某大橋三角掛籃的與應用

PAGEPAGE12某大橋三角掛籃的研究與應用一、工程概況該橋全長1056.84m，中心里程K137+204.245，橋跨布置5×30m+6×50m預應力混凝土T梁，+55m+100m+55m剛構，+6×50m+3×30m預應力混凝土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計，采用55+100+55m預應力混凝土連續(xù)剛構；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，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2m，邊跨設5.9m直線段；箱寬6m，兩側懸臂板寬2.5m，懸臂板外側厚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、掛籃設計總體構思2.1分段施工法的選取與掛籃的演化預應力混凝土橋梁的分段施工法是從預應力原理、箱梁設計和懸臂施工法綜合演變而成，從20世紀80年代箱梁的分段施工法在歐洲誕生以來，國內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邦德國迪威達克公司創(chuàng)用，因此又稱為“迪威達克”工法。除懸臂拼裝外，普遍應用平衡懸臂澆注法，即橋墩的每一個設計節(jié)段利用掛籃，對稱澆注混凝土。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設備，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關鍵技術。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。預應力混凝土連續(xù)梁懸臂澆注施工掛籃早期大多采用平行桁架式掛籃，隨著建橋技術的發(fā)展，掛籃形式出現多樣化，掛籃結構越來越輕型；受力越來越合理；施工越來越方便；施工越來越廣泛。就掛籃的工作系數（掛籃總重與懸澆最大梁段的重量比）而言，剛構橋的懸臂施工掛籃的演變過程大致經歷了：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掛籃設計輕型化掛籃的設計向著輕型、重載的方向發(fā)展，可以用主要控制指標掛籃工作系數α來反映掛籃的設計是否優(yōu)化。α＝掛籃總重/澆注節(jié)段重量，α，＝主承重結構（不包括模板）/澆注節(jié)段重量。掛籃工作系數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，整個掛籃（包括模板）設計越合理；α，值越低，表示掛籃主承重構件使用的材料越省，設計越合理。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)化受力結構后，最主要的是不設平衡重，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。平行桁架式掛籃大多采用萬能桿件拼裝而成，成型快、設備利用率高，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，但是掛籃構件型號多，制作較麻煩，計算較復雜。菱形掛籃結構比較簡單、構件少，受力明確，空間大，但是構件加工拼裝精度要求高，需要專業(yè)廠家和設備加工。在大橋主橋掛籃的設計中，比較以上掛籃結構形式，考慮到施工現場的吊裝條件很弱，經濟落后無加工能力，施工單位施工經驗不豐富等因素，選取了無配重三角型組合梁式形式。該掛籃具備以下突出特點：1、掛籃結構重心低。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（前支點滑塊、后支點反扣）、走行千斤頂組成，該系統(tǒng)具有就位準確、走行速度快、安全可靠穩(wěn)定性高等優(yōu)點。3、掛籃取消平衡重的壓重結構。掛籃為克服掛籃前傾覆荷載，在已成型的箱梁腹板內預埋直徑32冷拉IV級鋼筋作為后錨點，利用接長裝置錨固于三角架大梁尾端。4、掛籃結構簡單，重量較輕，拆裝方便。設計的三角掛籃大梁、上下橫梁均采用型鋼，重量輕。由于現場的施工條件很差（基本的焊接條件都沒有），構件均用螺栓連接而成，便于構件的安裝和拆卸。