苗彪彪

(江蘇華通工程檢測有限公司，江蘇 南京 210000)

掛籃懸澆法在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋中應(yīng)用廣泛，其施工技術(shù)、施工管理的完善對橋梁的順利建成起著重要的作用。國內(nèi)外學者針對掛籃懸澆法施工工藝取得了大量先進實用且具有指導意義的研究成果：明德江通過對寬幅菱形掛籃進行了模擬分析，提出采用高強度螺紋鋼筋替換矩形吊帶可以提高施工效率和安全性[1]；青志儉詳細論述了掛籃在設(shè)計、安裝、拆除、預(yù)壓和掛籃行走方面的技術(shù)與管理[2]；趙亞麗通過SAP2000有限元設(shè)計軟件分析了風荷載對走行過程中掛籃工作性能的影響，并提出通過加固構(gòu)件可以有效減小風荷載對掛籃結(jié)構(gòu)的影響[3]；靳會武通過對44 m寬橋面所用掛籃進行仿真分析，得出了掛籃結(jié)構(gòu)的最不利位置，并建議在受力不利區(qū)下方增加主縱梁和增大槽鋼的截面，可以提高掛籃的可靠性[4]。

雖然掛籃懸澆法施工工藝已經(jīng)相對成熟，但是采用此方法施工的橋梁工程屬于高風險工程[5]，掛籃坍塌、傾覆事故時有發(fā)生，造成大量的經(jīng)濟損失和人員傷亡，并造成嚴重的社會影響[6]，因此對掛籃結(jié)構(gòu)進行驗算和優(yōu)化設(shè)計是非常必要的。

文本依托新建南京至淮安城際鐵路某(40+64+40)m連續(xù)梁工程，使用Midas/Civil建立菱形掛籃有限元分析模型，分析掛籃整體及局部結(jié)構(gòu)安全性，并對構(gòu)件不利位置處提出可行的優(yōu)化方法，為后續(xù)連續(xù)梁掛籃懸澆法施工的安全性提供參考。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

橋梁孔跨類型為(40+64+40)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁，節(jié)段長度為1×4.0 m+3×4.25 m+1×3.5 m+1×3.25 m+1×3 m。0#塊采用鋼管柱支架結(jié)構(gòu)施工，1#～7#梁段采用掛籃懸臂澆筑施工。連續(xù)梁截面形式如圖1所示。

圖1 主梁橫斷面(單位：mm)

1.2 掛籃概況

菱形掛籃如圖2所示，每側(cè)腹板放置1片菱形主構(gòu)架，主桁架間距6.01 m，中間用對拼[12槽鋼組焊而成的門架加強橫向聯(lián)系；主構(gòu)架中支點至后錨點距離3.90 m，至前吊點5.30 m，主構(gòu)架采用雙拼36槽鋼。后錨點通過PSB830Φ32精軋螺紋鋼和扁擔梁錨固于箱梁頂面的軌道梁，前吊點上設(shè)置前上橫梁，長度13.6 m，采用HN500 mm×200 mm型鋼。底模前后橫梁采用HN400*200型鋼制作，長度13.6 m。前下橫梁通過PSB830Φ28精軋螺紋鋼懸吊于上橫梁，后下橫梁通過PSB830Φ28精軋螺紋鋼懸固于已澆筑梁段底板，精軋螺紋鋼錨固于已澆筑梁段翼板，所有吊點處均設(shè)置扁擔梁.內(nèi)模和外模系統(tǒng)均落于行走梁上，內(nèi)、外模行走梁采用雙拼40槽鋼組合截面，行走梁前吊點通過PSB830Φ28精軋螺紋鋼懸吊于前上橫梁上；中吊點通過PSB830Φ28精軋螺紋鋼錨固于已澆筑箱梁頂板，通過行走梁后端焊接角鋼限位塊；后吊點通過PSB830Φ28精軋螺紋鋼錨固于已澆筑箱梁底板。

