超寬連續梁橋懸臂施工掛籃受力特征與結構優化

蔡 翔，宗維凱

（上海東華地方鐵路開發有限公司，上海 200000）

掛籃施工是將橋梁結構劃分為若干段，然后由墩臺向兩邊依次澆筑的施工方法[1]。掛籃施工技術是橋梁懸臂施工的常用方法之一[2-3]，結構輕盈、施工簡便是其最大的特征[4-5]。

中國的掛籃制作和設計水平正在迅速發展，已經開始向高強度、輕型、大跨徑方向發展[6]，目前對于超寬橋面掛籃施工的研究愈發迫切[7]。本文基于實際工程對超寬連續梁橋懸臂施工掛籃的受力特征進行分析，并提出相應的結構優化方案，具有一定借鑒意義。

1 工程背景

本文依托312 國道蘇州東段改擴建工程昆山段KS4 標施工項目，主橋上部采用現澆預應力混凝土連續梁，梁斷面為單箱四室斷面。掛籃懸臂澆筑箱梁采用菱形掛籃進行施工，1—3 號塊段長度都為3.5 m，4—11 號塊段長度都為4.0 m，12 號塊段長3.4 m，13號塊段長1.5 m；其中最重塊段為1 號塊，質量為429.14 t，最長塊段為4 號塊，質量為370.51 t。掛籃結構總體布置圖如圖1 所示。

圖1 掛籃結構總體布置圖（單位：mm）

2 掛籃計算分析

2.1 掛籃構造

掛籃主要由主桁系統、底籃系統和懸吊系統組成，具體情況如下。主桁架是掛籃的主要受力結構，由5榀菱形主桁架、橫向聯結系組成。2 榀主桁架中心間距為6.2 m，中心高4.0 m，每榀桁架前后節點間距均為5.3 m。底模平臺由底模板、縱梁和前后橫梁組成，底模板采用大塊鋼模板，縱梁采用HW400×40 型鋼，前、后下橫梁均采用型鋼組焊。懸吊系統包括前上橫梁、底模平臺前后吊帶（桿）、外模走行梁前后吊桿、內外模走行梁前后吊桿等。底籃前端設10 個吊點，底籃后端設18 個吊點，前下橫梁吊桿采用120 mm×40 mm 鋼板吊帶，其他吊桿均采用Φ32 mm精軋螺紋鋼筋。

2.2 掛籃荷載及工況設置

根據掛籃設計，分別將腹板、底板、頂板、翼板的砼荷載轉化為線荷載。掛籃在懸臂施工中產生的其他荷載及系數如表1 所示。

表1 掛籃其他荷載及系數

根據梁段長度、重量、梁高等參數，設計時按以下2 種工況進行計算。工況一：1 號梁段混凝土灌注完成工況，此工況梁段高度最高、混凝土質量最大。工況二：4 號梁段混凝土灌注完成工況，此工況梁段長度最長、混凝土質量較大。

2.3 模型建立及計算分析

2.3.1 有限元模型

根據掛籃實際尺寸采用有限元程序Abaqus 進行建模，各構件采用線單元進行模擬，然后賦予其相應截面類型并指定梁方向。鋼材彈性模量E=206 000 MPa，泊松比v=0.3。掛籃結構計算模型如圖2所示。

圖2 掛籃計算模型

2.3.2 前、后下橫梁

工況一前下橫梁組合應力如圖3 所示。掛籃前下橫梁最大應力出現在前下橫梁約1/4 和3/4 位置，為14.90 MPa，產生的最大位移為7.05 mm，前下橫梁的強度和剛度均滿足規范要求。工況二掛籃前下橫梁最大應力位置相同，為17.41 MPa，產生的最大位移為7.38 mm，滿足規范要求。

圖3 前下橫梁組合應力圖（單位：MPa）

2.3.3 主桁系統

工況一主桁架組合應力如圖4 所示。掛籃主桁架最大應力出現在主桁架前斜桿上，為98.83 MPa，產生的最大位移為7.38 mm，主桁架的強度和剛度均滿足規范要求。工況二掛籃主桁架最大應力位置相同，為103.4 MPa，產生的最大位移為5.84 mm，滿足規范要求。主桁架的后錨精軋螺紋鋼筋設計數量為6 根，每根的實際受力F=769.1/（1.2×6）=110.57 kN，其應力σb=N/A=110.57×103/804.2=137.49 MPa，安全儲備k=625/137.49=4.55＞2，滿足2 倍的安全系數。

