大跨度鋼筋混凝土拱橋裝配式掛籃懸臂澆筑施工技術

孫偉

（中鐵十七局集團有限公司，太原 030006）

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，國家交通基礎建設不斷增加，在山區建造跨峽谷的橋梁越來越多，而鋼筋混凝土懸臂澆筑拱橋因全壽命周期內成本低廉、受力性能好等優點，越來越受建設者推崇，在高原深切峽谷地帶修建鋼筋混凝土拱橋也給施工帶來了各種難題[1-3]。目前，我國懸臂法施工的拱橋多采用懸臂拼裝，懸臂澆筑法近幾年發展較快，主要分布在四川、貴州[4]。

國內外學者對大跨度懸臂澆筑拱橋的掛籃優化設計及施工過程中的控制作出了大量研究，但對裝配式掛籃的設計及相應的施工技術從未涉及[5，6]。因此本文以“倒三角”掛籃為模板，研制了一種適用于多種拱箱截面尺寸，同時加工、安裝簡單，以及可形成制式桿件的裝配式掛籃，該掛籃的縱梁、橫梁、豎桿及斜桿選用H 型鋼替代傳統掛籃中的桁架結構材料，通過設置可調節長度的調節桿，來實現三向尺寸和坡度調節，節點均為螺栓連接和銷接。根據該掛籃的設計特點形成相應的懸臂澆筑施工技術，并已應用于貴州婭石慶特大橋與巴基斯坦Braseen 橋，解決了鋼筋混凝土箱形拱橋拱圈澆筑施工難題?，F以婭石慶特大橋為例詳細介紹該掛籃的設計及相應的施工工藝。

1 工程概況

貴州金仁桐高速公路婭石慶特大橋主橋為凈跨200m的鋼筋混凝土拱橋（圖1），采用懸臂澆筑法施工，主橋為凈跨200m 鋼筋混凝土上承式箱形拱，交界墩最大墩高37m。大橋采用斜拉扣掛施工，主拱圈共分為17 個節段，單幅共設置34 對扣錨索（0～16#扣錨索）扣錨索呈扇形布置。

圖1 婭石慶特大橋立面布置圖 （單位：cm）

圖2 裝配式倒三角掛籃拼裝成型圖

2 裝配式掛籃懸臂澆筑施工技術

2.1 婭石慶特大橋裝配式掛籃具體設計

裝配式倒三角掛籃由主桁系統、止退系統、行走系統、模板系統、工作平臺及安全防護系統組成，掛籃及模板總重為80t，主要由型鋼采用銷接和螺栓連接拼裝而成。掛籃全長16.5m，總高10.25m，懸臂澆筑長度可根據拱箱節段長度通過增加分配梁和支撐桿進行調節，最大傾角39.5°，承擔最大168t 的懸臂澆筑重量，設計安全系數1.4。

2.1.1 主桁系統

主桁系統包括縱梁、橫梁、斜桿、豎桿、掛鉤及穩定桁架，結構桿件均為工廠預制，運輸至現場后拼裝為整體，縱梁、橫梁、豎桿及斜桿選用H 型鋼替代傳統掛籃中的桁架結構材料，且均設置可調節長度的調節桿，能夠實現三向尺寸和坡度調節，節點均為螺栓連接和銷接。

2.1.2 止退系統

掛籃的止退系統包括抗剪臂、擋塊、鋼墊板等，止退系統示意圖如圖3 所示?？辜舯凼怯?0mm 厚鋼板加工為350×300mm 的箱型盒。澆筑混凝土時，抗剪臂放置在已澆筑好的拱箱節段底板預留孔內，通過加疊300×290mm 鋼板與后主桁桿件上的擋塊抵緊，起到防止掛籃下滑的作用。掛籃行走前，直接將抗剪臂用拉鏈葫蘆提升至已澆筑完成的箱梁節段內，然后人工搬運至下一節段，待掛籃移動到位后，重新安裝抗剪臂。

