某高鐵橋梁掛籃施工方案優(yōu)化研究

陳廣樹

(遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽市 110006)

掛籃是懸臂施工中的主要設(shè)備，在現(xiàn)階段普遍應(yīng)用于現(xiàn)澆梁的施工中，尤其是在橋梁墩身較高、跨河流峽谷等工程項(xiàng)目中。掛籃按結(jié)構(gòu)形式可分為桁架式、斜拉式、型鋼式及混合式4種。由于混凝土懸臂施工工藝及設(shè)計(jì)圖紙對(duì)掛籃的要求各有不同，在進(jìn)行施工方案選擇和確定掛籃形式上有比較大的靈活性。綜合比較各種形式掛籃特點(diǎn)、重量、采用鋼材類型、施工工藝等，在施工過程中重點(diǎn)考慮經(jīng)濟(jì)合理、結(jié)構(gòu)安全、操作便捷的掛籃模式。根據(jù)各種掛籃自身特點(diǎn)以及施工過程中的不斷應(yīng)用，同時(shí)伴隨施工掛籃的設(shè)計(jì)組裝大部分均已實(shí)現(xiàn)外包的趨勢(shì)，現(xiàn)有掛籃主要以桁架式掛籃為主。桁架式掛籃以自重輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固穩(wěn)定、前移和裝拆方便、具有較強(qiáng)的可重復(fù)利用性，受力后變形小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。在桁架式掛籃使用過程中又以菱形和三角形掛籃使用居多，平行桁架掛籃相對(duì)較少。對(duì)于斜拉式、型鋼式及混合式桁架只有在一些特定情況下才使用，普通項(xiàng)目施工過程中很難接觸到。

1 工程概況

某高鐵特大橋起訖里程DK74+891.50～DK79+679.40，共146跨，56～59#墩為跨姜夏公路(32+48+32)m連續(xù)梁，連續(xù)梁一聯(lián)全長(zhǎng)113.5m(含兩側(cè)梁端至邊支座中心各0.75m)；有碴軌道雙線橋面，橋面板寬度12.2m，左右線間距4.6m，防撞墻內(nèi)側(cè)凈寬8.8m，連續(xù)梁位于半徑R=9000m的圓曲線上，橋面縱向?yàn)?。

連續(xù)梁梁體為單箱單室、斜腹板、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.2m，箱梁底寬5.0～5.5m，頂板除梁端為60cm外其余均為40cm；底板厚度40～80cm，按折線變化，其中端支點(diǎn)為60cm；腹板厚48～60～80cm，按折線變化，中支點(diǎn)處腹板局部加厚到145cm。全聯(lián)在端支點(diǎn)、中跨跨中及中支點(diǎn)處共設(shè)置5道橫隔板，中設(shè)孔洞供檢查人員通過。中支點(diǎn)處梁高4.05m，跨中8.4m直線段、邊跨12.95m直線段梁高為3.05m，梁底下緣按二次拋物線變化，邊支座中心線距梁端0.75m。

連續(xù)梁部分為31個(gè)節(jié)段，其中2個(gè)0#、1#塊梁段在中墩正上方，長(zhǎng)6m采用支架現(xiàn)澆；4個(gè)2#～6#梁段為懸臂梁段，采用掛籃懸臂澆注法施工，2#～6#梁段長(zhǎng)度為5×3.45m；2個(gè)8#梁段長(zhǎng)8m采用支架現(xiàn)澆；兩個(gè)邊跨合龍段及1個(gè)中跨合龍段，合龍段長(zhǎng)度均為1.5m。

2 掛籃方案比選

理想的掛籃應(yīng)從施工安全可靠，施工費(fèi)用小，施工拼裝進(jìn)度快、混凝土灌注施工中變形小等特點(diǎn)進(jìn)行考慮。由于我國工程建筑的特點(diǎn)，施工掛籃大多由施工單位自行開發(fā)設(shè)計(jì)、制造。但是隨著現(xiàn)代施工的精細(xì)化過程不斷深入，有專門的掛籃公司根據(jù)施工單位的要求承接掛籃的設(shè)計(jì)、制造和指導(dǎo)安裝工作，極大減輕了施工單位的工作任務(wù)。桁架掛籃大致分為兩類。一類是利用型鋼加工焊制的梁作主梁,設(shè)計(jì)成型鋼加拉索菱形或者是三角形掛籃。該型掛籃一般靠后端行走輪與軌道板上沿的支持力來平衡前端傾覆力矩。這類掛籃具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量較輕、受力明確、安裝走行方便、拆卸工作量小等優(yōu)點(diǎn),已在各種公路大橋和鐵路大橋中廣泛應(yīng)用。這類掛籃一般只能專用,不能改作他用。另一類是利用常備的萬能桿件設(shè)計(jì)拼裝成下承式或上承式析架掛籃。這類掛籃采用萬能桿件進(jìn)行拼裝而成,能夠反復(fù)拆卸，通用性好,且剛度大,不足的是自重較大，由于結(jié)點(diǎn)較多，則非彈性變形也較大，對(duì)于混凝土施工過程中的附加變形不好控制。上述兩類掛籃雖形式不同,構(gòu)造各異,但其受力原理基本相同。通常將掛籃的主梁安置在已成箱梁的腹板上,主梁懸出一定長(zhǎng)度,且在其上安裝垂直或斜拉吊桿帶,吊拉住前托梁及模板系統(tǒng)。灌注混凝土?xí)r,掛籃后部用錨桿筋系統(tǒng)或平衡重,防止掛籃傾覆。掛籃走行時(shí),解除錨固系統(tǒng)與掛籃的聯(lián)接,依靠主梁錨桿筋或平衡系統(tǒng)平衡空模走行時(shí)產(chǎn)生的傾覆力。在進(jìn)行掛籃施工過程中，對(duì)掛籃后部進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)是整個(gè)施工過程中安全施工的關(guān)鍵所在。

