潮白河大橋長平臺牽索掛籃設計

莫以操 邱 攀

(中鐵大橋局集團有限公司 武漢 430050)

預應力混凝土斜拉橋是一種橋面體系受壓、支撐體系受拉的橋梁，一般以平衡懸臂法對稱施工，但主梁節段尺寸及混凝土方量較大，普通掛籃難以滿足施工的要求，因此，預應力混凝土斜拉橋多采用牽索掛籃進行對稱施工。牽索掛籃可根據斜拉橋主梁結構的不同、斜拉索錨固點位置及平、縱面角度的變化等因素進行選型及設計。

1 工程概況

潮白河大橋為徐尹路上的一座特大橋梁，位于燕郊國家高新技術產業開發區西部，是整個徐尹路打通燕郊與北京快速路連接的控制性關鍵工程。該橋主橋采用165 m+165 m倒Y形單塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，采用墩塔梁固結體系，塔高99.12 m。本橋采用平行鋼絞線拉索體系，空間雙索面扇形布置，索距8 m,全橋共38對斜拉索。主橋立面見圖1。

圖1 主橋立面圖(單位：m)

主梁基本斷面形式為邊主梁，截面頂全寬27.5 m，截面高2.3 m，設雙向1.5%橫坡。主梁節段劃分為(2×3 m+18×8 m+6 m+2×9 m+6 m+18×8 m+2×3 m。其中，第0號節段、1號節段及邊跨直線段采用現澆支架施工，第2號～19號節段采用牽索掛籃現澆施工。主梁標準截面見圖2。

圖2 標準橫斷面圖(單位：mm)

2 牽索掛籃結構設計

由于主梁結構、斜拉索空間限制及工程實際情況，主梁采用長平臺牽索掛籃進行施工。掛籃主要結構包括承重系統、牽索系統、模板系統、吊掛及走行系統、抗剪系統及操作平臺等組成。牽索掛籃結構示意圖見圖3、圖4。

圖3 牽索掛籃立面布置圖(單位：mm)

圖4 牽索掛籃橫斷面布置圖(單位：mm)

承重系統由主縱梁，前、中、后橫梁等組成平臺結構。為了運輸及吊裝的方便，主縱梁及橫梁在工廠分節段制造，節段之間采用高強螺栓連接。根據結構受力分析，主縱梁主要承受斜拉索張拉產生的水平分力，主梁待澆節段混凝土產生的彎矩和剪力，前、中、后橫梁及拱架產生的扭矩[1]；橫梁結構主要承受主梁橫隔板混凝土自重及模板結構荷載。

牽索系統為特制的加長連接裝置，其下端錨固在主縱梁弧形首分配梁之上，上端與斜拉索錨具相連，起傳遞荷載及后期體系轉換之用。

模板系統分為側模系統及底模系統。側模系統采用液壓桿及模板組成；為減少施工現場模板拆裝的工作量，掛籃底模設計摒棄了常用的腳手架+方木+竹膠板的結構形式，采用拱架及可開合式組合鋼模板的結構形式，澆筑混凝土時，模板展開使之支撐于拱架及橫梁之上；混凝土澆筑完畢，模板收攏于拱架之上，拱架下落，模板整體脫模。

吊掛系統將掛籃承重系統錨固于已澆筑節段頂部，根據分布位置不同可分為中外吊掛、中內吊掛及后吊掛，中外吊掛錨固于已澆筑節段前端，主要承受掛籃豎向荷載；中內吊掛、中后吊掛分別錨固于后橫梁、主縱梁后部，使掛籃在混凝土澆筑過程中頂面與已澆段底面緊貼。

走行系統由走行滑道及掛鉤組成。掛鉤僅用于掛籃走行，為焊接箱型結構，主要承受掛籃走行過程中自重及模板荷載，其一端與主縱梁栓接，另一端則通過連續千斤頂拽拉滑塊在滑道內進行滑動。滑道為U形組焊結構，2 m一節，節與節之間通過螺栓連接，滑道錨固于已澆筑梁端頂部，正對掛鉤滑塊。

