超寬大懸臂整體式掛籃結構設計關鍵技術研究

文∕郭斌、潘榮耀

1 前言

掛籃懸臂澆筑施工又稱迪維達克施工方法。自從20 世紀德國首用以來，至今為現代化大中橋梁主要的施工方法。日本曾做過一項統計，20 世紀70年代以來單跨跨度超過100m 的橋梁中，采用掛籃懸臂澆筑的占近80%。目前，根據施工需要演變而來的掛籃種類，至少有5 種；而菱形掛籃因其結構受力簡明且適用性廣而較為普遍[1]。

近30年來，連續梁是工程上的主角，其基本以懸臂的掛籃施工為主。隨著社會的發展，橋梁越來越寬，懸臂施工的節段越來越長，隨之對掛籃也提出了更高的要求。不同的工程實際，掛籃的設計特點均有區別。面對超寬大懸臂同時存在的情況，計算分析涉及的工序和荷載轉換、支撐系統和吊桿受力模擬差異等均關乎掛籃系統的性能和安全，因此掛籃設計的關鍵技術探討就顯得尤為必要。

本文對一座大跨度連續梁的超寬大懸臂的掛籃設計的關鍵技術展開討論，以期對同類型掛籃設計提供借鑒。

2 結構狀況簡述

沙潁河主跨上部采用4×141m 預應力混凝土連續箱梁。箱梁斷面為4 道直腹室橫斷面。箱梁頂寬33.56m，底寬19.5m，翼緣板寬7.03m，根部梁高5.2m。箱梁0#塊梁段長度為12m，箱梁1#～5#塊段長3m，6#～15#塊段長4m，16#～17#塊段長4.25m，懸臂澆筑的箱梁中最重塊段為6#塊，重量為445.465t；最高塊段為1#塊，重量為408.9t；最長塊段為16#塊長4.25m，重量為352.45t。箱梁懸臂澆注采用菱形掛籃進行施工，每道腹板處設1 片掛籃主桁架，掛籃結構布置如圖1所示[2]。

圖1 掛籃構造圖（單位：mm）

3 菱形掛籃系統設計及關鍵技術指標分析

沙潁河大橋采用4 榀菱形掛籃，菱形掛籃系統體量龐大，其由桁架、梁頂軌道、鎖固、兜籃、吊索、作業平臺及臨時防護等協作系統組成，如上圖1 所示。

3.1 設計關鍵控制指標分析

3.1.1 掛籃設計的主要控制指標一般以K 表示，其是掛籃總體鋼材重量與節段最大重量比值。此K 值控制在0.3～0.5 之間，在平衡重取消的情況下主要利用豎向吊桿平衡傾覆彎矩。另外，掛籃的材料剛度較大，一般采用現有的型材組拼便于復用。

3.1.2 掛籃系統涉及4 個安全系統：上部水平限位系統、斜拉水平限位系統、自錨固系統、抗傾覆系統，系統的安全系數均須大于2。

3.1.3 一般情況下，掛籃的最大變形總量（含吊桿自身伸縮變形）≤20mm。

3.2 掛籃系統構造及工作原理

3.2.1 桁架系統

本掛籃主桁架系統主要是采用現有成熟的產品，主梁腹板頂設置1 榀桁架，共計4 榀桁架共同構成了主要的受力體系。榀字桁架間距布置分兩種分別為4m和7.45m，每榀桁架的錨固節點間距一致為5.3m，榀字桁架中心高設置為4m，全長達到10.3m。全體桁架系統均為鋼結構（主桁架采用□40 槽鋼、橫向連接采用2[14a 及[10、后錨平聯采用[20a 或2[14a）焊接而成，節點采用銷子拴結。榀字桁架支架設置橫向聯結，以增強橫向整體剛度和行走系統的穩定性。

3.2.2 兜籃系統

兜籃系統主要由平臺、立模、縱橫梁等構成，為鋼筋綁扎和混凝土澆筑提供了承重等作業平臺。縱梁和后下橫梁格構體系分別采用型鋼HN400 和2HN600 焊接，而前上橫梁為主受力構件，規格較大，主要采用2HN700。橫梁間距優化設置為5.3m。

3.2.3 吊索系統

吊索支撐系統主要由精軋螺紋粗鋼筋、模板系統、千斤頂構成，吊索有后錨點和前吊索，底部籃平臺共計8 處吊點，后錨端設置14 處吊點，吊索用的是直徑Φ32高強熱軋螺紋粗鋼筋。底部籃吊點用Q345 型鋼，尺寸在120×40mm，而后滑梁與底部籃的錨點用的是直徑Φ32 高強熱軋螺紋粗鋼筋。為避免吊桿自身不均勻伸縮變形造成桁架多次超靜定體系引起次內力，可以調節前后橫梁、吊索系統、墊梁及軌道梁之間的銷子，使得模板的標高符合懸臂澆筑時的梁體標高。

