大跨度上下雙室連續(xù)剛構渡槽的掛籃施工力學行為分析

杜強

摘 要：在黔中水利樞紐工程中，徐家灣渡槽存在中梁段質(zhì)量大且為上下疊箱的問題。由于菱形掛籃具有外形美觀、結構簡單、剛度大、自重輕、施工變形小、作業(yè)面開闊和移動方便等優(yōu)點，因此懸臂澆筑段采用菱形掛籃施工工法，并對其掛籃結構、走形模式進行優(yōu)化設計，分析驗算了掛籃行走工況和最不利荷載工況下的變形和穩(wěn)定性。研究結果表明，這種工法滿足施工要求，為相似工程提供了解決方法。

關鍵詞：大跨度;連續(xù)鋼構;掛籃施工;渡槽

中圖分類號：TV61文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）09-0088-03

Abstract： In the Qianzhong Water Conservancy Project， the Xujiawan Aqueduct has the problem that the middle beam section is large in mass and is stacked up and down. Because the diamond-shaped hanging basket has the advantages of beautiful appearance， simple structure， large rigidity， light weight， small construction deformation， open working surface and convenient movement， the cantilever pouring section adopts the diamond-shaped hanging basket construction method， the structure and walking mode of the cradle are optimized， and the deformation and stability of the cradle under the traveling conditions and the most unfavorable load conditions are analyzed and checked. The research results show that this construction method meets the construction requirements and provides a solution for similar projects.

Keywords： large-span;continuous steel structure;hanging basket construction;aqueduct

黔中水利樞紐工程是中華人民共和國成立以來國家在貴州投入最大的水利樞紐工程。工程任務以灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用，并為改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件，開發(fā)直接目標是保障黔中地區(qū)用水安全，間接目標是保障糧食生產(chǎn)安全并促進區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。工程分兩期建設：一期工程包括水源工程、一期輸配水工程;二期包括灌區(qū)二期、貴陽供水二期、安順供水工程。黔中水利樞紐工程擬建在長江流域的烏江干流三岔河上，涉及大、中、小型水庫91處，即大型1座、中型水庫5座、小（1）型23座、小（2）型62座。其中5座水庫承擔灌區(qū)反調(diào)節(jié)任務，4座水庫承擔貴陽供水調(diào)節(jié)任務。總庫容為10.8億m3，將水引入黔中地區(qū)十多個縣（市）的49個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，解決這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、城市等用水，覆蓋面積達4 711 km2。干渠總長為156.5 km，總灌溉面積為43 486.6 hm2，可以解決39.5萬人飲水困難的問題。同時，該項目計劃修建一座裝機容量140.2 MW的壩后式電站，年調(diào)水量為7.41億m3。工程總靜態(tài)投資約為120億元。

黔中水利樞紐工程一期的總干高大跨渡槽C1標徐家灣渡槽（95 m+2×180 m+95 m）連續(xù)剛構是單箱雙室、變高度、變箱寬結構，箱梁頂寬為9.5 m，底寬變化為6.25 m→6.05 m→5.85 m→5.25 m→5.85 m→6.05 m→6.25 m。梁高從9.8 m變化到4.6 m，腹板變化（從1號段開始）為1.0 m→0.9 m→0.8 m→0.5 m→0.8 m→0.9 m→1.0 m。另外，箱梁的箱室為上下分布，上面箱室內(nèi)凈高3.47 m保持不變，下箱室內(nèi)凈高則根據(jù)梁高逐漸變小，上箱室、下箱室分割的中板厚度為35 cm，保持不變[1]。

該連續(xù)梁通過掛籃懸灌施工，0#段長度為12.0 m，設計懸灌長度為3.0、3.5、4.0 m。1#節(jié)段開始為3.0 m長，混凝土方量是121.1 m3;9#節(jié)段開始為3.5 m，混凝土方量是88.4 m3;19#節(jié)段開始為4.0 m，混凝土方量是68.1 m3。

1 大噸位上下雙室掛籃建模及有限元計算

由于菱形掛籃具有外形美觀、結構簡單、剛度大、自重輕、施工變形小、作業(yè)面開闊、移動方便等優(yōu)點，而徐家灣渡槽中梁段質(zhì)量大，最大質(zhì)量將近300 t，且為上下疊箱，所以徐家灣渡槽主槽的懸臂澆筑施工設計使用菱形掛籃[2]，如圖1所示，施工流程如圖2所示。圖中，數(shù)據(jù)單位均為毫米（mm）。

