前后支点组合式挂篮刚度分析及优化措施

朱光华，刘伟莎（重庆建工城建控股（集团）有限责任公司，重庆　400013）



前后支点组合式挂篮刚度分析及优化措施

朱光华，刘伟莎
（重庆建工城建控股（集团）有限责任公司，重庆400013）

摘要：重庆市双碑嘉陵江大桥为高低塔单索面薄壁箱形结构，主桥全长645m，主梁宽32.5m，最重节段重702t，考虑双碑嘉陵江大桥主梁宽、节段长且节段重的特点，该文研究新型前后支点组合式挂篮体系对主梁进行悬臂现浇施工。为验证该新型前后支点组合式挂篮的刚度性能，采取模拟混凝土浇筑工艺过程进行挂篮加载试验，通过挂篮在各工况下位移变化来体现挂篮刚度性能。结果表明：在各工况荷载作用下，挂篮刚度满足规范要求，挂篮变形基本符合理论计算规律。针对试验中挂篮局部变形过大的不足，从挂篮、施工工艺、混凝土浇筑三个方面进行了优化调整，增加了挂篮的刚度，利于施工控制。

关键词：前后支点式组合挂篮；刚度；荷载试验；位移

1　工程概况

重庆双碑嘉陵江大桥为高低双塔单索面混凝土斜拉桥，主桥全长645m，跨度布置为75+145+330+95，主跨最大跨径330m，跨度居全国同类桥梁第一［1］。主桥布置如图1所示。

图1　全桥立面图

重庆双碑嘉陵江大桥主梁为宽32.5m的单箱三室斜腹板结构，主梁节段长且各节段长度不同。边跨的1#块长度为4m，2#块到29#块长度均为7m，中跨的1#块长度为4m，2#块到28#块长度均为7m，29#块长度为8m。主梁的标准节段重461t，附助墩旁的节段重568t，边跨20#块（辅助墩顶）最重，重达702t［2-3］。

双碑嘉陵江大桥结合现场实际情况，突出许多新颖设计理念，其中主桥为高低塔单索面、薄壁箱形、宽主梁、主梁节段长且节段重，上述特点给挂篮的设计和桥梁的顺利施工带来了严峻的挑战。因此，设计出的挂篮应满足自重轻、承载能力大、安全稳定的特点，并且满足对已浇筑混凝土的作用力控制在容许范围内的要求。本文对新型前后支点组合式挂篮的刚度进行分析与优化，为同类桥梁工程施工建设提供技术支撑。

2　前后支点组合式挂篮设计

传统的前支点挂篮和后支点挂篮在纵横双向大悬臂斜拉桥主桥施工中存在一定的局限性［4-6］，将两类挂篮结合起来，研究一种超大吨位前、后支点结合挂篮体系，增加结构的安全稳定性，增加结构承载力，减少结构自重，对解决工程实际问题具有重大意义。

基于以前设计的各种类型挂篮形式，结合双碑大桥的特点，形成了初步的前、后支点挂篮体系设计［7］。前后支点组合式挂篮主要由三部分组成，分别为前支点牵索挂篮系统、横向预拉连接系统和后支点挂篮系统，后支点挂篮系统使整个挂篮结构的横向稳定性得到加强。篮底平台采用铰接连接，当前支点挂篮拉索力调整时，铰接结构可以使后支点挂篮外侧两片主梁不受其影响，保证后支点挂篮的外侧两片主梁受力明确。另外，铰接连接不仅能降低挂篮自重，而且还方便后支点挂篮外侧主梁横向标高的调整。主梁中间部分混凝土由前支点挂篮负责，翼板位置混凝土由后支点挂篮负责，挂篮的结构设计得到进一步的优化，更能适应具有高低塔单索面、薄壁箱形、宽主梁、主梁节段长且节段重等特点的斜拉桥的施工，承载能力高达600t以上。