(a)前視圖

2 掛籃數(shù)值模擬驗算

采用有限元軟件Midas/Civil程序建立菱形掛籃的有限元模型。利用有限元方法可以檢算出各部件的應(yīng)力、位移等，并能方便直觀地顯示出掛籃的應(yīng)力和位移模擬結(jié)果。

2.1 模型建立

2.1.1 參數(shù)設(shè)置

掛籃主要構(gòu)件采用梁單元模擬，鋼結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼材，精軋螺紋鋼材料為PSB830Φ28。主要構(gòu)件材料及截面型號如表1所示。

表1 構(gòu)件材料及截面型號

2.1.2 荷載組合

選擇連續(xù)梁最大質(zhì)量節(jié)段計算荷載進行驗算.跟據(jù)連續(xù)梁設(shè)計圖紙、掛籃模板設(shè)計圖紙以及《橋梁懸臂澆筑施工技術(shù)標準》(CJJ/T281—2018)的規(guī)定[7]，掛籃所受的荷載如表2所示。

表2 掛籃荷載

掛籃設(shè)計應(yīng)根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載，對強度、穩(wěn)定性按承載能力極限狀態(tài)進行驗算，并應(yīng)取基本組合進行設(shè)計；對剛度應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)進行驗算，并應(yīng)取標準組合進行設(shè)計，其計算荷載組合效應(yīng)如表3所示。

表3 掛籃設(shè)計計算荷載效應(yīng)組合

2.1.3 基本模型

掛籃有限元模型如圖3所示，共計184個節(jié)點、248個單元。

圖3 菱形掛籃有限元模型

2.2 結(jié)構(gòu)驗算

2.2.1 后錨系統(tǒng)

(1)主桁系統(tǒng)。

首先提取掛籃主桁架在荷載組合一情況下后錨點和中支點產(chǎn)生的反力，如圖4所示。

圖4 主構(gòu)架支點反力(單位：kN)

PSB830精軋螺紋鋼的抗拉強度標準值fpy為830 MPa，則抗拔失效系數(shù)為

則后錨螺紋鋼安全儲備滿足要求。

(2)后錨扁擔梁。

剪應(yīng)力為

因此，后錨扁擔梁強度計算值滿足要求。

2.2.2 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

上橫梁前吊點螺紋鋼內(nèi)力如圖5所示。

由圖5可知，由底籃傳至菱形掛籃主桁架的最大豎向力為F=(21.6+111.2+161.0+203.8+77.5)×2=1 150.2 kN。

圖5 前吊點螺紋鋼內(nèi)力(單位：kN)

掛籃中支點至前吊點距離L1=5.0 m，中支點至后錨點距離L2=3.5 m。則掛籃前吊點豎向力對中支點產(chǎn)生的傾覆力矩為

MR=F×L1=1 150.2×5.0=5 751 kN·m.

后錨點共8根精軋螺紋鋼提供抗傾覆力矩，單根精軋螺紋鋼提供的最大抗力為

S=830×103×804×10-6=667.3 kN.

則對中支點產(chǎn)生的抗傾覆力矩為

MZ=8×S×L2=8×667.3×3.5=18 684.4 kN·m.

則抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為

所以掛籃抗傾覆安全儲備滿足要求。

2.2.3 強度及剛度

掛籃各組成構(gòu)件的強度及剛度模擬結(jié)果如表4所示，可以看出：掛籃各構(gòu)件的強度及剛度均滿足要求，底籃系統(tǒng)作為主要承重結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力與變形最大，門架變形最小。

表4 掛籃各構(gòu)件強度及剛度模擬結(jié)果

2.2.4 精軋螺紋鋼吊桿

根據(jù)《橋梁懸臂澆筑施工技術(shù)標準》(CJJ/T281—2018)規(guī)定，當采用精軋螺紋鋼做吊桿時，精軋螺紋鋼應(yīng)力應(yīng)不大于0.4倍抗拉強度設(shè)計值。精軋螺紋鋼吊桿應(yīng)力模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 精軋螺紋鋼應(yīng)力(單位：MPa)

精軋螺紋鋼最大拉應(yīng)力為

f=584.8 MPa>0.4fpk=332 MPa.