下面利用Midas有限元分析軟件，針對菱形掛籃的主要結構建立空間有限元模型。本模型中，菱形掛籃的主桁架結構、吊桿和吊帶采用桁架單元，其他結構均采用梁單元，共建立1 018個節(jié)點、1 052個單元。

主桁架采用Q235B鋼材，截面為2[36B槽鋼對接焊縫連接。主構架桿件間增設了橫聯(lián)，以保證主桁架結構的整體剛度，橫聯(lián)采用鋼材為Q235B的桁架結構，長度為4 130 mm，高度為1 800 mm。上下弦、腹桿和斜桿均采用槽鋼2[12.6組成的箱形結構，對口槽鋼之間通過鋼材為Q235B的136 mm×50 mm×8 mm綴板周邊焊縫連接。橫聯(lián)端部與主構架通過圓銷材質(zhì)40Cr的鋼銷連接。側(cè)模吊梁采用Q235B鋼材的槽鋼2[36B組焊成的封閉箱形結構。吊桿采用32 mm和40 mm精軋螺紋鋼筋，吊帶采用截面200 mm×30 mm的Q345B鋼板。底模由前、后橫梁和縱梁組成，橫梁采用Q235B的熱軋H型鋼，縱梁采用Q235B的工字鋼[3]。

荷載工況有兩種。一是混凝土自重+人群機具荷載+超載+動力附加系數(shù)+掛籃自重+模板自重。二是掛籃自重+沖擊附加系數(shù)+模板自重[4]。

主桁架計算結果如圖3所示，增設補強鋼板后，掛籃的變形如圖3所示，主桁架前段發(fā)生10.23 mm的位移。后拉桿所受拉力為1 681.8 kN，前拉桿所受拉力為1 209.5 kN，后壓桿所受壓力為1 037.5 kN，前壓桿所受壓力為1 198.2 kN。前上橫梁計算結果如圖4所示。

前上橫梁采用Q235B鋼材，主要通過吊掛系統(tǒng)（吊桿、吊帶）連接上下內(nèi)模吊梁、側(cè)模吊梁及底模，并承受其所傳遞的荷載。計算分析結果表明，最大位移發(fā)生在橫梁兩端吊桿處，最大位移為14.92 mm，小于限值22.35 mm。

2 走行計算

掛籃走行時，前上橫梁懸吊著側(cè)模吊梁（雙根各5.75 t，共計23 t）、內(nèi)模吊梁（單根5 t，共計10 t）、底模前橫梁吊桿（總計10 t）、前上橫梁自重（2 t）。主構架前端總計荷載是45 t。經(jīng)計算，主構架后鉤輪的荷載大小為：45 t×4.9 m÷4.5 m=49 t。

單邊主構架后鉤輪的荷載大小是24.5 t。軌道要承受24.5 t的荷載。

根據(jù)混凝土箱梁梁體的豎向預應力筋布置可知，其縱向間距一般是按照0.5 m布置的。而軌道是通過豎向預應力筋錨固在混凝土箱梁梁面上的，也就是說，軌道的錨固間距是按0.5 m布置的[5-6]。由于掛籃位置和豎向筋的矛盾，施工人員可能不能保證每根豎向筋都能錨固軌道，那么按照1.5 m的跨度來計算軌道，即后鉤輪走行過程中其前后最多有1根豎向筋無法錨固。軌道斷面如圖5所示。圖中，數(shù)據(jù)單位均為毫米（mm）。

實際建模計算按1.5 m跨度進行，中間加載24.5 t的集中荷載，應力分布如圖6所示。最大應力約是77 MPa，小于許用拉應力（150 MPa），滿足要求。

按軌道鋼材屈服強度計算，其走行抗傾覆穩(wěn)定的安全系數(shù)是3.05，大于最小安全系數(shù)（2.0），滿足要求[7-8]。

3 結論

本文針對大跨度連續(xù)剛構渡槽懸臂掛籃澆筑施工，選取最不利荷載工況和掛籃行走工況，進行了有限元建模和計算分析。研究表明，本文設計使用的菱形掛籃可滿足大跨度渡槽的懸臂施工需求;本文設計使用的掛籃行走方案符合規(guī)范要求的抗傾覆穩(wěn)定要求;本文提供的掛籃設計計算方案可為類似工程提供技術依據(jù)。

參考文獻：

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[4]住房和城鄉(xiāng)建設部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.混凝土結構設計規(guī)范：GB 50010—2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

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