5、掛籃的通用性較強，只需對上下橫梁稍作改裝即可用于其他的幅寬和梁高的橋上。三、掛籃設計3.1掛籃設計構造該三角組合梁掛籃主要由承重三角架、底平臺、吊點及錨固裝置、走行裝置及模板體系等組成?？紤]本橋的結構特點并結合施工簡便、經濟的要求，設計按普通輕型掛籃進行。掛籃工作系數（即掛籃自重與箱梁自重之比）控制在0.5以內，每個掛籃主承重結構自重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)段開始，13＃段結束。0＃節(jié)段施工利用支架現澆。掛籃總體布置見下圖：圖3掛籃總體布置圖3.2掛籃構件的力系傳遞邏輯關系大橋箱梁為單箱單室混凝土箱梁，模板由底模、內模、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承受，模板托梁和底平臺上安裝有吊帶（吊桿），通過吊帶將模板托梁和底平臺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，三角架的前支點和后錨點把力再傳給已澆筑梁段的混凝土頂板。下圖為澆筑混凝土時荷載傳遞關系圖：圖4掛籃荷載傳遞關系圖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構，承重大梁采用拉板式三角架結構，承重大梁通過前、后錨點支撐于縱向走行滑道上，在大梁的前支點處設支撐立柱，通過前后拉板拉緊大梁，形成三角架結構。三角架橫橋向由兩組大梁組成，每組三角架利用橫聯桁架聯成整體。掛籃的前移也利用前、后支點完成。掛籃的前后支點共4個，前支點直接支撐在已澆筑好的混凝土箱梁梁體腹板頂面，后支點通過箱梁腹板豎向預埋錨筋錨固固定。3.4底平臺系統(tǒng)底平臺系統(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，同時平臺兩側也是工人施工側模和底模的操作平臺。底平臺主要由平臺主梁、旋轉支座、水平橫聯構成。其中前支座和后支座分別有前下橫梁和后下橫梁進行支承，然后通過節(jié)點連接同掛籃的主吊帶相連。操作平臺處，由于受力不大，可以用承力較小的螺桿拉結。圖5底平臺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，所以底平臺在施工時也要根據節(jié)段的變化而做相應的角度改變。因此，我們在底平臺處設置了可旋轉的支座，通過調節(jié)吊帶的高低，來控制底平臺旋轉的角度，從而滿足梁型的變化。圖6底平臺可調支座圖3.5吊點及錨固裝置吊點裝置為掛籃的主要傳力結構，根據受力的特性分前后主吊點、前后副吊點、外模前后吊點、內模前后吊點幾部分，前端吊點支承于前上橫梁上，后副吊點支承于后上橫梁上，模板后吊點支承于后端已澆筑梁段混凝土橋面上，后主吊點支承于已澆筑梁段混凝土底板上，各吊點均設調節(jié)裝置，用于控制調節(jié)標高，各吊點通過16Mn鋼吊帶（或者是φ32冷拉IV級鋼筋）與下橫梁連接。吊帶采用千斤頂頂高，然后用鋼板抄墊來調節(jié)標高；φ32冷拉IV級鋼筋采用穿心千斤頂調節(jié)標高到位后，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，在箱梁腹板內預埋φ32冷拉Ⅳ級鋼筋作為后錨筋，利用接長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應力鋼筋錨固走道梁，掛籃走行后支點上拔力也通過走行滑道傳遞至預埋筋。圖7掛籃后錨示意圖3.6模板系統(tǒng)掛籃的模板系統(tǒng)主要包括側模、內模、底模和翼緣端模。其中側模依靠外模托梁由吊桿懸掛于掛籃前后上橫梁上，內模也依靠內模托梁由吊帶懸掛于掛籃前上橫梁以及已澆梁段上，底模由底平臺支承，各模板之間用Φ30mm對拉螺栓固定。圖8箱梁模板體系示意圖側模的承重主要依靠托梁作為支撐點，在脫模時也是依靠懸掛托梁的吊桿高低的調節(jié)，來控制模板的升降。兩側的端?？赏ㄟ^旋轉松開。圖9側模立面示意圖內模主要由上端可轉動鋼模和下部散拼木模組成。由于箱梁的上部結構變化較少，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。內模的脫?？