由此可以看出，后吊點中部精軋鋼吊桿抗拉強度計算值嚴重超限，前吊點中部部分吊桿拉應(yīng)力達到331.0 MPa，非常接近臨界值。

2.2.5 掛籃承載能力

掛籃承載能力主要考慮掛籃自重與最重懸臂梁段結(jié)構(gòu)自重的比值，宜為0.3～0.5。本連續(xù)梁單只掛籃總重47.5 t，澆筑梁段最大質(zhì)量為4號塊，自重為153.5 t，最輕為7號塊，自重為106.5 t。則掛籃利用系數(shù)為

因此掛籃承載能力滿足要求。

2.3 總體分析

通過上述驗算可以看出：掛籃在穩(wěn)定性、承載能力方面能夠滿足相關(guān)規(guī)定的要求；在局部分析過程中，主要承受抗彎作用的底籃系統(tǒng)、行走梁、上橫梁、主桁架、門架等構(gòu)件的強度及剛度也均能滿足規(guī)定要求；而主要承受抗拉作用的精軋螺紋鋼吊桿則部分存在超限情況，超限吊桿發(fā)生在前吊點和后吊點的中部，因為此部分吊桿靠近梁體腹板的位置，腹板處梁體的自重最大，則吊桿需要承受的荷載也越大，因此需要對此部分進行優(yōu)化設(shè)計。

3 吊桿優(yōu)化設(shè)計

本節(jié)通過提高螺紋鋼強度、增大螺紋鋼直徑、增加螺紋鋼數(shù)量3種優(yōu)化方案對掛籃進行重新驗算。

3.1 設(shè)計方案

方案一：采用PSB930Φ28替換PSB830Φ28精軋螺紋鋼。

方案二：采用PSB830Φ32替換PSB830Φ28精軋螺紋鋼。

方案三：后吊點超限位置處吊桿采用2根PSB830Φ32替換PSB830Φ28精軋螺紋鋼。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 方案一

PSB930精軋螺紋鋼的抗拉強度標準值為930 MPa，精軋螺紋鋼最大拉應(yīng)力為

f=584.8 MPa>0.4fpk=372 MPa.

由此可見，僅僅是提高螺紋鋼強度還遠遠達不到規(guī)范要求的強度。

3.2.2 方案二

方案二模擬結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?原前吊點超限位置處吊桿(后面統(tǒng)稱吊桿A)的拉應(yīng)力為257.5 MPa，小于372 MPa，滿足要求；原后吊點超限位置處吊桿(后面統(tǒng)稱吊桿B)的拉應(yīng)力最大值為444.3 MPa，大于372 MPa，依然不滿足要求。

圖7 方案二模擬結(jié)果(單位：MPa)

3.2.3 方案三

方案三模擬結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯鯒UA 的拉應(yīng)力為257.4 MPa，吊桿B的拉應(yīng)力為247.3、228.8 MPa，均小于372 MPa，滿足要求?？芍寒斁植康鯒U拉應(yīng)力過大時，通過增加精軋螺紋鋼的數(shù)量，可以有效提高結(jié)構(gòu)安全性。

圖8 方案三模擬結(jié)果(單位：MPa)

4 結(jié)論

1)通過驗算，本文(40+64+40)m連續(xù)梁所采用菱形掛籃在穩(wěn)定性、承載能力以及局部構(gòu)件如底籃系統(tǒng)、行走梁、上橫梁、主桁架等方面的結(jié)構(gòu)安全性均能滿足規(guī)范要求。

2)通過增大精軋螺紋鋼的直徑和增加螺紋鋼的數(shù)量均可以有效降低吊桿的拉應(yīng)力，當局部拉應(yīng)力過大時，增加螺紋鋼的數(shù)量效果更好，可以極大地提高結(jié)構(gòu)安全性。

3)采用Midas/Civil數(shù)值模擬可以對掛籃結(jié)構(gòu)安全性進行初步的判斷，可以作為掛籃優(yōu)化設(shè)計的重要手段，可為掛籃安全施工提供參考。