圖3 中橫梁抗剪臂及擋塊

2.1.3 支反力系統

支反力系統由位于縱梁上的后支點鋼箱、千斤頂、反力輪和底籃拉桿組成。掛籃移動到位后，通過拱圈預留豎向孔洞，將底籃拉桿作為錨固桿件穿過預留孔洞與倒三角桁架連接，采用YCW100T-200 型千斤頂施加豎向預應力，將掛籃錨固在已澆筑梁段拱背上，如圖4 所示。

圖4 底籃拉桿錨固于混凝土箱梁頂面

底籃拉桿錨固后，掛鉤與拱背上的軌道脫離，在節段混凝土澆筑期間，底籃拉桿承受掛籃中支點的所有反力，掛鉤不再受力；調節尾部的千斤頂，使掛籃的前段高程滿足施工控制高程，采用20mm 厚鋼板加工350×220mm 后支點鋼箱后支點鋼箱，并根據掛籃前段高程填塞各種厚度的鋼板，如圖5 所示。

圖5 反力輪、千斤頂及后支點鋼箱

圖6 掛籃行走系統

圖7 裝配式掛籃最不利工況下變形圖

2.1.4 行走系統

掛籃行走系統由軌道、滑船、頂推盒、千斤頂、主桁結構上的行走滾輪、銷軸及螺栓等共同組成。行走軌道放置在拱箱的頂面，通過螺帽與預埋在拱背的地腳螺栓固結以抵抗掛籃行走產生的下滑力；滑船和主桁的掛鉤固結，放置在軌道的滑槽內，可以沿著軌道向前滑動；反力輪由鋼板和軸承組成，附著在后橫梁上，掛籃行走時，反力輪支撐在已澆拱箱的底板上，隨著掛籃移動向前滾動，澆筑混凝土時，頂升千斤頂使反力輪脫離箱底，不再受力；螺栓包括M30 普通螺栓和地腳螺栓兩種。隨著千斤頂的不斷頂推不斷更換銷軸位置和接長軌道，使掛籃連續向前移動直至頂推到位。

2.1.5 模板系統

模板系統由底模、側模、內模、頂模組成。由于拱圈每一節段的模板弧線均不相同，根據每個混凝土節段的底板曲線的曲率，取平均值作為底模和側模的曲線設計，使每個澆筑節段的底板曲線與設計曲線盡量接近，以保證拱圈曲線的平順。

2.2 裝配式掛籃有限元模型

為驗證裝配式掛籃設計的合理性，采用MIDAS Civil軟件建立掛籃整體模型，掛籃行走時，掛籃自重以結構自重乘1.4 沖擊荷載系數，2#拱圈節段濕重、模板及臨時荷載按照縱梁和分配梁線荷載為-72.7kN、-4.2kN、-3.5kN/m計算。荷載最不利組合：混凝土重量+掛籃自重+模板荷載+人群和機具荷載。

通過計算可知，掛籃結構在最不利工況下的最大軸應力78MPa≤140MPa，最大彎曲應力115MPa≤145MPa，最大剪應力42MPa≤85MPa，均滿足要求；掛籃總體變形最大13.9mm，最大變形出現在分配梁中心段。總體變形13.9mm≤20mm，滿足要求；掛籃1 階模態穩定性系數為9.2，2 階模態穩定性系數為9.2，3 階模態穩定性系數為9.2，均≥4，滿足要求。

2.3 裝配式掛籃懸臂澆筑施工技術

2.3.1 掛籃預壓

為檢驗掛籃的承載能力，檢驗掛籃的變形是否滿足設計要求，消除掛籃的非彈性變形，對掛籃進行堆載預壓，按照最重節段（2#節段）質量168t 的1.2 倍進行預壓。在掛籃的底板橫向設置左、中、右3 個測點，縱向設置4 排共計12 個測點，監測得到裝配式掛籃的彈性變形為11mm，非彈性變形13mm。