抗剪系統由設置于主縱梁頂部的抗剪柱及圓弧形插片組成，主要起抵抗斜拉索水平分力的作用，同時適當調整掛籃的位置，使之滿足主梁施工線形的要求[2]。

操作平臺則可根據實際需要，在主縱梁兩側設計三腳架進行搭設。

3 牽索掛籃施工過程斜拉索中間索力確定因素

牽索掛籃在施工過程中斜拉索預拉索力的方向和大小均不斷發生變化，計算時斜拉索的施工索力根據以下因素確定。

1) 牽索掛籃的主縱梁抗彎能力滿足設計要求。

2) 牽索掛籃中、后吊掛軸向拉力滿足設計要求。

3) 初張索力按掛籃安裝到位，混凝土澆筑50%且掛籃主縱梁前端錨固點變形為0時的豎向分力確定。

4) 第二次調索索力按混凝土澆筑100%且掛籃主縱梁前端錨固點變形為0時的豎向支撐分力確定。

由于主塔兩側主梁節段斜拉索的初張力相同，且斜拉索豎向角度差別很小，故在表1中僅示意單側斜拉索中間索力值。

表1 斜拉索中間索力表

4 牽索掛籃結構設計計算

4.1 牽索掛籃荷載分析

計算荷載主要包括掛籃結構自重、待澆筑主梁混凝土荷載、模板荷載、施工人員及施工機具荷載、混凝土振搗荷載及斜拉索2次張拉荷載。

4.2 牽索掛籃工況分析

主梁節段施工均采用2次調整中間索力，根據節段施工流程，可分為以下7個工況。

1) 工況1，吊裝掛籃，安裝模板及吊掛系統，

掛籃與已澆筑節段進行錨固。

2) 工況2，斜拉索初張拉。

3) 工況3，綁扎待澆節段鋼筋骨架，安裝預應力管道，澆筑主梁50%混凝土。

4) 工況4，斜拉索第二次張拉。

5) 工況5，澆筑主梁100%混凝土。

6) 工況6，解除牽索接長裝置，斜拉索體系轉換，掛籃脫模，然后整體下降。

7) 工況7，掛鉤落于走行滑道之上走行至下一節段。

4.3 有限元建模計算

采用有限元軟件midas Civil建立各個工況下牽索掛籃空間計算模型。模型中除主縱梁、掛鉤采用板單元模擬外，其余結構均采用梁單元進行模擬。邊界條件按實際工況進行模擬。主梁標準節段混凝土用量約174.18 m3，其中，控制節段為19號節段，混凝土用量約為179.1 m3。計算模型以最不利節段19號節段進行計算分析，按節段混凝土一次澆筑成型計算考慮。計算模型見圖5。

圖5 牽索掛籃有限元模型

根據計算模型，得出牽索掛籃在各工況下的各構件內力結果，從而對主縱梁、橫梁、拱架、掛鉤等構件的強度、剛度、穩定性進行檢算。經計算，掛籃澆筑最不利節段19號節段時，構件最大應力197 MPa；掛籃走行時，構件最大應力204 MPa，均小于230 MPa的許用應力[3-5]，滿足規范要求。各工況下的應力圖見圖6。

圖6 最不利節段施工階段主縱梁最大組合應力圖

各工況下的位移見表2。

表2 各個工況下的位移

注：“+”表示位移向上，“-”表示位移向下。

一般情況下，為保證立模標高調整量不大、后期成橋索力調整方便，在澆筑混凝土后，主縱梁前端位移保證在±10 mm范圍內，潮白河大橋牽索掛籃在工況3與工況5時，主縱梁前端位移分別為2.5 mm與4.3 mm，滿足要求。

5 結語

預應力混凝土斜拉橋牽索掛籃對稱懸臂施工以其施工速度快、方便主梁線形控制而得到廣泛應用。本工程所使用的牽索掛籃具有以下優點。

1) 牽索掛籃剛度大，定位鎖定后，掛籃與已澆筑主梁節段連為一體，掛籃隨主梁轉動而轉動，對控制主梁線形有利。

2) 掛籃采用在工廠制造，現場組拼，施工完成后整體下放，降低了安全風險。同時，采用整體式模板系統，拱架及模板系統聯動，可沿滑動軌道整體上升或下落，并隨牽索掛籃走行至下一節段，解決了常用的腳手架模板拆裝工序多、速度慢的問題，降低了施工難度、節約了施工工期。

[1] 張小川.牽索掛籃結構設計與數值模擬[J].四川建筑，2014，34(1)：155-158.

[2] 李宗長，唐宏路，張志長.牽索式掛籃設計及施工若干問題的探討[J].交通科技，2005(5)：53-55.

[3] 鋼結構設計規范:GB 50017-2003[S].北京：中國計劃出版社,2003.

[4] 公路橋涵鋼結構及木結構設計規范:JTJ 025-86[S].北京：人民交通出版社,1988.

[5] 王向陽,夏小勇,韓麗麗，等.獨塔斜拉橋鋼拱塔豎轉施工風致抖振響應分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2016,40(2):251-255,260.