波形鋼腹板PC組合箱梁橋同步異位懸臂施工新型掛籃設計研究*

舒宏生，侯潤鋒，劉新華，劉 勛

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

近年來，波形鋼腹板橋梁因抗震性能好、具有良好的經濟性和可施工性等優點，在國內得到廣泛應用。在建和已建波形鋼腹板橋梁采用的施工方法主要有滿堂支架法、懸臂施工法、頂推法等，但大部分該類型橋梁施工普遍采用傳統掛籃懸澆工法。針對波形鋼腹板橋梁懸臂施工，日本提出Rap.con/RW工法，應用于多座波形鋼腹板橋梁中，技術較成熟，但在國內應用較少。王達等[1]對四川頭道河大橋利用ANSYS建立有限元計算模型，對采用Rap.con/RW工法的波形鋼腹板PC組合箱梁橋進行相關研究，明確該工法具有傳統掛籃懸澆工法無可比擬的優越性，結構應力變化合理。高天明[2]以MIDAS Civil有限元軟件對RW工法施工流程進行模擬，進一步驗證施工過程中橋梁結構的安全性。筆者所在單位通過比選研究，在Rap.con/RW工法和傳統掛籃懸澆工法基礎上提出同步異位新型掛籃懸澆工法，基于該工法創新研制的新型掛籃可很好實現大跨徑波形鋼腹板橋懸澆施工，符合掛籃輕型化、通用化和標準化的設計理念。

1 工程概況

昭君黃河特大橋由主橋、灘橋及跨堤橋組成，主橋跨徑布置為85+9×150+85=1 520m，跨堤橋包括南、北兩部分，跨徑布置為40+70+40=150m，全長4.3km。主橋及跨堤橋上部結構為波形鋼腹板預應力混凝土連續箱梁，單幅主梁采用單箱單室直腹板形式。主橋單一聯長達1 520m，建成后將成為國內聯長最長的梁式橋，橋跨布置如圖1所示。

圖1 橋跨布置(單位：m)

主梁整體劃分為16個節段，最重梁段為1號梁段，重約258t(內含93t內襯混凝土)，主梁標準橫斷面如圖2所示。上部結構波形鋼腹板波長1.60m，波高0.22m，水平面板寬0.43m，水平折疊角度為30.7°，彎折半徑為15t(t為波形鋼腹板厚度)。波形鋼腹板與頂、底板混凝土連接，其中與頂板混凝土采用雙PBL鍵的方式連接，與底板采用└200×200×18連接，波形鋼腹板結構如圖3所示。

圖2 主橋主梁標準橫斷面(單位：cm)

圖3 波形鋼腹板結構

2 掛籃懸澆工法研究

考慮本橋大跨徑結構特點及現場施工作業條件，采用掛籃懸澆工法應是最優選擇。因此，下面重點討論波形鋼腹板橋梁施工不同掛籃懸澆工法的比選。

2.1 傳統掛籃懸澆工法

通過對國內波形鋼腹板連續梁橋施工工法的統計分析可知，目前普遍采用的掛籃懸澆施工工法仍為傳統掛籃懸澆工法，據此設計的掛籃結構形式如下：①混凝土頂、底板采用三角或菱形掛籃澆筑，波形鋼腹板利用塔式起重機或汽車(履帶)式起重機等進行定位安裝，這種掛籃結構形式需要起重機械作業通道或滿足波形鋼腹板吊裝要求的長懸臂塔式起重機。根據宋隨弟等[3]對波形鋼腹板橋跨度的研究分析，波形鋼腹板橋最大跨度達400m，隨著跨度增加，這種掛籃結構形式的弊端越明顯；②利用原有常規掛籃進行結構改進，使之具備波形鋼腹板定位安裝功能，這種掛籃結構形式雖然能實現混凝土澆筑和波形鋼腹板定位安裝要求，但掛籃結構自重大，使懸澆梁段受力大，增加橋梁施工監控難度，掛籃通用性不強且需重復改裝設計。同時，上述傳統掛籃設計方案中頂、底板鋼筋綁扎及混凝土澆筑等作業在同一工作面內，作業面受限且存在交叉作業的安全隱患，具有很大局限性，成本較高、周期較長、工效較低。基于傳統掛籃懸澆工法的掛籃設計方案如圖4所示。

圖4 傳統掛籃設計方案

2.2 同步異位新型掛籃懸澆工法

根據前述分析，傳統掛籃懸澆工法未能有效利用波形鋼腹板抗剪力學性能。鑒于此，對國內外同類型橋梁施工工藝及現有技術理論進行研究，提出適用于大跨徑波形鋼腹板連續梁橋標準化施工的同步異位新型掛籃懸澆工法，利用波形鋼腹板結構自承重，設計有獨立的波形鋼腹板吊運系統，實現波形鋼腹板定位安裝，適應范圍更廣、經濟性更高。基于同步異位新型掛籃懸澆工法的新型掛籃結構如圖5所示。