2.3.2 模板系統安裝

①底模安裝。底模主要由5mm 厚鋼板、縱向[8 的槽鋼、橫向筋板組成，鋪設在掛籃分配梁上，用小鋼板使底模形成弧形。內、外側模待安裝后，用立桿對拉固定?？v橫向尺寸應滿足設計要求。②外側模安裝。側模采用5mm 厚鋼板，豎向板肋采用［8 槽鋼，橫向采用70×5mm 扁鋼，縱橫間距按350mm 控制，模板外橫向背楞采用2 根槽鋼組合2［14，共4 道，間距（由上至下）1400mm、1200mm、1200mm。拉桿間距按最大1200mm 控制。③內模安裝。內模采用小型鋼模板根據箱梁設計斷面結構尺寸進行拼裝，倒角處采用定制鋼模，根據實際需要尺寸裁截拼裝，內模板通過對拉桿與外側模板結成整體。底模最低處應設排水口，并將水引至梁外，在澆筑前模板內雜物沖洗干凈后再封閉。④頂板外模安裝。頂板外模采用定型鋼模根據設計箱梁斷面結構尺寸進行拼裝，頂板鋼筋綁扎完成并驗收通過后進行安裝，采用對拉桿與內模板連接固定。⑤端頭模安裝。端頭模板采用鋼模板制作，端頭模在鋼結構加工廠內分塊制作，制作完成后運至現場安裝。制作好的模板鋼筋穿出預留孔位及尺寸要符合設計要求，并保證縱向鋼筋能順利穿出。

2.3.3 鋼筋及預埋件的安裝

①鋼筋加工及安裝。鋼筋在鋼筋加工場集中下料制作成半成品，運輸到現場進行綁扎。由于鋼筋密集，施工時要認真對照圖紙，并設置好支撐架立筋，保證鋼筋位置的準確，尤其是底板鋼筋層數較多，與支撐筋采用點焊固定，以免在施工中發生移位和下沉。

主筋采用套筒連接，箍筋鋼筋焊接采用搭接焊，焊接時采取防護措施。在頂板模板安裝完成后，進行頂板底層鋼筋的綁扎，當鋼筋與預埋件發生沖突時，適當挪動鋼筋，不得截斷。

②預埋件及預留孔。掛籃施工所有圓形預留孔均采用無縫鋼管預留。拱圈最端頭預留孔道距梁段邊緣距離不得小于50cm。預留管底部采用膠帶密封，每個管道采用至少3 道固定鋼筋，以保證管道位置、角度準確，澆筑混凝土過程中還須采取措施防止發生上浮。

2.3.4 混凝土澆筑及養生

混凝土施工采用混凝土輸送泵將C55 混凝土泵送入模，由低處向高處順序澆筑施工。考慮移管和振搗的時間影響，平均每澆筑一方混凝土約需要3 分鐘。

混凝土澆筑完成待混凝土初凝后及時進行養護，頂板和底板覆蓋土工布并灑水養生。端頭模板在混凝土終凝后即可拆除，并對梁端混凝土面進行鑿毛處理，鑿毛采用風鎬或其它工具，鑿毛標準為將斷面上下層鋼筋間的混凝土表面浮漿全部鑿除露出粗骨料為準，以增加相鄰梁段混凝土的結合力。

2.3.5 掛籃前移施工

①掛籃行走施工工藝流程。掛籃行走施工工藝流程為：掛籃行走施工準備→施工放樣→軌道中心線調平→安裝滑軌并涂抹黃油→安裝行走系統液壓千斤頂及反力座→拆除頂模及側模→拆除豎向絲桿，掛籃及模板系統下降→頂推施工，掛籃與模板系統同步前移→調整系統軸線位置→安裝豎向絲桿→調整掛籃系統標高→后支點千斤頂頂升→安裝后支點鋼箱，調整模板標高→質量檢查驗收。

②掛籃行走施工。前段箱梁澆筑完畢，混凝土強度達到設計要求后，前移掛籃。

3 結論

掛籃作為大跨度鋼筋混凝土懸臂澆筑拱橋的重要臨時結構，承擔著拱圈節段自重及施工臨時荷載的作用，受力性能須滿足規范要求，而由于拱圈截面形式和尺寸不同往往需要單獨進行設計，且難以二次利用造成材料浪費，大大增加了設計時間和施工成本，為此，本文提出采用裝配式掛籃進行大跨度鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑施工，并形成成套的施工技術，可為后續拱橋掛籃的優化設計提供參考和借鑒。