某大橋三角掛籃的與應(yīng)用

PAGEPAGE12某大橋三角掛籃的研究與應(yīng)用一、工程概況該橋全長(zhǎng)1056.84m，中心里程K137+204.245，橋跨布置5×30m+6×50m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，+55m+100m+55m剛構(gòu)，+6×50m+3×30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。1.1孔跨布置主橋：橋跨按通航要求確定的最小孔跨設(shè)計(jì)，采用55+100+55m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)；圖1主橋孔跨布置圖1.2主橋布置主橋上部為55+100+55m連續(xù)剛構(gòu)，直腹板單箱單室箱形截面。墩頂處5.57m高，跨中2.6m，跨中直線段長(zhǎng)2m，邊跨設(shè)5.9m直線段；箱寬6m，兩側(cè)懸臂板寬2.5m，懸臂板外側(cè)厚20cm；頂板最小厚度25cm，橫向坡度3％；底板最小厚度25cm，厚度沿縱向按二次拋物線變化；腹板在靠近主墩處為50cm厚，其余40cm厚。圖2主橋箱梁截面圖二、掛籃設(shè)計(jì)總體構(gòu)思2.1分段施工法的選取與掛籃的演化預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的分段施工法是從預(yù)應(yīng)力原理、箱梁設(shè)計(jì)和懸臂施工法綜合演變而成，從20世紀(jì)80年代箱梁的分段施工法在歐洲誕生以來(lái)，國(guó)內(nèi)外大跨度橋梁多采用此法施工。掛籃懸臂拼裝施工法是由原聯(lián)邦德國(guó)迪威達(dá)克公司創(chuàng)用，因此又稱為“迪威達(dá)克”工法。除懸臂拼裝外，普遍應(yīng)用平衡懸臂澆注法，即橋墩的每一個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)段利用掛籃，對(duì)稱澆注混凝土。懸臂澆注施工法不像滿堂支架法那樣需要大量的施工支架和臨時(shí)設(shè)備，不影響橋下通航，施工不受季節(jié)及河道水位的影響。平衡懸臂澆注法施工的成敗及質(zhì)量控制的優(yōu)劣在于掛籃的施工工藝，它是特大橋梁施工中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。擬建大橋處，雨季河流水量巨大，水位高漲，因此我們選取掛籃懸臂澆注法施工。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁懸臂澆注施工掛籃早期大多采用平行桁架式掛籃，隨著建橋技術(shù)的發(fā)展，掛籃形式出現(xiàn)多樣化，掛籃結(jié)構(gòu)越來(lái)越輕型；受力越來(lái)越合理；施工越來(lái)越方便；施工越來(lái)越廣泛。就掛籃的工作系數(shù)（掛籃總重與懸澆最大梁段的重量比）而言，剛構(gòu)橋的懸臂施工掛籃的演變過(guò)程大致經(jīng)歷了：平行桁架式掛籃、三角型組合梁式、弓弦桁架式、菱形桁架式等階段的變化，2.2掛籃設(shè)計(jì)輕型化掛籃的設(shè)計(jì)向著輕型、重載的方向發(fā)展，可以用主要控制指標(biāo)掛籃工作系數(shù)α來(lái)反映掛籃的設(shè)計(jì)是否優(yōu)化。α＝掛籃總重/澆注節(jié)段重量，α，＝主承重結(jié)構(gòu)（不包括模板）/澆注節(jié)段重量。掛籃工作系數(shù)α值分布一般為0.3～0.5，TZSG－100掛籃α＝450KN/1010KN＝0.45。α值越低，表示承受節(jié)段單位重量使用的掛籃材料越省，整個(gè)掛籃（包括模板）設(shè)計(jì)越合理；α，值越低，表示掛籃主承重構(gòu)件使用的材料越省，設(shè)計(jì)越合理。