挂篮总体模型图见图2所示，挂篮横断面图见图3所示。

图2　挂篮总体模型图

图3　挂篮横断面图

3　前后支点组合式挂篮刚度试验

挂篮的刚度、强度和稳定性满足规范要求，是保证挂篮安全工作的三个基本要求，是确保施工质量的前提条件，由于篇幅的限制本文只研究前后支点组合式挂篮的刚度特性，挂篮的刚度即为要求挂篮具有足够的抵抗变形的能力，在自身及施工荷载作用下，不致于因发生过大的变形而影响挂篮的使用［5］。刚度是结构或构件抵抗变形的能力，挂篮的刚度是通过各工况下挂篮的位移变化体现出来的。前后支点组合式挂篮整体在施工现场组装完成后，进行挂篮荷载试验，通过模拟混凝土浇筑过程对挂篮进行加载，根据挂篮荷载试验得出挂篮的实际位移数据，从而对挂篮的刚度进行分析［7-8］。

3.1挂篮试验流程

挂篮荷载试验主要流程见图4所示。

图4　挂篮试验流程图

3.2试验工况划分

重庆双碑嘉陵江大桥施工时主梁划分的节段较多，共58块，其中标准块56块，占绝大多数。从实验的安全性和经济性考虑，将主梁标准块的混凝土重量作为挂篮荷载试验中混凝土重量控制标准，并将施工荷载及模板重量计入试验荷载中，荷载系数取1.2，得出分块混凝土的加载重量，计算结果见下式。

其中，178m3为标准块混凝土数量；2600kg/m3为混凝土容重；30t为模板重量；2t为施工荷载重量。因此，挂篮荷载试验总加载重量为594t。

挂篮荷载试验加载分5次完成，每次加载吨数及步骤如图5所示。

图5　挂篮荷载试验加载步骤

图6　分块荷载图

荷载分块加载见图6所示。

另外，为了分析调索对挂篮刚度的影响，荷载试验分调索和不调索两种加载方式，即河跨采取不调索方式进行加载试验；岸跨加载到50%荷载时采取调索方式进行加载试验。通过前后支点组合式挂篮在调索和不调索两种情况下加载试验的结果，得出调索对挂篮变形性能的影响，即调索对前后支点组合式挂篮刚度的影响。通过此实验，将对挂篮的变形性能有更加深入的了解，为后期挂篮的设计及施工提供指导意见。

3.3模拟计算位移测试结果

为了对挂篮荷载试验进行校验，在挂篮试验加载之前，应用MIDAS Civil软件对挂篮加载试验过程进行了模拟计算，计算参数与试验参数一致［2］。

在模拟计算和荷载试验中，在挂篮前端横断面和主梁0#块上共布置了9个变形观测点，分别位于腹板底、腹板顶、翼缘和底平台上，9个位移观测点的编号及位置如图7所示。将实际荷载试验结果与模拟计算结果进行比较，通过分析挂篮在加载过程中各观测点的位移变化来确定挂篮刚度是否满足要求。

图7　变形测点布置

将模拟计算得到的调索和不调索两种情况下挂篮9个控制点的位移测试结果数据绘制成图，见图8和图9所示。

图8　调索情况下9个观测点位移变化图

由图8可以看出，在50%荷载时对斜拉索进行调索情况下，前支点挂篮前端标高基本均抬升6mm左右。由于调整索力，后支点挂篮部分各点标高继续下挠，最大下挠量为3mm。100%荷载后挂篮最大变形量为前支点 （图7中5号点）0mm，后支点（图7 中2号点）32mm。总体来说，位移变化没有出现突变点，变化相对缓和，这有利于对主梁的线性进行控制。

图9　不调索情况下9个观测点位移变化图

由图8、图9可以看出，在不调索情况下50%荷载时与调索情况下50%荷载时相对应各点的变形量略有差别，而不调索情况下50%荷载时与调索情况下50%荷载调索后相对应各点的变形基本一致，分析为已浇混凝土受到斜拉索索力的影响。在不调索情况下，由于空载时挂篮斜拉索索力较小，因此25%荷载时挂篮前后支点结合处出现位移突变。100%荷载时，挂篮总体变形量与调索情况下一致，此时挂篮最大变形量前支点0mm，后支点32mm。由不调索情况下测点相对变形量（图10）可以看出：在0%～25%加载期间，挂篮相对变形波动较大，分析为挂篮由空载加载到25%荷载时，混凝土受斜拉索索力的影响；25%～100%期间，挂篮相对变形较均匀，各点波动相对较小。

