培森柳江特大橋寬幅箱梁弓弦式菱形掛籃設計分析

摘要：文章以培森柳江特大橋為背景，提出了一種適用于部分斜拉橋寬幅箱梁施工的新型弓弦式菱形掛籃。通過Midas Civil有限元軟件對掛籃進行了結構計算，分析了多種不利工況下掛籃的受力變形情況，并對掛籃施工中的變形情況進行了實時監測。結果表明，該弓弦式菱形掛籃結構設計合理，在不同工況下受力變形滿足規范及設計要求，可為同行業類似工程設計施工提供參考。

關鍵詞：部分斜拉橋；懸臂澆筑法；掛籃；有限元分析

中圖分類號：U445.466A311034

0 引言

掛籃是橋梁梁體懸臂澆筑施工的專用設備［1-2］。1950年，德國的Dr.Finsterwalder設計了世界首座懸臂掛籃分段澆筑施工預應混凝土梁橋，此后，懸臂澆筑工法得到不斷改進、完善。我國從20世紀70年代開始引進掛籃懸臂澆筑施工法修建橋梁，近年來發展迅速，目前已廣泛應用于大跨徑混凝土橋梁的施工中［3］。

在部分斜拉橋掛籃設計施工方面，于藝林等［4］在東洲湘江大橋施工中，基于既有箱梁BIM模型，將其導入Midas Civil軟件中進行有限元分析，對掛籃各階段進行模擬。周偉明［5］采用Solid Works軟件，基于容許應力法對，對徐明高速公路新汴河大橋長懸臂箱梁掛進行了系統力學分析。邱學良［6］在惠青黃河公路大橋施工中，設計四主桁三角掛籃解決箱梁結構漸變問題。賴祺宇等［7］利用Midas Civil軟件，通過結構模型與實際實施工程的數據對比，對塔墩固結、塔梁分離結構的主梁受力特性進行分析，總結了相應施工及控制技術。王海戰［8］在岐江河大橋施工中，設計使用了新型三角輕型掛籃，有效地減輕了施工設備的自重。

掛籃在部分斜拉橋工程建設上有較多應用，但其設計具有較強的針對性，不同橋梁梁體截面形式、尺寸等不同使掛籃很難混用。由此，本文基于培森柳江特大橋工程，提出了一種適用于大部分斜拉橋寬幅箱梁施工的復合式掛籃。

1 工程概況

培森柳江特大橋位于廣西來賓市象州縣境內，主橋全長570 m，跨徑布置為145 m+280 m+145 m，是目前世界在建的最大跨徑公路預應力混凝土部分斜拉橋。橋梁效果圖如圖1所示。

本橋主梁采用單箱三室箱梁構造形式，箱梁底板寬度為20 m，頂板寬度為29 m，箱梁高度按1.8次拋物線從11.5m向4.5 m變化。箱梁共劃分有37個節段，分別為0#現澆段、1#～35#懸澆段、36#合龍段及37#邊跨現澆段。其中，0#梁段長12 m，1～7#梁段長3 m，8#～35#梁段長4 m，合龍梁段長2 m，邊跨現澆梁段長3.82 m。懸澆段中1#梁段為最大懸澆節段，該節段梁高11.5 m、梁段體積為277.02 m3、總重量達720.26 t，如此大尺寸、大質量的寬幅箱梁懸澆施工對掛籃設計提出了極高的要求。

2 掛籃設計

本文根據培森柳江特大橋的主梁構造特點、荷載情況等，力圖在保證承載力的基礎上簡化掛籃結構，對掛籃展開了精細化設計。掛籃結構包含主桁系統、錨固系統、懸吊系統、行走系統、底籃系統、模板系統等部分。掛籃構造如圖2所示。

2.1 主桁系統

考慮箱梁整體寬度為29 m，常規的兩片主桁架在受力與構造上均無法滿足使用要求，因此選擇采用四桁架設計，桁架間通過設置剪刀撐橫聯連結形成整體。同時，由于8#～35#梁段長度達4 m，菱形桁架在前方懸臂長又吊重大時可能出現結構安全問題，故而設計使用由兩榀三角桁架桿、弦桿及銷軸連接組成的弓形主桁架，以此提高主桁的整體穩定性和剛度。主桁系統構造如圖3所示。