3.2.4 錨固系統

錨固系統設在4 榀主桁架的后節點上，共4 組，每組錨固系統包括3 根后錨上扁擔梁、6 根后錨桿及6 根預埋精軋螺紋鋼筋。其作用是平衡澆筑混凝土時產生的傾覆力矩，確保掛籃施工安全。錨固系統的傳力途徑為：主桁架后節點→后錨上扁擔梁→后錨桿→預埋精軋螺紋鋼筋→已澆混凝土。

3.2.5 防護系統

防護系統用于施工時人員操作上下通道，包括前上橫梁操作平臺、底籃通道平臺、上下通道等。

4 掛籃關鍵工況力學性能分析及規范化驗證

采用梁單元和索單元形成空間有限元分析模型，如圖2 所示。模型中對傳力做了如下的假定：施工完且已達到預定強度的混凝土箱梁結構及錨固在此段箱梁上的前上橫梁系統承擔了后澆混凝土箱梁的側向內外模板重量、頂板混凝土濕重、底板及腹板混凝土濕重、底部兜籃的平臺重量及箱梁翼緣板的重量。根據梁段長度、重量、梁高等表現的三個關鍵工況的剛度、強度及穩定性進行研討及驗證。三個工況分別闡述如下：

4.1 節段梁體最高的工況I：零號塊緊鄰的1 號節段，在混凝土澆筑完，節段鋼筋綁扎張拉完后，此時梁體高度最大。

4.2 節段混凝土梁體濕重最大工況II：對于本橋的6 號梁段濕重上來后，此時節段梁混凝土重量最大。

4.3 節段長度最長工況III∶16 號梁段澆筑完成后基本處于最大懸臂狀態，此時的節段梁長度最大。

關鍵工況力學分析結果分別如表1～表3 所示。

圖2 四榀掛籃空間有限元模型

表2 工況II 力學分析及規范驗證結果

表3 工況III 力學分析及規范驗證結果

此類菱形掛籃的承重分配為：箱梁的翼緣板由外導梁和滑梁擔配、底板所有外荷載和重量由底板上的縱梁和橫梁擔配、箱梁頂板由內縱橫梁擔配。通過表1～表3 關鍵工況力學分析結果可知，底籃縱梁（HN400×200）、前下橫梁（2HN600×200）、后下橫梁（2HN600×200）、外滑梁（2[40）的用材一致，容許正應力[σ]為190MPa，容許剪應力[σ]為110MPa。最大組合狀態下正應力最小的安全系數為1.1，最大安全系數為6.8；最大剪應力時的最小安全系數為3.4，最大安全系數為7.9。一系列的橫梁基本以受彎為主，剪切影響較小。吊桿的安全系數保持在1.2～1.8 之間，豎向撓度安全系數保持在4.3～31.6 之間。驗證掛籃的設計符合規范性控制要求。

經結論研討和分析，節段混凝土處于濕重狀態時，工況II 控制內外模板的強度和剛度，工況I 基本控制了其余構件的強度和剛度。對于抗傾覆穩定性，工況Ⅰ中單片主桁受到前上橫梁傳遞的最大力為696.5kN，工況Ⅱ為961.42kN，工況Ⅲ為1049.8kN；工況Ⅲ所產生的荷載效應占最大值，并對抗傾覆穩定性設計起到了控制作用。每道榀字桁架的重量為70kN，吊索的豎向張拉力分配給前上橫梁，再傳遞給四榀主桁架。經分析可知抗傾覆穩定系數為2.68＞2，滿足規范控制要求。

潁河大橋的掛籃約為174t，最大節段塊體重量為445.465t，掛籃的總重量/最大節段重量之比K 為0.39。以上分析結果表明掛籃系統設計合理，使用材料較節省。

5 結語

超寬兼大懸臂節段的連續梁的掛籃設計宜選擇剛度大、輕型化構件，盡量縮短構件跨徑和簡化構件受力模式。通過對超寬大懸臂的掛籃設計系統構造及力學分析得出如下結論：

5.1 外滑梁（2[40）的工況I 和工況II 下，節段梁高最大、體量最重，以受彎為主，應力安全系數均為1.1，故施工中應重點監測2 種工況下外滑梁跨中應變及撓度，避免局部桿件變形及應力過大引起的結構線形失調和出現初始缺陷而導致變形差累計。

5.2 為避免吊桿系統受力不均而導致錨固失效的情況，應重點關注掛籃后錨桿縱向間距，及時調整以避免因縱向布置不合理而導致其對受力的不均衡。

5.3 超寬且大懸臂的掛籃體系，應從受力和結構宜操控的角度合理選擇掛籃形式與型材，必要時采取系統的力學分析和規范化驗證，不可盲目依經驗取舍。