菱形掛籃現澆施工及防傾覆控制研究

黃 璜

（湖南省第四工程有限公司，湖南 長沙 410119）

掛籃懸臂現澆法是大跨度橋梁工程施工中最常見且成熟的重要施工技術，且菱形掛籃結構是其中最常見的結構形式之一，具有受力合理、剛度高和強度大的特點。但在施工中由于人為因素的影響，往往導致菱形掛籃結構存在施工缺陷，嚴重影響結構抗傾覆穩定性?；诖耍瑸榧毣庑螔旎@現澆施工技術，探究結構抗傾覆穩定性及相關措施。該文依托東北某大橋工程主橋菱形掛籃施工，從菱形掛籃結構施工工藝及抗傾覆穩定性方面，通過綜述、現場試驗和有限元模擬的方法介紹了掛籃施工技術，研究了菱形掛籃抗傾覆穩定性及相關措施[1]。

1 工程概況

東北某大橋工程主橋為4 跨大跨徑變截面連續箱梁橋，長度為380m，跨徑布置為70+120+120+70=380m。主橋采用懸臂澆筑法和支架現澆法結合施工。主橋每個墩懸臂現澆段共分為16 個節段，共使用12 個掛籃同時施工。

2 菱形掛籃懸臂現澆技術

2.1 菱形掛籃施工

橋梁為單箱雙室結構，橋面寬1850cm，橋梁結構采用菱形掛籃懸臂現澆成型，掛籃主體結構由菱形主桁架、走行及錨固系統、吊桿系統、底托系統和模板系統等部分組成。由于橋梁為單箱雙室結構，橫橋向設置3 道腹板，為保證掛籃穩定性及承載能力，單側菱形掛籃設置為3 幅主桁架結構[2]。

梁體0#塊施工完成后，通常沿梁體縱橋向的中軸線放樣出3 幅主桁架，并根據中軸線位置安裝軌道墊梁、走行梁。在安裝走道梁墊梁前，應先將后走行輪安裝在走道梁上，精確設置3 根走行梁間距，確保3 幅主桁架對稱布置，降低側翻傾覆風險，并利用豎向精軋螺紋鋼壓緊走道梁，具體參數見表1。

表1 走行梁安裝控制參數

將底模平臺系統、外側模及內模吊掛于相應導梁上，頂起前支點滑座，使其與走道梁分離1～2cm 距離，解除主桁后錨固螺栓，使后錨反力滑輪勾于走道梁上，檢查滑輪和走道梁咬合是否嚴密，走行時不能存在咬邊情況，然后同時開起6組走行牽引千斤頂油泵，使主桁架連同底模平臺系統、外側模及內模緩慢同步前行，走行至下一節段施工位置后停止。掛籃走行至下一施工節段就位后，落下前支點滑座千斤頂，使滑座與走道梁面密貼，重新錨固主桁后錨固端螺栓。

2.2 現澆曲線橋梁線形控制

2.2.1 彈性變形監測

2.2.1.1 預壓點位布置

為有效消除掛籃非彈性變形，準確確定立模標高，保證結構線形滿足施工控制預期要求，須對懸臂現澆掛籃進行預壓施工。在掛籃靜載預壓前，預壓監測點布置在前橫梁和前吊桿下橫梁左右，主要監測預壓過程中前支點和后錨點的沉降變形，監測斜拉桿和主桁架梁內側的應力變化。

2.2.1.2 預壓荷載計算

為模擬混凝土澆筑對掛籃系統的影響，利用沙袋模擬混凝土澆筑過程中荷載的分布變化進行預壓，預壓荷載分布計算見表2。

表2 預壓荷載

2.2.1.3 預壓方案實施

由于采用1.5t/袋重沙袋進行預壓，根據上節所得預壓荷載計算可知，須用沙袋148 袋。后根據箱梁橫橋向截面質量分布規律可得：底腹板橫橋向擺4 層，須用砂袋132 袋；翼緣板須用砂袋16 袋[3]。現澆掛籃預壓荷載采用分級加載方式按20%→40%→60%→80%→100% 5 級加/卸載的方式進行，并分別取小里程、大里程記錄每級加載后各測點標高，得到菱形掛籃沉降量變化曲線如圖1所示。