2.2 行走與錨固系統

掛籃行走系統主要由行走劃船、行走小車、反勾保護裝置及軌道等組成。為保證掛籃行走過程中主桁架前移的同步性，采用1機4頂的高精度液壓同步穿心千斤頂作為掛籃行走的動力系統。

掛籃靜止時，在單榀桁架尾部安裝扁擔梁穿設精軋螺紋鋼通過箱梁預留孔位進行錨固，擔梁上設置千斤頂反壓調整掛籃懸臂端的撓度；掛籃行走時，拆除桁架扁擔梁，使掛籃自然前傾并通過反扣輪扣在軌道上，此時由軌道提供錨固力，軌道上按一定間距安裝軌道壓梁，通過穿設精軋螺紋鋼錨固在已澆筑梁段上，從而保證整體穩定性。

2.3 懸吊系統

考慮掛籃整體受力較大，掛籃前懸吊需承擔較大比例梁段荷載，因而采用8組截面尺寸為220 mm×40 mm的剛吊帶進行懸吊，以最大程度減輕吊帶豎向變形；掛籃后懸吊則采用32 mm精軋螺紋鋼吊桿。每條吊帶（吊桿）均裝有扁擔梁，通過2臺30 t螺旋千斤頂頂升進行高度調節。

2.4 模板系統

綜合考慮箱梁結構特殊性和模板使用率及重量，外模采用大塊不銹鋼模板設計，面板采用6 mm不銹鋼板、模板橫肋為8#槽鋼、模板豎肋為10 mm扁鋼、大背楞采用雙拼10#槽鋼。為確保主箱梁施工線型及質量，外模采用外架進行加強，外架采用10#槽鋼制作，通過與模板背楞連接成整體來增強穩定性。

由于箱梁內部空心箱室三維尺寸及上下倒角等構造尺寸隨梁長而變化，且在斜拉索錨固梁段設計有橫隔板，不利于模板周轉，故而內箱模板采用小塊鋁合金模板。內模設計綜合考慮全梁段結構的統一性和差異性，主要分成3種類型，即標準模板、調節模板和異形模板。腹板、橫隔板和頂板的平面結構采用標準模板，過人孔、倒角和齒塊的空間結構采用異形模板、過渡區域采用調節模塊，各類型模板按便于組合裝拆轉移的尺寸進行設計，模塊最大尺寸為120 cm×60 cm，最大重量約為25 kg，方便人工搬運進出過人孔。

3 掛籃計算分析

結構設計完成后，采用Midas Civil軟件建立掛籃進行受力分析驗算。有限元模型中各個桿件均采用梁單元模擬，并忽略相鄰桿件由于搭接錯動所產生的微量位置偏移，同時對于掛籃連接節點異性截面，采用等效的截面形式。

3.1 設計參數

掛籃設計參數見表1。

3.2 荷載分配

箱梁頂板、內模及外側模板荷載由掛籃內、外滑梁承擔，箱梁腹板及底板荷載則由底籃縱梁承擔，二者承擔荷載并分別傳遞至掛籃前上橫梁和箱梁已澆筑完成梁段上。梁體荷載空間分布如圖4所示。

3.3 計算工況

根據施工實際情況，模擬驗算1#塊（無索區最重梁段）混凝土澆筑、掛籃行走和11#塊（有索區最重梁段）混凝土澆筑3種工況（見圖5），具體工況和荷載組合選擇如下：

（1）工況1：1#梁段（3 m）混凝土澆筑。

荷載選擇：①掛籃自重+②新澆混凝土自重＋③新澆混凝土對模板側壓力+④人群機具荷載＋⑤混凝土振搗荷載＋⑥風荷載。

荷載組合：1.2×（①+②+③）+1.4×（④+⑤+⑥）。

（2）工況2：掛籃行走階段。

荷載選擇：①掛籃自重+⑥風荷載。

荷載組合：1.2×①+1.4×⑥。

（3）工況3：11#梁段（4 m）混凝土澆筑。

荷載選擇：①掛籃自重+②新澆混凝土自重＋③新澆混凝土對模板側壓力+④人群機具荷載＋⑤混凝土振搗荷載＋⑥風載。

荷載組合：1.2×（①+②+③）+1.4×（④+⑤+⑥）。

3.4 計算結果

各工況有限元模型計算結果如表2～4所示。

由表2～4可知，3個掛籃施工的最不利工況下，掛籃結構應力、變形均小于設計值。其中，工況1下掛籃變形量最大，為18.41 mm，結合圖6可知，最大變形發生于底籃中部縱梁處。針對此種情況，對該部位工字鋼縱梁額外加焊加勁板，以提升其抗彎、剪強度，增加變形抵抗能力。