圖5 新型掛籃設計方案

同步異位新型掛籃懸澆工法是將梁段頂板和底板異位施工同步澆筑，即掛籃利用第n個梁段的波形鋼腹板做支撐，同步進行第n個梁段底板和第(n-1)個梁段頂板鋼筋安裝及混凝土澆筑施工，待混凝土強度達到設計強度的70%后，利用波形鋼腹板吊運系統進行第(n+1)個梁段波形鋼腹板定位安裝，如此循環直至梁段合龍。本設計方案將施工作業面劃分成(n-1)，n，(n+1)作業面，作業面互不干涉，縮短作業周期，提升施工效率。

2.3 掛籃懸澆工法比選確定

根據工程特點，設計人員對掛籃懸澆工法進行優缺點對比[4]，比選分析結果如表1所示。傳統掛籃懸澆工法材料及加工費為1 546.6萬元，設備費1 260萬元，人工費280萬元，共計3 086.6萬元；同步異位新型掛籃懸澆工法材料及加工費為1 106.6萬元，設備費658萬元，人工費224萬元，共1 988.6萬元。最終確定采用同步異位新型掛籃懸澆工法，總體節約施工成本約1 100萬元，經濟效益明顯。

表1 工法特點比較

3 新型掛籃結構設計

同步異位新型掛籃設計為前后整體移動式，采用波形鋼腹板自承重，由掛籃主桁結構、行走系統、模板系統、懸吊系統、錨固系統、波形鋼腹板吊運系統、底籃和工作平臺等構成。新型掛籃結構如圖6所示，設計主要性能參數如下：懸臂澆筑標準梁段長4.8m，最大梁段重165t(不含內襯混凝土)，掛籃總重約50.3t，自重荷載比為0.3，錨固系統及抗傾覆安全系數均>2，最大變形<20mm。

圖6 新型掛籃總體結構

3.1 掛籃主桁結構

掛籃主桁結構是掛籃整體承重系統，整個結構通過下部適應橋面橫坡的高低支腿支承于波形鋼腹板倒π形槽內，高低支腿上設置前后上橫梁，以直接承受懸吊系統傳遞的施工荷載；前后上橫梁間設置橫向聯系，采用螺栓連接，既滿足構件運輸要求，又實現不同節段長度安裝，通用性強；主桁前部懸臂設置電動葫蘆縱移軌道，前后上橫梁間設置可縱移的平車托架，滿足波形鋼腹板施工作業要求。

3.2 底籃系統

掛籃底籃系統主要由前橫梁、中橫梁、后橫梁及小縱梁組成，橫梁采用雙拼H型鋼，間距3.8m+1.8m，小縱梁采用H型鋼并按荷載分布特點進行非等間距設置，共同承受底板及內襯混凝土荷載。底籃中橫梁除需保證混凝土施工作業，還需提供掛籃自行回退作業時底籃結構的支撐，強度及撓度均滿足設計要求。

3.3 波形鋼腹板吊運系統

波形鋼腹板吊運系統包括運輸系統和吊裝系統，運輸系統由平車和托架構成，吊裝系統由三角吊裝支架、手拉葫蘆和電動葫蘆等構成。波形鋼腹板放置于運輸平車上，在已澆筑梁段頂面和托架上布設平車軌道。波形鋼腹板經平車運輸至托架上方，電動葫蘆及手拉葫蘆配合將波形鋼腹板豎向提離運輸平車，托架及運輸平車回退，波形鋼腹板兩次轉體實現定位安裝。波形鋼腹板吊運系統是該新型掛籃設計的創新點，解決波形鋼腹板定位安裝難題，無須安裝大型塔式起重機，可實現大跨徑波形鋼腹板橋掛籃懸澆標準化施工。

3.4 行走、懸吊系統

行走系統采用液壓千斤頂向前頂推，利用波形鋼腹板倒π形槽兩側φ60銷孔進行錨固并提供支撐。掛籃采用40Cr絲桿+Q345C鋼帶組合懸吊系統，鋼帶通過鋼銷與底籃前橫梁及中橫梁連接，絲桿利用千斤頂頂升調節，底籃操作更加方便可靠。

3.5 掛籃主要技術指標

新設計的同步異位法懸臂施工新型掛籃滿足JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》，掛籃自重50.3t，最重節段的混凝土重165t，標準節段長4.8m，自重荷載比為50.3/165=0.3，錨固系統及抗傾覆安全系數均≥2，采用液壓推進方式，掛籃最大變形≤20mm，最大工作風速為6級。