圖4 主桁架組合應力圖（單位：MPa）

2.3.4 懸吊系統

工況一掛籃懸吊系統應力如圖5、圖6 所示。底籃前鋼吊帶采用抗拉設計值為275 MPa 的Q345 鋼材，σ=106 MPa＜fd/2=275/2=137.5 MPa，滿足2 倍的安全系數。底籃后吊桿采用抗拉強度設計值為625 MPa 的PSB785 精軋螺紋鋼筋，σ=106.3 MPa＜fd/2=625/2=312.5 MPa，滿足2 倍的安全系數。

圖5 前吊桿、吊帶組合應力圖（單位：MPa）

圖6 后吊桿組合應力圖（單位：MPa）

2.4 掛籃最可能失效部位與破壞形式

根據最不利工況下的掛籃計算結果，對掛籃最可能失效部位與破壞形式進行合理預測。

前下橫梁撓度過大。前下橫梁與后下橫梁所受約束存在較大差異，前下橫梁的剛度遠小于后下橫梁。以工況一為例，前下橫梁最大豎向位移為7.047 mm，而后下橫梁最大豎向位移僅為0.919 mm。故掛籃可能因前下橫梁撓度過大而失效。

主桁架前斜桿受壓破壞。主桁架前斜桿的應力在主桁架所有桿件中最大。以工況一為例，其值為98.83 MPa。故掛籃可能因主桁架前斜桿受壓破壞而失效。

底籃后端吊桿錨固處混凝土局部受壓破壞。底籃后端吊桿錨固處的應力為掛籃整體結構應力的最大值。以工況一為例，其值高達160.3 MPa，對錨固處混凝土的局部承壓強度提出了較高要求。故掛籃可能因底籃后端吊桿錨固處混凝土局部受壓破壞而失效。

3 掛籃結構優化

3.1 主桁架結構形式優化

目前掛籃施工常采用的主桁架結構形式為菱形掛籃或三角掛籃，通過結合上述2 種結構的優缺點，本次掛籃主桁架優化方案提出了“不等三角掛籃”的新型結構形式，以2 個不等的三角形作為主桁架，即以斜桿代替菱形掛籃的水平上弦桿，使其受力受拉的作用得到充分發揮。另一方面，考慮到上弦桿與水平線的夾角大小與直腹桿應力成正比，與前斜桿應力成反比。若設置適當的夾角，可有效緩解上文計算結果中主桁架前斜桿應力較大的問題，優化直腹桿和前斜桿的受力，充分發揮結構受力性能。

3.2 前下橫梁及其懸吊系統優化

前下橫梁總長為34 m，前下橫梁鋼吊帶采用每榀主桁架兩側各1 根，共計10 根的布置方案。在該方案下，鋼吊帶與前下橫梁兩相鄰連接節點的最大間距為4.4 m。優化方案考慮在每兩榀主桁架中點增設1 根鋼吊帶，共計增加4 根。經過此方案優化后，鋼吊帶與前下橫梁兩相鄰連接節點的最大間距減小為2.45 m，可有效提高前下橫梁剛度，減小其豎向變形。

4 結論

本文依托工程為研究背景，通過Abaqus 計算最不利工況下掛籃各構造的應力和變形，根據計算結果預測掛籃最可能失效部位與破壞形式，進而給出掛籃懸臂施工的優化方案。主要結論如下。

本工程掛籃在實際施工荷載下，前、后下橫梁，主桁系統及懸吊系統的應力及變形情況均滿足規范要求；在最不利工況下，掛籃最可能失效部位與破壞形式為前下橫梁撓度過大、主桁架前斜桿受壓破壞、底籃后端吊桿錨固處混凝土局部受壓破壞；通過采用不等三角掛籃以及增設前下橫梁鋼吊帶的優化方案，可有效改善掛籃結構的受力特征，提高掛籃懸臂施工的安全性與可靠性。