早期的掛籃α值較大，一般采用桁架式或者掛籃加配重，因此，減輕掛籃自重采用的手段除優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)后，最主要的是不設(shè)平衡重，并改善掛籃走行、錨固、傳力系統(tǒng)。2.3掛籃形式的選取各種類型的掛籃存在不同的有缺點(diǎn)。平行桁架式掛籃大多采用萬(wàn)能桿件拼裝而成，成型快、設(shè)備利用率高，但是這種掛籃變型大，自重很大。弓弦式掛籃剛度好，穩(wěn)定性好，但是掛籃構(gòu)件型號(hào)多，制作較麻煩，計(jì)算較復(fù)雜。菱形掛籃結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、構(gòu)件少，受力明確，空間大，但是構(gòu)件加工拼裝精度要求高，需要專業(yè)廠家和設(shè)備加工。在大橋主橋掛籃的設(shè)計(jì)中，比較以上掛籃結(jié)構(gòu)形式，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的吊裝條件很弱，經(jīng)濟(jì)落后無(wú)加工能力，施工單位施工經(jīng)驗(yàn)不豐富等因素，選取了無(wú)配重三角型組合梁式形式。該掛籃具備以下突出特點(diǎn)：1、掛籃結(jié)構(gòu)重心低。采用三角斜拉組合梁式，特別是與菱形掛籃相比，降低了前橫梁的高度，掛籃重心位置大大降低，從而提高了掛籃走行時(shí)的穩(wěn)定性。2、掛籃采用液壓走行系統(tǒng)。由走道梁、走行支點(diǎn)（前支點(diǎn)滑塊、后支點(diǎn)反扣）、走行千斤頂組成，該系統(tǒng)具有就位準(zhǔn)確、走行速度快、安全可靠穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。3、掛籃取消平衡重的壓重結(jié)構(gòu)。掛籃為克服掛籃前傾覆荷載，在已成型的箱梁腹板內(nèi)預(yù)埋直徑32冷拉IV級(jí)鋼筋作為后錨點(diǎn)，利用接長(zhǎng)裝置錨固于三角架大梁尾端。4、掛籃結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量較輕，拆裝方便。設(shè)計(jì)的三角掛籃大梁、上下橫梁均采用型鋼，重量輕。由于現(xiàn)場(chǎng)的施工條件很差（基本的焊接條件都沒(méi)有），構(gòu)件均用螺栓連接而成，便于構(gòu)件的安裝和拆卸。5、掛籃的通用性較強(qiáng)，只需對(duì)上下橫梁稍作改裝即可用于其他的幅寬和梁高的橋上。三、掛籃設(shè)計(jì)3.1掛籃設(shè)計(jì)構(gòu)造該三角組合梁掛籃主要由承重三角架、底平臺(tái)、吊點(diǎn)及錨固裝置、走行裝置及模板體系等組成?？紤]本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的要求，設(shè)計(jì)按普通輕型掛籃進(jìn)行。掛籃工作系數(shù)（即掛籃自重與箱梁自重之比）控制在0.5以內(nèi)，每個(gè)掛籃主承重結(jié)構(gòu)自重270KN，模板體系180KN，掛籃總重約450KN。澆筑節(jié)段重量以6＃節(jié)段控制，節(jié)段重量約為1010KN。掛籃施工從1＃節(jié)段開(kāi)始，13＃段結(jié)束。0＃節(jié)段施工利用支架現(xiàn)澆。掛籃總體布置見(jiàn)下圖：圖3掛籃總體布置圖3.2掛籃構(gòu)件的力系傳遞邏輯關(guān)系大橋箱梁為單箱單室混凝土箱梁，模板由底模、內(nèi)模、外模組成，作為待澆筑箱梁混凝土的支撐面，模板上的荷載由模板托梁和底平臺(tái)承受，模板托梁和底平臺(tái)上安裝有吊帶（吊桿），通過(guò)吊帶將模板托梁和底平臺(tái)上的混凝土荷載傳遞至掛籃的前、后上橫梁上，而前、后上橫梁的所有荷載都傳遞到三角架系統(tǒng)上，三角架的前支點(diǎn)和后錨點(diǎn)把力再傳給已澆筑梁段的混凝土頂板。