圖1 沉降量變化曲線

2.2.1.4 高程線形控制

懸臂現澆箱梁高程線形控制，主要通過在計算各節段立模標高過程中考慮菱形掛籃彈性變形、預拱度、成橋節段總體撓度來進行控制。由圖1可知，菱形掛籃在預壓過程中的沉降變化曲線規律基本一致：隨加載沉降增加，隨卸載沉降減少，且卸載完成均存在沉降殘余量，即為非彈性變形量。小里程端掛籃產生的最大預壓變形量為33.1mm，卸載后殘余量為2.6mm；大里程端掛籃產生的最大預壓變形量為31.6mm，卸載后殘余量為1.4mm。根據圖1 記錄數據，掛籃的彈性變形量計算如公式 （1）所示。

連續梁橋施工預拱度控制是通過立模標高實現的，其主要設置目的是為了削弱各種施工荷載對橋梁豎向線形的影響，本懸臂現澆曲線大橋各施工節段立模標高如公式（2）所示。

式中：Hsi為立模標高；Hi為設計高程；fyi為預拱度；fni為成橋累計撓度；β為根據撓度觀測結果，分析統計出的撓度折減系數；?fi為根據實測撓度結果選取的撓度調整值。Δ彈性為掛籃彈性壓縮變形。

2.2.1.5 平面線形控制

簡支箱梁可根據“曲線直作”原理，將曲線線路化為一段簡支直梁，而現澆連續梁則須在原位進行“曲線曲作”施工，與簡支箱梁相比，現澆連續梁在曲線線路上的平面線形受橋梁偏距、偏角的影響更大，線性控制難度更大。因此在進行橋梁平面線形控制過程中，引入灰色預測理論進行曲線橋梁平面線形控制。當建立平面線形控制模型時，首先，實測上一階段單側線形控制坐標點數據，并與控制坐標點理論數據進行對比求差值。以此為依據來預測下一節段平面線形偏差并進行順延糾偏。

當利用灰色系統理論控制曲線橋梁平面線形時，過程中將各節段控制坐標點實測數據序列看作是隨施工時間進程變化的灰色過程，通過累加生成多節段曲線橋梁實測數據，歸納出線形變化的有序數列規律，從而建立一個基于已施工節段數據變化規律來預測后續曲線線形變化的Grey model模型，確定曲線橋梁平面線形在后續節段的發展變化趨勢，以提前進行干預控制，并對橋梁線形進行順延調整。

在控制模型中，設x（0）（t）為原始實測數據樣本，通過對各節段實測數據進行累加生成運算得到生成新的時間序列x（1）（t），將x（1）（t）擬合成一階線形白化微分方程其形式如公式（3）所示。

式中：a為發展系數；b為灰色作用量。

該曲線橋梁采用懸臂現澆法進行橋梁施工，在曲線橋梁平面線形控制過程中，基于灰色系統理論利用各節段線形控制坐標點實測數據與理論數據偏差值來建立殘差GM（1，1）模型來預測平面線形變化，對后期各節段平面控制指標點的實測數據進行預測，可以更精確的反映整個施工期間曲線橋梁平面線形的變化趨勢，后以預測數據為參照，在控制指標點理論數據上進行順延調整，以保證曲線橋梁線形的平順過渡。

但預測精度與預測點和數據樣本點間間隔距離相關，為消除這種精度差，采用等維灰數遞補數據處理技術來對GM（1，1）模型進行改進。即每當預測出下一橋梁節段的平面偏差值時，則將最早的數據樣剔除，以保證在序列維數不變的前提下，每新增一個節段線形數據則進行一次預測，周而復始直至完成所有懸臂現澆節段，采用改進的GM（1，1）模型法使預測值精度有很大的提高。

3 掛籃抗傾覆控制研究

現澆箱梁掛籃施工過程中，現澆狀態及走行狀態下掛籃發生傾覆的風險最大，因此該文利用Midas 軟件主要模擬主桁架在這2 種狀態下的受力情況，以針對性地制定抗傾覆措施，模型如圖2 所示[4]。

