復雜環境重載鐵路大節段大噸位掛籃設計

胡啟軍

【摘 要】針對重載鐵路連續剛構橋具有墩高、節段長、重量大等特點，位于大風區且必須冬季施工，給掛籃設計、施工帶來了極大難度，掛籃設計過程中既要滿足受力、保溫要求，又要方便掛籃的行走，且不影響掛籃標高控制及內部保溫。本文通過數值模擬、理論計算與現場測試結合的方式，針對本橋特點自行研制了抗風性能較強的自行式新型掛籃，采用新型滑移系統裝置作為掛籃前移裝置，方便掛籃前移。保溫方面設計了移動式保溫棚進行包裹提高內部施工溫度。

【關鍵詞】高墩大跨連續剛構橋；掛籃；保溫棚；監控

1.前言

目前，高墩大跨連續剛構橋基本采用懸臂澆筑的方式施工，在橋墩較高的情況下，剛構在懸臂施工過程中，掛籃的振動響應將會影響到剛澆注完成的混凝土的初凝、終凝以及尚未達到標準強度的混凝土的養護，進而使得結構的混凝土達不到設計要求的強度值，甚至使結構在施工階段就出現裂縫。同時，掛籃過大的抖振會危害到一些機械的使用及安全性能以及在結構上工作人員的安全。因此針對低溫大風高墩大跨預應力混凝土連續剛構橋的懸臂施工過程的特點，對此狀態下的帶防護棚掛籃的抗風性能分析具有重要的意義。

2.工程概況及特點

大沙溝特大橋為煤炭運輸專用線重載鐵路控制性工程，橋跨結構為10～32m簡支T梁，兩聯（60+3×100+60）m預應力混凝土連續梁位于10#墩～20#墩，其中10#墩～15#墩為第一聯，15#墩～20#墩為第二聯，其中12#、13#、17#、18#為剛構墩。

大橋地處區域屬大陸季風氣候，冬季漫長，溫差較大，干燥多風，大風出現期較長，主要出現在10月份至來年5月，年平均風速1.8～3.4m/s，最大風速（ 瞬時） 29.7m/s，年極端最高氣溫37.9.℃，極端最低氣溫-40.4℃。大沙溝特大橋最高墩高達106 m，地面與墩頂溫差高達10度。連續剛構跨度較大，施工安全風險高。根據工程所在地多年氣候條件，為加快施工建設，盡可能地縮短工期，提高整體的經濟效益，連續梁需進行冬季施工。

3.帶保溫棚掛籃的抗風設計

3.1 掛籃抗風計算

3.1.1 模型建立。

由于掛籃內模及外模系統的荷載主要作用在各自的導梁上，因此建模過程中對實際結構做如下簡化：將掛籃內模及外模系統換算成相應荷載均布在各自導梁上，忽略各桿件間的螺栓孔、銷孔及工藝槽等對分析結構影響不大的微小結構，忽略各連接處筋板的作用，不考慮焊縫處材料特性的變化，認為焊縫處材料與相鄰結構的材料性能形同，桿件間銷軸連接采用釋放梁端約束模擬，桿件采用梁單元模擬。

有限元分析模型如下：

3.1.2 結構受力結果分析。

結構最大橫向位移18.9mm，結構最大拉應力140.3mPa，最大壓應力176.6mPa。

計算得到板單元最大壓應力70.9mPa，結構最大彎矩310.5kN*m，最大軸力1481.9kN，結構最大反力1481.9k。結構一階穩定系數23.9，二階穩定系數26.2，三階穩定系數26.6。故結構在風荷載、雪荷載、防護棚等附加荷載作用下，穩定性滿足要求。