下圖為澆筑混凝土?xí)r荷載傳遞關(guān)系圖：圖4掛籃荷載傳遞關(guān)系圖3.3承重三角架系統(tǒng)承重三角架為掛籃懸澆主要承力結(jié)構(gòu)，承重大梁采用拉板式三角架結(jié)構(gòu)，承重大梁通過(guò)前、后錨點(diǎn)支撐于縱向走行滑道上，在大梁的前支點(diǎn)處設(shè)支撐立柱，通過(guò)前后拉板拉緊大梁，形成三角架結(jié)構(gòu)。三角架橫橋向由兩組大梁組成，每組三角架利用橫聯(lián)桁架聯(lián)成整體。掛籃的前移也利用前、后支點(diǎn)完成。掛籃的前后支點(diǎn)共4個(gè)，前支點(diǎn)直接支撐在已澆筑好的混凝土箱梁梁體腹板頂面，后支點(diǎn)通過(guò)箱梁腹板豎向預(yù)埋錨筋錨固固定。3.4底平臺(tái)系統(tǒng)底平臺(tái)系統(tǒng)位于掛籃底部，功能是作為箱梁底部混凝土澆筑的底模承重平臺(tái)，同時(shí)平臺(tái)兩側(cè)也是工人施工側(cè)模和底模的操作平臺(tái)。底平臺(tái)主要由平臺(tái)主梁、旋轉(zhuǎn)支座、水平橫聯(lián)構(gòu)成。其中前支座和后支座分別有前下橫梁和后下橫梁進(jìn)行支承，然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接同掛籃的主吊帶相連。操作平臺(tái)處，由于受力不大，可以用承力較小的螺桿拉結(jié)。圖5底平臺(tái)示意圖由于主橋的箱梁底部沿縱向是按二次拋物線變化的，所以底平臺(tái)在施工時(shí)也要根據(jù)節(jié)段的變化而做相應(yīng)的角度改變。因此，我們?cè)诘灼脚_(tái)處設(shè)置了可旋轉(zhuǎn)的支座，通過(guò)調(diào)節(jié)吊帶的高低，來(lái)控制底平臺(tái)旋轉(zhuǎn)的角度，從而滿足梁型的變化。圖6底平臺(tái)可調(diào)支座圖3.5吊點(diǎn)及錨固裝置吊點(diǎn)裝置為掛籃的主要傳力結(jié)構(gòu)，根據(jù)受力的特性分前后主吊點(diǎn)、前后副吊點(diǎn)、外模前后吊點(diǎn)、內(nèi)模前后吊點(diǎn)幾部分，前端吊點(diǎn)支承于前上橫梁上，后副吊點(diǎn)支承于后上橫梁上，模板后吊點(diǎn)支承于后端已澆筑梁段混凝土橋面上，后主吊點(diǎn)支承于已澆筑梁段混凝土底板上，各吊點(diǎn)均設(shè)調(diào)節(jié)裝置，用于控制調(diào)節(jié)標(biāo)高，各吊點(diǎn)通過(guò)16Mn鋼吊帶（或者是φ32冷拉IV級(jí)鋼筋）與下橫梁連接。吊帶采用千斤頂頂高，然后用鋼板抄墊來(lái)調(diào)節(jié)標(biāo)高；φ32冷拉IV級(jí)鋼筋采用穿心千斤頂調(diào)節(jié)標(biāo)高到位后，用螺母固定。大橋掛籃的錨固裝置，主要有兩部分，一是掛籃的后錨點(diǎn)系統(tǒng)；二是掛籃走行錨固系統(tǒng)。掛籃后錨系統(tǒng)是為克服掛籃前傾覆荷載，在箱梁腹板內(nèi)預(yù)埋φ32冷拉Ⅳ級(jí)鋼筋作為后錨筋，利用接長(zhǎng)裝置錨固于三角架大梁尾端。掛籃走行錨固系統(tǒng)是利用混凝土箱梁的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固走道梁，掛籃走行后支點(diǎn)上拔力也通過(guò)走行滑道傳遞至預(yù)埋筋。圖7掛籃后錨示意圖3.6模板系統(tǒng)掛籃的模板系統(tǒng)主要包括側(cè)模、內(nèi)模、底模和翼緣端模。其中側(cè)模依靠外模托梁由吊桿懸掛于掛籃前后上橫梁上，內(nèi)模也依靠?jī)?nèi)模托梁由吊帶懸掛于掛籃前上橫梁以及已澆梁段上，底模由底平臺(tái)支承，各模板之間用Φ30mm對(duì)拉螺栓固定。