工況3下的掛籃懸吊系統鋼吊帶拉應力最大，為121.83 MPa，此時吊帶強度：σmax=108.50＜315 MPa，安全系數n=315÷107.84×1.2=3.48＞2滿足規范要求。掛籃錨固系統精軋螺紋鋼吊桿在兩個澆筑工況下，最大拉應力分別為416.07 MPa及414.55 MPa，此時吊桿及錨桿強度：σmax=416.07＜930 MPa，安全系數n=930÷416.07×1.2=2.68gt; 滿足規范要求。

根據各工況計算結果對比可知，工況3下主桁后錨反力最大，為1 094.8 kN。本掛籃單片主桁架后端設置4根屈服點為930 MPa的32 mm精軋螺紋鋼筋，單根精軋螺紋鋼筋應力為：

σmax=（F／Amin）=（1 094 800）／（4×3.14×162）=340.49 MPa

因此，安全系數為K=930÷340.49×1.2=3.28gt; 滿足施工規范要求。

4 掛籃變形監測

設計完成并對各工況下掛籃模擬計算無誤后，即進行掛籃懸臂澆筑施工。掛籃安裝完成后，在底籃上沿橫橋向以4 m間距均勻布置6個監測點，對掛籃澆筑過程，底籃變形情況進行實時監測，1#～9#塊段混凝土澆筑前后底籃標高監測數據如圖7所示。

由圖7可知，1#～9#塊段澆筑前后底籃平均沉降量為6.8 mm，最大沉降量為14 mm，掛籃變形在規范及設計允許范圍內，且數據優于有限元計算結果，說明本掛籃結構設計合理，受力性能優越。

5 結語

本文針對培森柳江特大橋橋幅寬、節段重量大等特點，提出了一種新型弓弦式菱形掛籃。利用Midas Civil軟件對掛籃結構進行了分析計算，并對箱梁懸臂澆筑施工過程進行了實時監測。結果表明，本弓弦式菱形掛籃設計合理，具有強度高、剛度大、受力明確等特點，滿足規范及培森柳江特大橋施工要求，可為后續類似工程設計施工提供參考。

參考文獻

［1］韓友美，楊伯鋼.車載LiDAR技術市政道路測量高程精度控制［J］.測繪通報，2013（8）：18-2 35.

［2］宋 楊，曾凡洋，高志國.移動道路測量技術在數字城管建設中的應用［J］.測繪工程，2016，25（2）：42-46.

［3］賀建端.連續梁懸臂澆筑施工的關鍵技術［J］.城市道橋與防洪，2011（5）：127-13 244.

［4］于藝林，陳 峰，王 展，等.基于BIM技術的寬幅矮塔斜拉橋三角掛籃設計優化［C］.中國土木工程學會2018年學術年會論文集，2018.

［5］周偉明.矮塔斜拉橋長懸臂箱梁掛籃設計與施工［J］.安徽建筑，2014，21（2）：95-97.

［6］邱學良.山東惠青公路矮塔斜拉橋施工關鍵技術［J］.四川建筑，2013，33（1）：119-12 124.

［7］賴祺宇，曹向東，閆林強，等.東寶河矮塔斜拉橋懸臂澆筑施工及控制技術［J］.公路，2014，59（10）：59-62.

［8］王海戰.矮塔部分斜拉橋主橋施工技術［J］.鐵道標準設計，2006（2）：71-73.

收稿日期：2023-10-08

基金項目：2020年度交通運輸行業重點科技項目“特大跨徑寬幅部分斜拉橋綠色快速建造關鍵技術研究”（編號：2020-MSI-007）

作者簡介：龍誠璧（1995—），碩士，工程師，主要從事橋梁工程設計及施工技術管理工作。