图10　不调索情况下测点相对变形量

3.4荷载试验位移测试结果

在试验过程中，试验数据反映出挂篮的变形与模拟计算相比偏大。受于篇幅限制，只对河跨一侧挂篮变形量进行详细分析，将得到的实验数据绘制成图，如图11和图12所示。

（1）挂篮荷载试验9个测点变形总量

由图11可看出：100%时，2点27mm，8 点35mm， 理论值19mm，上游偏大8mm，且8号点偏大16mm，分析与初始9号点偏高有关。同时1号点与9号点变形34mm，48mm，比理论值大30～40mm，分析为翼板外沿，变形中含受力变形与几何变形，该点为最后浇筑的混凝土，对前几次浇筑的混凝土影响不大。100%～120%变形均匀，卸载后，最大偏差9mm，基本回到初始状态。挂篮弹性工作状态良好。

图11　各工状位移变化图

图12　测点相对变形量

（2）挂篮荷载试验9个测点相对变形量

由图12可以看出：在0%～75%加载期间，挂篮相对变形比较均匀，各点波动不大；75%～100%期间，上游1、2号点变形比下游8、9号点更符合理论值；2号点相对变形21mm，理论值10mm，8号点29mm，比2号点多8mm，比理论值多19mm；由于1、9号点相对2、8号点有几何放大关系，1号相对变形44mm，比理论20mm大24mm，9号点61mm，比理论大41mm。在荷载加载到75%～100%时，挂篮翼板边缘由上翘状态变为下沉状态，通过变形分析可知，由于横向铰的存在，挂篮几何变形相对较大。

通过以上的分析，挂篮在荷载试验过程中的总变形量和相对变形量比理论计算的总变形量和相对变变形量偏大。

（3）总体变形偏大的原因分析

结合挂篮试验结果及专家评审会的意见，并根据荷载试验的理论分析，挂篮后支点部分，理论变形21～29mm，比规范略大，而实际试验变形27～35mm，超出规范7～15mm。分析主要原因为挂篮试验时的后锚点后移，挂篮拼装完成后，后锚位置有10mm的上抬，而直接导致前端下挠变形值增大。也有部分挂篮非弹性、制作安装误差原因以及老混凝土变形的原因等。

对于试验过程中针对总变形量和相对变形偏大问题，在挂篮悬臂施工过程中，保证混凝土在浇筑完成前不发生初凝是首要任务，并有较充分的富余时间可进行标高的调整和完成必要的二次振捣作业，确保节段梁体混凝土浇筑质量符合要求，然后再尽可能进行挂篮结构和施工工艺优化，提高挂篮刚度，减少挂篮变形量。

4　挂篮施工优化措施

通过挂篮荷载试验结果进行分析可看出，挂篮局部构件变形过大，而且同一构件的荷载试验结果变形值大于模拟计算变形值，另外，前后支点组合式挂篮的后支点部分主纵梁变形值超过规范要求20mm。前后支点组合式挂篮是斜拉桥悬臂施工中的主要承载结构，挂篮的刚度对桥梁的稳定性和安全性有重大的影响。基于重庆双碑嘉陵江大桥的结构特点，其采用的前后支点组合式挂篮为国内首创，因此没有挂篮变形对应的规范限值，但为了确保前后支点组合式挂篮在施工过程中的安全可靠性，至少应保证前后支点组合式挂篮的后支点部分的变形不超过普通后支点挂篮的变形要求。重庆双碑嘉陵江大桥主梁较宽，翼板悬臂端较长，容易导致挂篮横向刚度不足，从而引起挂篮翼板处下挠过大。为了解决以上各种问题，从挂篮、施工工艺、混凝土浇筑三个方面对前后支点组合式挂篮提出了优化措施，以利于提高挂篮刚度，从而达到有效地施工控制，保证工程质量的目的。

4.1挂篮优化

（1）对后支点挂篮的后锚点位置进行调整，以减少挂篮前端绝对变形量。锚点前移，要求既保证后锚力限制在设计要求范围内，又使后锚点不上抬，从而减小挂篮前端变形，此项措施使后支点挂篮最大变形减少11mm。挂篮前端最大变形减小11～15mm，小于规范对后支点挂篮变形的规定，如图13所示。