圖8箱梁模板體系示意圖側(cè)模的承重主要依靠托梁作為支撐點(diǎn)，在脫模時(shí)也是依靠懸掛托梁的吊桿高低的調(diào)節(jié)，來(lái)控制模板的升降。兩側(cè)的端?？赏ㄟ^(guò)旋轉(zhuǎn)松開(kāi)。圖9側(cè)模立面示意圖內(nèi)模主要由上端可轉(zhuǎn)動(dòng)鋼模和下部散拼木模組成。由于箱梁的上部結(jié)構(gòu)變化較少，所以我們采用了鋼模，從而減少了拆裝的工期。而下部由于變化較大，所以仍然采用木模形式，可以節(jié)省材料。內(nèi)模的脫模可由以下三個(gè)步驟完成：①混凝土達(dá)到拆模強(qiáng)度后，首先拆去下端的木模；②旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿，將內(nèi)模的側(cè)翼收起；③前后內(nèi)模吊點(diǎn)吊帶同時(shí)下降，此時(shí)內(nèi)模托梁也同時(shí)降低，從而將內(nèi)模脫離梁體。圖10內(nèi)模脫模流程圖由于箱梁在5號(hào)節(jié)段開(kāi)始后內(nèi)腔由5米變?yōu)?.2米，因此內(nèi)模也需要隨之相應(yīng)改變。所以我們要在兩塊內(nèi)模1之間再加入附加的寬為200mm的內(nèi)模2，三塊模板之間用鋼板和銷軸連接。圖11內(nèi)模移動(dòng)流程圖3.7掛籃走行系統(tǒng)掛籃走行系統(tǒng)分為承重架走行系統(tǒng)、模板走行系統(tǒng)。承重架走行系統(tǒng)是在兩節(jié)已澆注的箱梁頂面鋪設(shè)鋼板組焊的走道梁，走道梁利用箱梁的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固于箱梁頂面，走道梁頂面放置前、后支點(diǎn)，掛籃走行時(shí)前支點(diǎn)沿走道梁滑行，后支點(diǎn)通過(guò)反扣裝置沿走道梁頂板上緣滑動(dòng)。走行時(shí)不需要加設(shè)平衡重，走道梁分節(jié)向前循環(huán)施工使用；底模、外模以及底平臺(tái)與掛籃同步走行。內(nèi)模待前段箱梁底板和腹板鋼筋綁扎完成后，沿內(nèi)模托梁滑移到位。內(nèi)模的移動(dòng)可以分以下幾步：①掛籃在滑道上走行，連帶內(nèi)模托梁前進(jìn)，內(nèi)模依靠?jī)?nèi)部支撐及吸附力仍處于已澆梁段內(nèi)；②掛籃到位后，先拆去內(nèi)模下端木模，然后上端鋼模通過(guò)可調(diào)支撐收縮下降擱置于托梁上，通過(guò)內(nèi)模上安裝的滾輪沿托梁滑移至待澆位置。圖12內(nèi)模移動(dòng)流程圖四、掛籃受力分析掛籃設(shè)計(jì)不但要滿足掛籃各部件的強(qiáng)度要求，而且應(yīng)該滿足在施工過(guò)程中抗傾覆和穩(wěn)定的要求，掛籃應(yīng)具有足夠的剛度，應(yīng)使掛籃的總體變形較小，便于在施工中調(diào)整主梁變形曲線。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行了嚴(yán)格的計(jì)算。4.1掛籃受力體系及空間模型的建立根據(jù)掛籃的受力特點(diǎn)，我們?cè)谟?jì)算分析中采用空間有限元進(jìn)行彈性分析，模擬主要采用桿、梁、板單元。（1）其中三角型承重架主要桿件比如縱梁、橫梁、模板托梁等設(shè)計(jì)中采用型鋼組合截面，主要產(chǎn)生平面變形和內(nèi)力，計(jì)算中采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬。（2）吊桿、吊帶、拉板截面變化不大，主要承受軸向荷載，計(jì)算中采用桿件單元進(jìn)行模擬。（3）掛籃的模板在結(jié)構(gòu)中起到傳遞混凝土荷載的作用，厚度不大，面板采用板殼單元。對(duì)于模板上混凝土荷載采用面荷載額方式加載。