3 掛籃優(yōu)化

在本項(xiàng)目施工過程中，對(duì)掛籃的技術(shù)要求為：適應(yīng)最大梁段重145t；適應(yīng)最大梁段長(zhǎng)4.0m；梁高變化范圍為3.05～6.65m；最大梁寬：頂板12.2m、底板6.34m；走行方式為無平衡重走行。荷載組合模式：

荷載組合Ⅰ：混凝土自重+動(dòng)力附加荷載+模板自重+人群荷載和機(jī)具設(shè)備重；

荷載組合Ⅱ：混凝土自重+模板自重+人群荷載和機(jī)具設(shè)備重；

荷載組合Ⅲ：掛籃自重+沖擊附加荷載+風(fēng)載

荷載組合Ⅰ用于掛籃承重系統(tǒng)強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算；荷載組合Ⅱ用于剛度計(jì)算；荷載組合Ⅲ用于掛籃行走計(jì)算。

箱梁在中截面斷面如圖1所示：

圖1 箱梁分片位置圖

箱梁2#塊荷載計(jì)算表:節(jié)段梁長(zhǎng)L=3.45m，為計(jì)算方便，節(jié)段梁高變化忽略不計(jì)。取沖擊系數(shù)K1=1.2，混凝土增大系數(shù)K2=1.1，則K=K1×K2=1.32，鋼筋混凝土密度σ=26kN/m3。見表1。

表1 箱梁分片面積及重量表

主桁架對(duì)內(nèi)力進(jìn)行簡(jiǎn)化，其結(jié)點(diǎn)荷載為600kN，施加在桁架的最前端，在考慮掛籃最大承重過程中按照荷載組合Ⅰ進(jìn)行內(nèi)力相關(guān)計(jì)算，按照荷載組合Ⅱ進(jìn)行相關(guān)變形計(jì)算。主桁架內(nèi)力與位移結(jié)果對(duì)比分析如圖2～圖7所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)位移計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)各支架的位移最大位置相同。標(biāo)準(zhǔn)三角支架最大位移為16.9mm，改進(jìn)三角形支架的最大位移值為13.5mm，菱形支架的最大位移值為14.6mm，超過三角形支架，可見菱形支架的變形整體更靠前和靠下，在實(shí)際施工過程中的變形預(yù)留要更大些。應(yīng)力方面：三角形支架的最大拉應(yīng)力為102MPa，最大壓應(yīng)力為98MPa。菱形支架的最大拉應(yīng)力為102MPa，最大壓應(yīng)力為109MPa。兩者拉壓的最大值差別均不大，但是最大壓應(yīng)力出現(xiàn)的位置有差別。三角形支架最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在豎桿位置，菱形支架最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在前端斜支撐桿上。由于斜桿的計(jì)算長(zhǎng)度較豎桿大，因此更容易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，綜合比較三角形掛籃更合理。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)三角形支架結(jié)構(gòu)位移圖

4 結(jié)論

通過對(duì)兩種形式的掛籃進(jìn)行內(nèi)力和變形分析，可以得到以下結(jié)論：

圖3 改進(jìn)三角形支架結(jié)構(gòu)位移圖

圖4 菱形支架結(jié)構(gòu)位移圖

圖5 標(biāo)準(zhǔn)三角形支架結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

圖6 改進(jìn)三角形支架結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

(1)三角形掛籃變形較小，說明結(jié)構(gòu)具有良好剛度。

(2)兩種類型掛籃主結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力差別不大，但是應(yīng)力分布差別較大。

(3)菱形掛籃更容易出現(xiàn)參數(shù)穩(wěn)定性問題。

圖7 菱形支架結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

模型在內(nèi)力和變形響應(yīng)方面的研究至此便基本完成，并通過對(duì)各自結(jié)果的分項(xiàng)分析和各結(jié)果之間的比較分析，得到了掛籃荷載受力的一些規(guī)律，為以后的繼續(xù)研究打下基礎(chǔ)。由于本文的結(jié)果是通過有限元數(shù)值所得到，故具有一定的局限性，最好通過試驗(yàn)研究的方法與之進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)多余計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，使分析結(jié)果更加真實(shí)科學(xué)。掛籃在實(shí)際的比選過程中不光考慮內(nèi)力和變形因素，還有很多其他方面的因素要考慮。比如三角掛籃的工作面高度小于菱形掛籃，在施工作業(yè)過程中可能不太利于機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)運(yùn)等等。又比如在掛籃拼裝的難易程度等其他方面也是考慮的一些方面，因此在實(shí)際施工過程中應(yīng)該綜合考慮各個(gè)方面，比選出最優(yōu)方案，同時(shí)再根據(jù)應(yīng)力集中部分調(diào)整局部構(gòu)件的尺寸，合理分?jǐn)偤奢d，保證荷載傳遞的可靠性，從而設(shè)計(jì)出的掛籃更加合理可靠。