捎梢韵氯齻€步驟完成：①混凝土達到拆模強度后，首先拆去下端的木模；②旋轉調節(jié)螺桿，將內模的側翼收起；③前后內模吊點吊帶同時下降，此時內模托梁也同時降低，從而將內模脫離梁體。圖10內模脫模流程圖由于箱梁在5號節(jié)段開始后內腔由5米變?yōu)?.2米，因此內模也需要隨之相應改變。所以我們要在兩塊內模1之間再加入附加的寬為200mm的內模2，三塊模板之間用鋼板和銷軸連接。圖11內模移動流程圖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鋼板組焊的走道梁，走道梁利用箱梁的豎向預應力鋼筋錨固于箱梁頂面，走道梁頂面放置前、后支點，掛籃走行時前支點沿走道梁滑行，后支點通過反扣裝置沿走道梁頂板上緣滑動。走行時不需要加設平衡重，走道梁分節(jié)向前循環(huán)施工使用；底模、外模以及底平臺與掛籃同步走行。內模待前段箱梁底板和腹板鋼筋綁扎完成后，沿內模托梁滑移到位。內模的移動可以分以下幾步：①掛籃在滑道上走行，連帶內模托梁前進，內模依靠內部支撐及吸附力仍處于已澆梁段內；②掛籃到位后，先拆去內模下端木模，然后上端鋼模通過可調支撐收縮下降擱置于托梁上，通過內模上安裝的滾輪沿托梁滑移至待澆位置。圖12內模移動流程圖四、掛籃受力分析掛籃設計不但要滿足掛籃各部件的強度要求，而且應該滿足在施工過程中抗傾覆和穩(wěn)定的要求，掛籃應具有足夠的剛度，應使掛籃的總體變形較小，便于在施工中調整主梁變形曲線。因此我們在設計過程中，進行了嚴格的計算。4.1掛籃受力體系及空間模型的建立根據掛籃的受力特點，我們在計算分析中采用空間有限元進行彈性分析，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、模板托梁等設計中采用型鋼組合截面，主要產生平面變形和內力，計算中采用梁單元來模擬。（2）吊桿、吊帶、拉板截面變化不大，主要承受軸向荷載，計算中采用桿件單元進行模擬。（3）掛籃的模板在結構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。對于模板上混凝土荷載采用面荷載額方式加載。（4）掛籃計算模型邊界條件，掛籃同已澆注梁段混凝土連接的地方，采用鉸接的方式。（5）本計算采用MIDAS/Gen有限元軟件進行結構應力及變形計算。圖13空間計算模型示意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，澆注長度為4米，對掛籃構件的受力最為不利，因此計算中我們按照6＃段箱梁混凝土荷載情況考慮。澆注長度為4m的6＃箱梁，箱梁混凝土自重1010KN。施工機具及人群荷載45KN。掛籃結構自重450KN。風荷載取6級、10級風分別計算，根據柬埔寨當地現場情況，風速較小，沒有臺風等惡劣性天氣。（2）荷載組合荷載組合Ⅰ：掛籃結構自重＋風荷載（6級）荷載組合Ⅱ：掛籃結構自重＋砼自重＋施工機具及人群荷載＋風荷載（6級）荷載組合Ⅲ：掛籃結構自重＋砼自重＋施工機具及人群荷載＋風荷載（10級）荷載組合Ⅳ：掛籃結構自重＋施工機具及人群荷載＋風荷載（6級）其中荷載組合Ⅰ用于自重狀態(tài)下的驗算；荷載組合Ⅱ～Ⅲ用于澆筑箱梁混凝土時掛籃強度及穩(wěn)定性驗算；荷載組合Ⅳ用于掛籃走行驗算。掛籃拼裝及掛籃走行時應有防風措施，遇6級大風掛籃拼裝及掛籃走行應停止作業(yè)，遇大風時應加強防風措施確保掛籃安全。4.3構件的選用和優(yōu)化根據我們建立的各種計算模型，分析最不利荷載的作用，選取適當的材料和構件，不僅要考慮應力是否滿足要求，同時考慮桿件的壓桿穩(wěn)定、構造要求、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級鋼筋，在保證安全的范圍內追求掛籃工作系數最小化。比如對于受力不大的后上橫梁，由原來的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，結合計算模型，對掛籃后錨點結構進行修改，使兩根后錨鋼筋的受力比較均勻。4.4計算結果及分析根據掛籃各構件的受力情況，我們采用MIDAS/Gen有限元軟件，對其進行了強度校核、壓桿穩(wěn)定驗算、節(jié)點板的驗算以及構件撓度的計算，結果均滿足要求。詳細結果如下表所示。表1主要構件應力有限元分析結果編號測點位置走行階段（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