（4）掛籃計(jì)算模型邊界條件，掛籃同已澆注梁段混凝土連接的地方，采用鉸接的方式。（5）本計(jì)算采用MIDAS/Gen有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形計(jì)算。圖13空間計(jì)算模型示意4.2掛籃荷載工況（1）掛籃主要荷載情況箱梁混凝土荷載：由于本橋箱梁澆注長(zhǎng)度分別位3m、3.5m、4m共3種情況，其中6＃段箱梁混凝土重量最大，澆注長(zhǎng)度為4米，對(duì)掛籃構(gòu)件的受力最為不利，因此計(jì)算中我們按照6＃段箱梁混凝土荷載情況考慮。澆注長(zhǎng)度為4m的6＃箱梁，箱梁混凝土自重1010KN。施工機(jī)具及人群荷載45KN。掛籃結(jié)構(gòu)自重450KN。風(fēng)荷載取6級(jí)、10級(jí)風(fēng)分別計(jì)算，根據(jù)柬埔寨當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)情況，風(fēng)速較小，沒(méi)有臺(tái)風(fēng)等惡劣性天氣。（2）荷載組合荷載組合Ⅰ：掛籃結(jié)構(gòu)自重＋風(fēng)荷載（6級(jí)）荷載組合Ⅱ：掛籃結(jié)構(gòu)自重＋砼自重＋施工機(jī)具及人群荷載＋風(fēng)荷載（6級(jí)）荷載組合Ⅲ：掛籃結(jié)構(gòu)自重＋砼自重＋施工機(jī)具及人群荷載＋風(fēng)荷載（10級(jí)）荷載組合Ⅳ：掛籃結(jié)構(gòu)自重＋施工機(jī)具及人群荷載＋風(fēng)荷載（6級(jí)）其中荷載組合Ⅰ用于自重狀態(tài)下的驗(yàn)算；荷載組合Ⅱ～Ⅲ用于澆筑箱梁混凝土?xí)r掛籃強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算；荷載組合Ⅳ用于掛籃走行驗(yàn)算。掛籃拼裝及掛籃走行時(shí)應(yīng)有防風(fēng)措施，遇6級(jí)大風(fēng)掛籃拼裝及掛籃走行應(yīng)停止作業(yè)，遇大風(fēng)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)防風(fēng)措施確保掛籃安全。4.3構(gòu)件的選用和優(yōu)化根據(jù)我們建立的各種計(jì)算模型，分析最不利荷載的作用，選取適當(dāng)?shù)牟牧虾蜆?gòu)件，不僅要考慮應(yīng)力是否滿足要求，同時(shí)考慮桿件的壓桿穩(wěn)定、構(gòu)造要求、變形要求及加工方便等，選取了普通鋼材和16Mn鋼材、采用φ32冷拉Ⅳ級(jí)鋼筋，在保證安全的范圍內(nèi)追求掛籃工作系數(shù)最小化。比如對(duì)于受力不大的后上橫梁，由原來(lái)的40＃工字鋼改用32＃工字鋼，使掛籃的受力更合理，重量更小。再比如，結(jié)合計(jì)算模型，對(duì)掛籃后錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，使兩根后錨鋼筋的受力比較均勻。4.4計(jì)算結(jié)果及分析根據(jù)掛籃各構(gòu)件的受力情況，我們采用MIDAS/Gen有限元軟件，對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度校核、壓桿穩(wěn)定驗(yàn)算、節(jié)點(diǎn)板的驗(yàn)算以及構(gòu)件撓度的計(jì)算，結(jié)果均滿足要求。詳細(xì)結(jié)果如下表所示。表1主要構(gòu)件應(yīng)力有限元分析結(jié)果編號(hào)測(cè)點(diǎn)位置走行階段（MPPa）澆筑階段（MPPa）1前上橫梁8.876.92前下橫梁8.287.63后下橫梁9.387.14前吊帶10117.65后吊帶8.71096大梁8.065.67后拉板2078.28后錨吊帶9.643.99后錨螺紋鋼28.6218掛籃的彈性變形值如下