图13　后支点挂篮变形图

图14　后支点挂篮变形图

（2）通过在后支点挂篮前上横梁中间增加型钢，使挂篮前上横梁贯通，增加翼板端部的斜拉带，直接拉住挂篮翼沿，减少挂篮翼板变形，经过此项措施的实施，可以使挂篮总体变形减少约2mm，如图14所示。

（3）将挂篮前、后支点间的铰接改为双铰，形成固接体系，在荷载试验过程中，将设双铰挂篮与设单铰挂篮进行对比研究，进一步验证挂篮横向设铰的优点。两岸挂篮设双铰与设单铰横向断面对比如图15所示。

图15　设单铰与设双铰横断面对比图

对设双铰挂篮和单铰挂篮进行对比计算分析可得，挂篮设双铰后，总变形量与设单铰挂篮相差在1mm以内，视为基本相同，但挂篮自重增加15t左右，使挂篮总重略超出设计限制要求。但由于采用横向斜拉系统主动控制，翼板反力控制与设单铰挂篮一样，能确保已浇主梁受力符合设计要求，因此挂篮自重增加对施工影响可以忽略。

4.2施工工艺优化

从试验研究看，采用二次调索与采取一次调索，在标高和索力控制上相差不大，最终控制效果均能达到要求，所以经研究决定在未发现异常的情况下，在前15个节段施工时原则上均采用一次调索，如在长索区，一次调索的调索量超出挂篮施工允许情况时，再进行调整，即坚持尽可能不调索原则。

对翼板加载顺序进行了优化，加载时，从翼板外边缘向中间加载，这样可以减少翼板边缘位置在加载过程中相对变形偏大。

4.3混凝土浇筑优化

实施过程中要求严格控制混凝土工作性能，一方面混凝土缓凝时间在25h以上，远大于浇筑时间（15～18h），确保混凝土在初凝前完成浇筑；另一方面，通过试验和精确的理论控制，采用浇筑前一次调索，达到索力和标高控制要求的措施。

5　结论

（1）有限元模拟计算100%荷载工况下，不调索时挂篮总体变形量与调索情况下一致。荷载试验中，在不同工况荷载作用下，前后支点组合式挂篮发生的变形基本符合理论计算规律，挂篮刚度基本满足规范要求。

（2）整个荷载试验过程中，对前后支点组合式挂篮进行直观检查，没有发现严重的变形现象，挂篮各部位杆件完好。

（3）通过荷载试验过程中总变形量和相对变形偏大的原因分析，得出在具体施工过程中，应首先确保混凝土在浇筑完成前不发生初凝，然后再尽可能进行挂篮结构和施工工艺优化，以减少挂篮变形量。

（4）针对试验中挂篮局部变形过大的不足，从挂篮、施工工艺、混凝土浇筑三个方面对挂篮进行了优化调整，增加了挂篮的刚度，利于施工控制。

参考文献

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责任编辑：孙苏，李红

中图分类号：U443

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）07-0058-04

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.058

收稿日期：2016-04-29

作者简介：朱光华（1973-），男，重庆人，本科，高级工程师，主要从事桥梁施工技术管理及研究工作。

Stiffness Analysis and Optimization Measures of Front and Rear Pivot-assembled Cradle

Abstract：The Jialingjiang River Bridge in Shuangbei，Chongqing is of thin-walled box-shaped structure with high-low towers and single cable plane，with the length of the main bridge of 645 meters and the width of the main beam of 32.5 meters.Based on the features of wide main beam and heavily long segments，the new system of front and rear pivot-assembled cradle is applied in the cantilever construction.To verify the system's stiffness performance，a simulative loading test is conducted，demonstrating the cradle stiffness performance through its displacement deviation under varied construction situations. The results show that the stiffness meets the relevant requirements and the deformation basically conforms to the theoretical calculation law in the codes under different loads.For the deficiency of excessive large local deformation of combined cradle in the test，it is optimized from the three aspects：combined cradle，construction technology and concrete pouring，amplifying the cradle stiffness and construction control.

Keywords：combined cradle with front and rear fulcrum；stiffness；loading test；displacement