然后采用非線性接觸分析方式對銷軸及節點板局部接觸應力計算分析，模擬結構圖如下所示：

節點板及桿件局部接觸銳角邊處極值達到250mPa，大于Q235鋼材質屈服點235mPa，實際應用中可能有輕微塑性變形。

根據以上驗算結果，在大風、低溫條件下掛籃設計采取的結構加強措施可行，掛籃各桿件及防護棚受力數值均在容許范圍內，滿足使用要求。

3.2 掛籃應力監控

通過對受力最大節段的實際監控，得出掛籃主要部位結構受力的實際受力值，通過與理論計算結果進行對比，繪制曲線結果如下圖：

根據監控數據與理論數據對比分析，可知在腹板澆筑完成后，結構所受應力增加不大，在澆筑完成15小時后，結構所受應力略有減小，說明鋼筋砼參與共同受力，在理論計算時，沒有考慮鋼筋砼共同作用。掛籃主桁架型鋼、掛籃吊帶、防護棚等構件所受力均低于型鋼抗拉強度，滿足使用要求。

4.移動式保溫棚的設計

節段外側采用移動式保溫棚，保溫棚采用型鋼焊接，通過橋面翼緣板上的鋼軌可整體移動。橋面上為方便人員及小型運輸設備通行，設置門形框架，橋面下為U型骨架。

根據保溫棚的耗熱量計算公式：，當保溫棚內溫度10℃，大氣溫度為-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃時，保溫棚的耗熱量Q分別為：102363w、127953w、153544w、179135w、204726w。根據計算結果，當環境溫度為-30℃時，每個掛籃可選用5臺D20工業暖風機結合無煙煤火爐供暖。

5.重載鐵路施工線形監控

為了確保成橋線形及內力符合設計及規范要求，必須進行橋梁施工過程的監控。在施工過程中根據施工監測的成果對誤差進行分析、預測及調整后續梁段的立模標高，以確保施工過程中結構的可靠度和安全，確保合攏精度和體系轉換的順利進行，最終使成橋后的橋面線形、內力符合設計要求、滿足設計理念。

5.1 主梁的線性檢測

主梁線形控制主要依靠施工控制計算和箱梁各節段撓度及標高控制來完成，箱梁撓度及標高控制則通過對梁頂、梁底標高進行觀測，再結合理論控制計算結果達到控制目的。建立相應的施工控制測量網，通過對施工過程中每一梁段標高實施監測，監測施工過程中箱梁軸線位置的變化情況，以保證懸臂施工的懸臂合龍平面誤差控制在設計要求和規范允許的范圍之內。

5.2 主梁應力監控

大沙溝特大橋應力測試斷面的選擇考慮以下因素：①結構受力的關鍵截面；②施工流程；③本橋自身特點；④結構的對稱性。

5.3溫度應力場監測

環境溫度的測量采用電子溫度計，每一聯設置3個截面：中跨1/4截面、1/2截面，邊跨1/2截，溫度場的測量采用JTM-T4000型溫度計進行測試。

由于混凝土結構的熱傳導性能較差，周圍環境溫度的變化和陽光照射不同等原因使其表面溫度和內部溫度形成較大的溫度梯度。溫度測點的布置將要反映這種梯度的變化。主梁溫度場設選擇氣溫變化較大的一天進行全天測試。每隔2個小時測試一次，分析溫度場隨氣溫變化的規律；在合攏時，對溫度場進行一次全天測試。

6.結論

（1）針對低溫、大風、高墩、大節段預應力混凝土連續剛構橋帶防護棚掛籃的抗風分析，通過改進掛籃設計，減小了掛籃的振動響對剛澆注完成的混凝土的初凝的影響，自動前置裝置方便了施工，增加了掛籃上機具與工作人員的安全性。

（2）對于低溫大風區高墩大節段、大噸位掛籃展開抗風性能及保溫措施的研究，對于提高我國高墩大跨度橋梁的發展有著十分重要的意義。本研究成果可應用于高墩大跨連續剛構橋梁施工中，將對減少高墩大跨剛構橋懸臂施工風險以及提供保障冬季施工溫度的合理建議，其應用領域可推廣其它同類型的橋梁。

（3）通過對大節段、大噸位掛籃實施施工監控，對結構在施工過程中的受力和位移狀態進行了有效的控制，使橋梁結構始終處于安全的可控狀態。

參考文獻：

[1]《公路橋涵施工技術規范》JTG/T F50-2011.

[2]《公路橋梁抗風設計規范》JTG/T D60-01-2004.

[3]《鋼結構設計規范》GB 50017-2003.

[4]《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62—2004）.

[5]TB10201-2007，鐵路隧道監控量測技術規程[S].