寬幅大懸臂掛籃變形控制技術研究

程剛杰 王 慶

（中交一公局第八工程有限公司，天津 300000）

0 引言

掛籃施工是懸臂澆筑法施工中的一種主要施工方法，在大跨度橋梁建設中都有很重要的應用。與其他方法相比，具有結構輕、安裝簡單方便和無壓重等優點，使得全部安裝精度均滿足設計要求，節約了人力、物力、財力。掛籃按結構形式可分為桁架式（包括菱形、三角形、弓弦式等）、斜拉式（包括三角斜拉式和預應力斜拉式）、型鋼式及混合式4種[1]。本文對掛籃桿件的變形控制進行研究，該項研究將會更好地提升掛籃施工技術的實踐水平，從而優化大跨度橋梁施工的整體效果，為以后相關的工程提供一些指導性建議。

1 掛籃工程概況

龍溪嘉陵江特大橋橋面寬度為21.5m，施工過程中塊段長度為3m、4m和5m，箱梁翼緣板至腹板距離為4m，是一種寬幅大懸臂結構。本橋掛籃為菱形掛籃，菱形架采用雙[40普通熱軋槽鋼組焊，菱形架上弦桿與前斜桿采用雙[36普通熱軋槽鋼加封板組焊，前上橫梁采用雙I60H型鋼組焊，前后托梁均采用雙I40工字鋼組焊，中門架由120mm×120mm方管與120mm×60mm方管組焊，底縱梁采用I36工字鋼，外導梁采用雙[40普通熱軋槽鋼組焊，內導梁采用雙[40普通熱軋槽鋼組焊，行走導梁采用雙[36普通熱軋槽鋼組焊，吊桿采用SB930Φ32精軋螺紋鋼，吊帶采用Q345扁鋼。

主桁系統掛籃菱形架由5根桿件與4組節點向組成，上弦桿長度為6.0m，下弦桿長度為3.7m，豎桿長度為4.105m，前斜桿長度為7.27m，后斜桿長度為5.87m。

單片菱形架設置3根后錨梁，6根后錨吊桿，后錨吊桿通過梁體預留孔錨固在翼緣和頂板上。行走系統包含鋼枕、軌道、附件、液壓泵站、液壓油頂等部件，行走軌道通過預埋Φ32精軋螺紋鋼與梁體錨固。

掛籃吊掛采用精軋螺紋鋼和扁鋼2種形式，其中，靠近腹板兩側的吊掛采用規格25×180mm的吊帶，材質為Q345，其余包括前長吊桿、導梁前吊桿、外側后吊桿、后長吊桿等均采用PSB830的Φ32mm的精軋螺紋鋼吊桿。

作用于掛籃主桁的荷載如下：（1）混凝土荷載，重量為369.2t；（2）混凝土偏載，箱梁兩側腹板澆筑最大偏差取10t；（3）掛籃自重；（4）模板自重；（5）施工機具及人群荷載，取2.5kN/m2；（6）傾倒和振搗混凝土荷載，取4.0kN/m2；（7）風荷載。

2 掛籃主桁系統變形及撓度控制因素分析

掛籃主桁系統變形如圖1所示，受力前為實線，受力后變形成虛線。

圖1 掛籃主桁變形示意圖

根據三角形變形規律及定律，撓度δ可按下式計算。

式中：a、b、c、d、e分別為下弦桿、后斜桿、豎桿、上弦桿、前斜桿長度；

△a、△b、△c、△d、△e分別為受力后下弦桿、后斜桿、豎桿、上弦桿、前斜桿變形量；

α、β分別為變形后豎桿與上弦桿、豎桿與下弦桿夾角。

桿件變形量根據胡克定律可按下式計算。

式中：Na、Nb、Nc、Nd、Ne分別為下弦桿、后斜桿、豎桿、上弦桿、前斜桿內力；

Aa、Ab、Ac、Ad、Ae分別為下弦桿、后斜桿、豎桿、上弦桿、前斜桿面積；

E為鋼材彈性模量。

根據三角形力的平衡原則，各桿件內力可按下式計算。

掛籃桁架桿件的幾何參數如表1所示，外力P=969.2kN時，根據上述公式得出的桿件內力如表2所示，角度和撓度的計算結果如表3所示，角度α引起的撓度為5.2mm，角度β引起的撓度為10.2mm，總撓度為17.0mm。

