菱形掛籃與三角斜拉式掛籃施工應用對比分析

卓海金 胡文學 段躍華

文章依托崇左至水口高速公路建設項目，結合Midas Civil有限元分析軟件，從施工工藝、構造設計、受力特點、結構穩定性等方面對三角斜拉式掛籃和菱形掛籃的施工應用進行對比分析，總結出兩種掛籃形式在實際工程應用中的施工特點及結構特性，可為同類橋型施工提供借鑒。

建設項目;三角斜拉式掛籃;菱形掛籃;研究分析

0?引言

隨著我國交通事業的不斷發展，橋梁施工技術的創新性與實用性變得愈來愈重要。其中，懸臂澆筑掛籃法是當前大跨度橋梁施工的主要施工方法之一，主要包括三角斜拉式掛籃、菱形掛籃、桁架式掛籃、弓弦式掛籃等形式，其具有施工快捷、簡便、跨越能力強、受地形因素影響小等特點，對橋梁工程建設發展起著至關重要的作用。本文依托實際工程，從掛籃的施工工藝、構造設計、結構受力、安全穩定性等方面對菱形掛籃與三角斜拉式掛籃施工應用進行對比分析，旨在創新思路，為同類橋型施工提供參考和借鑒。

1?工程概況

崇左至水口高速公路項目中崇左西左江大橋與上金左江大橋主橋橋跨布置均為77 m+145 m+77 m，全長299 m，Ⅰ級高速公路。大橋分為左、右兩幅，左右幅橋面凈間距0.5 m。主梁采用變截面單箱單室混凝土箱梁，箱梁頂板寬14.93 m，0#塊梁高8.6 m，現澆段及合龍段梁高均為3 m，梁底下緣曲線按1.8次方拋物線變化。崇左西左江大橋采用菱形掛籃施工方法，上金左江大橋采用三角斜拉式掛籃施工方法。

2?掛籃構造設計與應用

2.1?工藝流程

綜合實際情況，兩種形式掛籃施工工藝流程基本一致。主要為：縱移掛籃就位→錨固后錨→模板打磨→安裝箱梁底模、外模→底板、腹板鋼筋綁扎及預應力管道安裝→安裝

內模→頂板鋼筋綁扎及預應力管道安裝→封堵端模→梁段混凝土澆筑→養生→拆端模、內模→穿預應力鋼束及張拉錨具→孔道壓漿、封錨→拆底模→縱移掛籃。

2.2?構造設計

兩種掛籃主要由主桁架系統、橫梁系統、后錨系統、滑梁系統、底縱梁系統、軌道系統、吊帶系統、模板系統等組成，構造設計分別如圖1和圖2所示。從構造上可以發現：

（1）三角斜拉式掛籃主桁架較菱形掛籃多了兩道橫向連接桿，將兩道主縱梁連接起來，這使得三角斜拉式掛籃的整體性更好。但在實際施工過程中，因為兩個橫向連接桿的垂直高度在1.2～1.4 m之間，會阻礙材料的搬運及人員通行，影響工作效率。

（2）三角斜拉式掛籃的吊帶系統由40Cr吊桿與截面為（130×24） mm的鋼板連接而成，該吊帶系統不僅抗拉性能較好，而且具有較好的柔性，能有效地預防橫向沖擊力引發的脆性破壞;而菱形掛籃吊帶系統采用的是32 mm精扎螺紋鋼，該吊帶系統抗拉強度高，但柔性效果欠佳，表面若出現裂紋、結疤等缺陷，較易發生橫向脆性破壞。

（3）在材料用量上，三角斜拉式掛籃整體鋼材用量為75.805 t，重758.05 kN;菱形掛籃整體鋼材用量為68.6 t，重686 kN，可見菱形掛籃較三角斜拉式掛籃輕便，從而大大節省了掛籃行走的時間。結合實際施工情況，同等條件下三角斜拉式掛籃行走就位時間為4～5 h，而菱形掛籃只需2～3 h。

（4）這兩種形式的掛籃重量與梁段最大重量（1 918.02 kN）的比值分別為0.395、0.357，均在0.3～0.5之間，滿足《公路橋涵施工技術規范》要求，較為合理。

2.3?施工空間

單套菱形掛籃拼裝后長度為11.76 m（懸臂端為5.5 m），寬度為14.81 m，高度為5.66 m，主桁架間間距為7.4 m;單套三角斜拉式掛籃拼裝后長度為13.1 m（懸臂端為6.5 m），寬度為16.70 m，高度為5.72 m，主桁架間間距為7.73 m。通過以上數據可以發現：兩套菱形掛籃拼裝后長度（除懸臂端）為12.52 m，兩套三角斜拉式掛籃拼裝后長度（除懸臂端）為13.2 m，整個0#塊長度為15 m，因此拼裝完成后，三角斜拉式掛籃在0#塊橋面上施工操作空間明顯較狹小，增加了施工組織難度。同時，大橋單幅頂板寬14.93 m，左右幅中央凈間距為0.5 m，針對菱形掛籃，左右幅可以同步組裝掛籃施工;而三角斜拉式掛籃由于拼裝后寬度過大，左右幅掛籃會出現“打架”，不能同步組裝施工，需錯開1～2個懸澆節段，因此組織施工較慢，還會造成部分人員“窩工”現象。