圖2 掛籃主桁架模型

3.1 現澆狀態抗傾覆分析

現澆掛籃結構在混凝土澆筑過程中，主要受到混凝土自重產生的豎向荷載及混凝土澆筑沖擊荷載影響。在此工況下，模擬得出掛籃結構受力響應云圖如圖3 所示：當澆筑方量達到最大時，由于受到豎向荷載作用，上橫梁前端產生最大豎向沉降變形約為32.3mm，與預壓結果相近。在下橫梁后錨處產生最大拉應力，約為310.2MPa；在下橫梁前錨處產生最大拉應力，約為294.65MPa。后錨采用2 組4 根φ32mm精軋螺紋鋼進行錨固，其單根屈服強度約為830MPa，后錨安全儲備系數[5]計算如公式（4）所示。

圖3 現澆狀態掛籃結構受力響應云圖

式中：λ1為現澆安全儲備系數；fσs為屈服強度；fmax 為最大拉應力。

由公式（4）可知：現澆狀態下下橫梁后錨安全系數足以滿足抗傾覆要求。應力分布云圖如圖3所示，除下橫梁錨固點外，桁架其余部分應力為-129.69～200.23MPa，滿足穩定性要求。同時上述分析可知，為保證現澆狀態下掛籃主桁架的抗傾覆穩定性，可針對下橫梁錨固點采取針對性地加強措施或者增加錨固點數量[6]。

3.2 走行狀態抗傾覆分析

除現澆狀態外，掛籃走行狀態也是易發生傾覆的穩定性薄弱環節。在掛籃走行，主要靠液壓油頂提供推動力使掛籃勻速平穩向下一階段前進。在此過程中，由于前后錨固已拆除，掛籃主要靠錨固點處與走行梁接觸的自錨輪組提供錨固力。掛籃走行過程中，前端支架模板體系自重荷載通過精軋螺紋鋼吊桿向自錨系統傳遞拉力。因此在走行過程中，自錨系統須提供足夠的反力來抵消拉力以保證抗傾覆穩定性?；诖斯r對桁架系統進行模擬分析得到走行狀態自錨系統反力分析圖，如圖4 所示。

圖4 走行狀態自錨系統反力

因此自錨系統須提供不小于235.25kN 的反力來保證走行抗傾覆穩定性，由于在走行過程中，自錨系統是通過走行反扣輪來進行錨定，而反扣輪與主桁架是通過φ80mm 的40Cr 鋼銷軸銷接。其提供的自錨反力計算如公式（5）所示。

反力安全儲備系數為12.17，足以提供保證掛籃在走形過程中的抗傾覆穩定性。走行安全儲備系數計算如公式（6）所示。

式中：λ2為走行安全儲備系數；N為自錨系統提供的支反力；σ為鋼銷抗剪強度；A為鋼銷截面積。

4 結論

通過該文對大跨度橋梁現澆掛籃施工技術及抗傾覆穩定性的模擬研究，得出以下3點結論：1）現澆掛籃拼裝預壓施工質量是影響掛籃結構穩定性的重要因素，應嚴格按照方案及設計要求嚴控現澆掛籃拼裝預壓工序，以降低人為因素對現澆掛籃結構抗傾覆穩定性的影響。2）通過建立合理的有限元模型，分析現澆狀態及走行狀態下的抗傾覆穩定性安全儲備系數可知：現澆抗傾覆安全儲備系數λ1為11.26，走行抗傾覆安全儲備系數λ2為12.17，均完全滿足抗傾覆穩定性要求。3）通過模擬分析過程中的數據分布可知：加強現澆狀態下后錨精軋螺紋鋼數量及安裝垂直度、加強主桁架各連接點位強度可有效提供現澆狀態下的抗傾覆穩定性；走行狀態下，通過控制掛籃走行速度、控制各桁架走行進度、增加反扣輪組數可有效提高走行狀態抗傾覆穩定性。