表1 掛籃主桁桿件幾何參數

表2 掛籃主桁桿件內力及變形量

為考察總撓度中各桿件的所占比例，對如表4所示的5個工況進行分析。每個工況中只有一個桿件單位變形量的變形，其他桿件為零。計算結果如表5所示，在只改變上弦桿單位變形量的工況下得出總撓度為1.46，在只改變前斜桿單位變形量的工況下得出總撓度為1.77，在只改變豎桿單位變形量的工況下得出總撓度為1.43，在只改變后斜桿單位變形量的工況下得出總撓度為2.04，在只改變下弦桿單位變形量的工況下得出總撓度為1.46，總體撓度的變化范圍在1.43～2.04，各個工況之間差距不大，說明通過加強某一個桿件減少撓度效果有限[2]。

表4 各計算工況桿件單位變形量 mm

表5 各桿件角度及撓度計算結果

3 掛籃有限元分析

掛籃有限元分析[3]計算模型如圖2所示，共有878個節點和1163個單元。其中，掛籃主桁、門架系統、后錨梁、導梁、托梁、上橫梁、精軋螺紋鋼采用梁單元，下模板采用板單元，如圖2所示。

圖2 計算模型圖

鋼材彈性模量取2.00E5MPa，泊松比取0.3，加載方法為掛籃自重程序自動考慮，模板荷載采用單元線荷載，頂板混凝土采用單元線荷載，底板混凝土采用面荷載。邊界6條件為約束所有吊桿錨固點及掛籃桁架錨固點位移。

基本組合下的掛籃主桁最大撓度為17.1mm，與理論計算值基本完全吻合。

上橫梁兩側撓度最大，分別為26.5mm和24.0mm。其中，扣除掛籃主桁變形引起的撓度17.1mm，上橫梁自身變形引起的最大撓度為9.4mm，說明橫梁剛度偏小，需要加強橫梁剛度才能避免撓度對整體結構的影響[4]。

4 掛籃變形控制措施研究

減少掛籃變形方法之一為增加桿件截面面積。當增加桿件面積20%時，撓度減少值計算結果如表6所示，將上弦桿、前斜桿、豎桿、后斜桿、下弦桿的截面面積均增加到原有截面面積的1.2倍，對應的撓度減少的范圍只有0.4～0.8mm，效果有限并且各方法之間差距小。

表6 調整桿件面積后減少撓度統計表

改變幾何形狀也可減少撓度，方法1為減少上弦桿長度0.5mm，方法2為增加豎桿長度0.5m，方法3為增加下弦桿長度0.5m。具體計算結果如表7所示，對應上弦桿的撓度減少量2.9mm，豎桿的撓度減少了1.5mm，下弦桿的撓度減少了0.4mm。由此可以看出變化長度均為500mm情況下方法1最有效，方法3效果最差。但在實際工程中上弦桿需要滿足施工需求，調整空間小，方法2加長豎桿長度方法最有效。

表7 調整桿件長度后減少撓度統計表

上橫梁局部變形可采用精致螺紋鋼斜拉方法進行加強，從而降低桿件的撓度。通過與未加固前上橫梁的撓度計算結果對比，最大變形為21.7mm處的位置，加固后減少了4.8mm，這一方法極大地降低了局部位置撓度變形過大，保證上橫梁構件整體的線性變化在一個相對穩定的范圍內，增加桿件的剛度[5]。

5 結束語

通過對掛籃桿件變形的分析研究得出以下結論：

（1）單一加強一根桿件來降低撓度變化的效果有限，需要桿件之間的組合降低才能達到最優的效果。

（2）通過增加桿件面積方法減少撓度效果有限，并且各桿之間效果差距小。

（3）改變桿件的幾何形狀分析發現，減少上弦桿長度對控制撓度最有效，但在實際工程中調整空間小，加長豎桿長度最為實際。

（4）上橫梁局部變形可采用精致螺紋鋼斜拉方法控制。

在后期施工過程中，將這些分析研究應用到了現場實際施工生產中，對掛籃結構的變形控制和結構穩定方面產生了非常好的效果，保證了掛籃的使用壽命和現場的施工安全，達到了研究目標，對相關的寬幅大懸臂掛籃施工具有借鑒意義。