4 新型掛籃結構計算

4.1 結構計算相關參數

混凝土最重梁段為1號梁段，計算質量165t，超載系數1.05。掛籃自重采用軟件自動計入。施工機具及人群荷載為2.5kN/m2。動力附加荷載動力系數為1.2，沖擊附加荷載沖擊系數為1.3，風荷載考慮6級大風條件。

4.2 計算工況分析

新型掛籃結構設計時，根據掛籃在施工階段下的荷載情況，劃分如下荷載組合，其中荷載組合Ⅰ，Ⅱ用于掛籃主桁結構強度和穩定性計算，荷載組合Ⅲ用于變形計算，荷載組合Ⅳ用于掛籃行走驗算。各工況荷載系數按規范進行取值。

1)荷載組合Ⅰ ①混凝土質量+②掛籃自重+③施工機具及人群荷載+④動力附加荷載。

2)荷載組合Ⅱ ①混凝土質量+②掛籃自重+⑥風荷載。

3)荷載組合Ⅲ ①混凝土質量+②掛籃自重+③施工機具及人群荷載。

4)荷載組合Ⅳ ②掛籃自重+⑤沖擊附加荷載+⑥風荷載。

根據昭君黃河特大橋施工工藝，計算時分別對1，2，3，14，15號合龍段澆筑施工工況、鋼腹板吊裝工況、掛籃行走工況、掛籃回退工況、非工作狀態工況及鋼腹板運輸與吊裝工況進行分析。

4.3 有限元計算及結果

本新型掛籃結構設計采用MIDAS Civil軟件進行有限元計算，建立掛籃結構整體模型，設置約束邊界條件，按上述工況及荷載進行計算分析[5]，得到如下結果。

1)掛籃主桁高低支腿最大應力182.7MPa，主桁前后上橫梁最大應力108.8MPa，底籃橫梁最大應力131.7MPa，底籃縱梁最大應力109.1MPa，內外滑梁最大應力162.5MPa；主桁結構強度均滿足要求。

2)掛籃整體相對最大變形18.5mm<20mm，結構整體剛度滿足規范要求[6]。

3)掛籃設計采用同步異位懸臂澆筑工藝，混凝土澆筑工況下掛籃結構自平衡，僅波形鋼腹板吊裝工況下存在負向反力，計算抗傾覆安全系數5.7>2，穩定性滿足要求。

5 試驗驗證

5.1 靜載對拉試驗

為檢查掛籃主桁架、絲桿及吊帶等構件加工及安裝質量，測量掛籃彈性變形及消除非彈性變形，驗證新型掛籃各項指標是否滿足設計要求，在掛籃拼裝完成后進行兩階段加載試驗。在第1階段，設計靜載對拉試驗檢驗掛籃主桁架承載力，分級加載，最大加載為最重梁段荷載的1.2倍，具體加載方案如下。根據試驗得出主桁架相對最大變形15mm，小于理論計算值，滿足要求。靜載對拉試驗方案如圖7所示。

圖7 靜載對拉試驗方案

5.2 現場預壓試驗

在掛籃現場安裝完成后，進行第2階段現場預壓試驗。根據同步異位新型掛籃懸澆工法施工特點，本掛籃預壓分2次進行，第1次是直接預壓1號塊底板對應底籃；第2次是1號塊底板澆筑完成，掛籃前移到位，對2號塊底板對應底籃及1號塊頂板對應高低側翼緣板模板及內頂模進行預壓。預壓前按荷載分級制作混凝土預制塊，采用塔式起重機吊裝混凝土預制塊，分別對加載前、加載后、卸載后階段進行各控制點標高測量。經過預壓消除非彈性變形，實測平均彈性變形16mm，滿足要求。

6 結語

1)同步異位新型掛籃充分利用波形鋼腹板抗剪性能，采用波形鋼腹板臨時承重，多作業面互不干涉，施工效率高，作業安全風險低，有效解決因黃河凌汛期長導致施工作業時間短、工期緊的問題。

2)新型掛籃結構簡單，受力明確，自重小、穩定性好、通用性強，可滿足大跨徑甚至超大跨徑波形鋼腹板橋梁標準化施工。

3)波形鋼腹板吊運系統可實現鋼腹板多方位吊裝，無須配置長懸臂塔式起重機，波形鋼腹板既可后方喂入安裝，也可前方垂直起吊安裝，同時兼顧側面吊裝，適用性強。

目前，新型掛籃已完成昭君黃河特大橋南、北岸跨堤橋及主橋部分節段箱梁懸澆施工任務，經實踐證明新型掛籃設計滿足現場實際使用要求。該掛籃的成功設計與應用，為波形鋼腹板橋懸澆施工提供了參考，對推動超大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋在國內進一步發展起到積極作用。