3?結構受力分析驗算

3.1?掛籃設計荷載及組合

由設計圖紙查得，該掛籃施工在進行1#懸澆節段澆筑時所承受荷載為最大，因此取1#懸澆節段澆筑時進行受力分析。

根據《公路橋涵施工技術規范》，荷載組合所選取的設計參數為：

混凝土澆筑時超灌系數：1.05

掛籃行走時沖擊系數：1.3

抗傾覆穩定系數：2.0

恒載分項系數：1.2

活載分項系數：1.4

其中，混凝土容重取26 kN/m3;動力附加荷載（振搗）為2.0 kPa;人群及機具荷載為2.5 kPa。

施工荷載組合為：混凝土自重+超灌+掛籃自重+模板自重+動力附加荷載+人群和機具荷載。

根據以上施工荷載組合，計算出上金左江大橋掛籃各部位受力荷載為：

（1）翼緣板荷載：翼緣模板重27.4 kN，下由兩根滑梁承載，荷載為：

q1=（1.2×0.55×3.25×26×1.05+1.2×27.4/4.5+1.4×（2+2.5）×3.25）/2=43.17 kN/m。

（2）腹板底荷載：腹板模板重63.3 kN，下由5根縱梁承載，考慮腹板高度漸變，所以荷載為：

腹板底荷載（近端）：q2=（1.2×8.163×0.7×26×1.05+1.2×63.3/4.5+1.4×（2+2.5）×0.7）/5=41.697 kN/m;

腹板底荷載（遠端）：q2=（1.2×7.743×0.7×26×1.05+1.2×63.3/4.5+1.4×（2+2.5）×0.7）/5=39.77 kN/m。

（3）頂板荷載：頂板模板重48 kN，下由2根內滑梁承載，荷載為：

頂板底荷載：q3=（1.2×0.625×7.03×26×1.05+1.2×48/4.5+1.4×（2+2.5）×7.03）/2=100.514 kN/m。

（4）底板荷載：底板模板重21 kN，下由7根縱梁承載，考慮底板厚度漸變，所以荷載為：

底板底荷載（近端）：q4=（1.2×1.06×7.03×26×1.05+1.2×21/4.5+1.4×（2+2.5）×7.03）/7=42 kN/m;

底板底荷載（遠端）：q4=（1.2×0.85×7.03×26×1.05+1.2×21/4.5+1.4×（2+2.5）×7.03）/7=35.092 kN/m。

同理，計算出崇左西左江大橋掛籃各部位受力荷載：

（1）翼緣板荷載：（翼緣板模板重25.5 kN），q1=42.917 kN/m。

（2）腹板底荷載：（腹板模板重52.3 kN）

腹板底荷載（近端）：q2=51.388 kN/m;

腹板底荷載（遠端）：q2=48.98 kN/m。

（3）頂板荷載：（頂板模板重45 kN），q3=100.114 kN/m。

（4）底板荷載：（底板模板重20 kN）

底板荷載（近端）：q4=48.957 kN/m;

底板荷載（遠端）：q4=40.897 kN/m。

3.2?掛籃澆筑時受力分析

3.2.1?強度、剛度驗算

根據計算荷載，運用Midas Civil有限元軟件對兩種形式掛籃進行建模分析，受力結果如圖3～8所示。

分別將各主要構件受力結果提取分析如表1～2所示。

通過以上數據分析發現：兩種形式的掛籃各構件受力檢算均滿足規范要求，且具有一定的安全儲備。其中，最大彎應力發生在內滑梁上，分別為154 MPa和189.9 MPa;最大拉應力發生在吊帶系統的精扎螺紋鋼上，分別為243.6 MPa和324.3 MPa。三角斜拉式掛籃最大剪應力發生在后下橫梁上，為42 MPa;菱形掛籃最大剪應力發生在前上橫梁處，為45 MPa，應力安全儲備較大。根據受力情況還可看出兩種掛籃主桁架受力形式不同：三角斜拉式掛籃主縱梁以受彎為主，斜拉帶及立柱分別以受拉、受壓為主，因此三角斜拉式掛籃主桁架屬于桿梁組合結構，這種組合結構能較好地發揮材料的自身特性，整體結構穩定性好;菱形掛籃的主桁架主要受拉壓應力作用，屬于桿系結構，各桿件受力較為均衡，結構變形小。由于受力形式的不同，使得掛籃主桁架在材料和截面形式的選擇上有差異，綜合看來菱形掛籃整體鋼材用量較小，同時也較輕便，更有利于實際施工應用。

3.2.2?抗傾覆性驗算

1#塊混凝土澆筑時為最不利狀態，因此檢算主桁架的抗傾覆性。主桁架受力如圖9～10所示。

根據圖9可得，三角斜拉式掛籃懸挑端所受的合力P=（976.9-423.2）kN=553.7 kN，則傾覆彎矩為Mq=553.7×5.5=3 045.35 kN/m。單根主縱梁后錨采用6根32 mm精扎螺紋鋼錨固，則抗傾覆彎矩為Mk=6×3.14×（0.032/2）2×770×103×6.5=24 139.315 kN/m，抗傾覆安全系數K=Mk/Mq=24 139.315/3 045.35=7.9>2，滿足要求。

同理，由圖10可得，菱形掛籃懸挑端所受合力P=905.5 kN，則傾覆彎矩為Mq=905.5×5.5=4 980.25 kN/m。單根主桁下弦桿后錨采用6根32 mm精扎螺紋鋼錨固，則抗傾覆彎矩為Mk=22 839.505 kN/m，抗傾覆安全系數K=4.5>2，滿足要求。

通過以上分析發現，三角斜拉式掛籃在澆筑時的安全穩定系數較高，即安全性較優于菱形掛籃。

4?結語

綜合以上分析可知，菱形掛籃與三角斜拉式掛籃施工工藝基本相同，但在構造設計上，菱形掛籃結構設計更為簡便、靈活、適用性強，較為經濟合理，施工速度較快，且桿件受力較均勻;三角斜拉式掛籃雖然在構造設計上不夠優化，但經過受力分析檢算，其整體的穩定性較高，安全性能較好。因此，在實際施工應用中兩種形式掛籃各有利弊。

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