu)，立模，提升拱架，使掛籃精確定位，并滿(mǎn)足預(yù)變形要求；

11）連接張拉機(jī)構(gòu)與斜拉索，形成掛籃前支點(diǎn)，并進(jìn)行第1次張拉；

12）按主梁施工控制要求澆筑1/2節(jié)段混凝土，并進(jìn)行第2次斜拉索張拉；

13）混凝土澆筑完成，養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)規(guī)定強(qiáng)度及齡期，張拉節(jié)段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。重復(fù)前述工序，完成下一節(jié)段的混凝土澆筑。

6 結(jié)語(yǔ)

辰塔大橋前支點(diǎn)掛籃的設(shè)計(jì)，在保證掛籃結(jié)構(gòu)安全的前提下，滿(mǎn)足了通航限高的要求；可以實(shí)現(xiàn)超寬翼緣主梁全斷面一次性澆筑，提高現(xiàn)澆混凝土梁體的整體性；利用三角桁架即可實(shí)現(xiàn)掛籃行走，這種形式的承載平臺(tái)前移比較平穩(wěn)，前移過(guò)程中動(dòng)力系統(tǒng)所需配合人員相對(duì)較少；掛籃平臺(tái)及其他各部分模板可以實(shí)現(xiàn)同步一次性就位，減少了施工工序，縮短施工周期[3-6]。

目前辰塔大橋主梁施工過(guò)程中，掛籃運(yùn)行狀況良好、安全性高、操作簡(jiǎn)單，有效地保證了主梁施工的安全和質(zhì)量，滿(mǎn)足了施工要求。