超宽桥面悬浇连续梁挂篮设计及施工安全探讨

马晓旭

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

超宽桥面悬浇连续梁挂篮设计及施工安全探讨

马晓旭

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

以温州绕城小溪港大桥超宽桥面挂篮施工为例,应用迈达斯软件,对超宽桥面挂篮的设计及施工过程中的安全性能进行了验算,其结果能满足该桥施工要求。这一结果对同类工程具有一定的参考和借鉴意义。

混凝土连续箱梁；超宽桥面挂篮；结构计算；施工工艺

1 概 述

温州绕城高速公路北线二期工程小溪港大桥,主桥采用主跨80 m的预应力混凝土变截面连续箱梁,其跨径组合为(45+80+45)m,整幅箱梁截面采用单箱五室斜腹板截面。箱梁顶宽32.80 m,底板宽21.33～24.00 m,悬臂节段长度3.5 m。箱梁根部断面梁高4.5 m,跨中和边跨现浇梁段梁高2 m。桥梁采用挂篮悬臂浇筑施工,箱梁为单箱5室结构,在该工法中较为少见。由于桥面宽度的加大,对挂篮设备及施工过程安全控制都提出了更高的要求。如施工过程中主桁架受力的协调性；宽体挂篮强度、刚度、稳定性保证；以及挂篮行走过程中的同步性,行走过程中后横梁刚度问题等。这导致超宽挂篮结构设计和施工相较于普通挂篮难度加大,结构的强度和稳定性、行走过程中的安全性，及对桥梁纵横向线形的控制要求增高。本文采用Midas Civil对其挂篮建立整体有限元模型,根据实际的施工荷载,模拟挂篮施工全过程力学行为,从而指导挂篮的设计及优化,结合施工实践,总结施工过程中的注意事项及关键控制工序,为同类桥梁的悬臂挂篮施工提供参考。

2 挂篮设计

根据以往工程类似经验,对应每道腹板放置一榀主桁架,本桥为五箱室结构,需放置6榀主桁,但是主桁数量较多的话,每榀主桁受力差别较大,受力同步性较差,行走时同步性也较难保证。基于此点,挂篮设计时采用少主桁结构。在中间箱室两道腹板及两道边腹板上各布置1榀主桁。为保证加工的便捷性,各榀主桁架采用的材料及结构尺寸一致。为增加刚度,各主要受力构件采用桁架结构。

2.1 挂篮构造

挂篮采用三角形结构挂篮,主梁采用双根HN600×200 型钢,立柱采用双根HN500×200 型钢,斜拉带采用δ=40/Q345 钢板制作而成,并通过销轴铰接形成刚架[1]。其结构清晰,受力明确。受力结构图见图1。

挂篮底篮前横梁采用双根HN400×200 型钢,后横梁采用双根HN400×200 型钢与[16a组成刚架。底篮纵梁为36支HN350×175型钢。上前横梁为双根H450×200 型钢及[16a 组成的刚架。采用Φ32的高强精轧螺纹做混凝土浇注受力吊带；其在安装、调整、拆卸等工作上较为方便且效果良好。纵桥向单边挂篮共由12 根后锚锚固在箱梁腹板的竖向预应力墩筋上；前支点放置钢箱或抗压混凝土承受浇筑混凝土重(如需轨道支撑悬浇混凝土重,需另行加固)。挂篮行走通过后小车配合轨道使主桁滑动前行,并由4 个千斤顶牵引前行,行走安全方便。底篮行走吊带为Q345/20×200 mm 钢板[1]。挂篮结构见图2、图3。

图1 受力结构图

图2 挂篮主要构件结构图一

图3 挂篮主要构件结构图二

2.2 挂篮设计

挂篮施工时主要分为前移状态和浇筑状态。根据挂篮结构,主要对底篮系统和主桁系统进行建模计算,共进行两种工况的强度验算[2]：1) 工况一,挂篮前移；2) 工况二,最重节段混凝土浇筑。整体模型见图4。

图4 挂篮受力模型图

2.2.1 约束条件

一般支承：1)后锚点采用固定铰支座模拟；2) 前支点采用滑动铰支座模拟,且考虑横向线位移限制；3)吊杆在混凝土面的锚固采用固定端模拟。

连接模拟：1)对于铰接采用释放梁端的抗弯刚度的方式模拟；2) 对于焊接采用刚体连接, 计算结果中杆端弯矩值偏大；3)对于非接触点的连接采用刚性连接的方式[3]。

2.2.2 荷载模拟

模型中考虑的荷载有两种。

1)静荷载：挂篮自重、模板自重、新浇混凝土自重、临时支架自重荷载；

2)可变荷载：施工人员及施工机具运输或堆放的荷载，振捣混凝土时产生的竖向荷载，风荷载。

2.2.3 结构分析结果

1)应力分析

各工况下主要受力构件应力情况见表1。

表1 主要构件应力 MPa

采用极限应力法进行设计,各构件均未超出应力值,满足要求。

2)刚度分析

根据《公路桥涵施工技术规范(JTG/T F50—2011)》第5.2章节相关规定,计算模板支架等时,只考虑模板、支架自重+新浇筑混凝土、钢筋、预应力筋或其他圬工结构物的重力+设于水中的支架所承受的水流压力、波浪力、流冰压力、船只等的撞击力+其他可能产生的荷载。刚度计算时将除风荷载外其他可变荷载去除掉,同时去掉组合系数[4]。浇筑时计算刚度见图5。

根据《公路桥涵施工技术规范(JTG/T F50—2011)》第5.2章节相关规定,挂篮的最大变形(包括吊带变形的总和)应不大于20 mm[4],最大变形值18.95 mm,满足规范要求。

挂篮前移状态刚度见图6。

挂篮前移时最大变形134 mm,但是应力值在弹性变化范围内,挂篮前移挂篮刚度不影响施工。

图5 浇筑状态挂篮变形图

图6 前移状态挂篮变形图

3 挂篮施工安全性

3.1 事故的主要原因分析

通常挂篮的设计缺陷分为以下几类：

1)设计者采用不稳定的结构形式,关键部位设计尺寸和选用材料不适当,造成强度不足,忽略了横向连接杆的作用,造成结构失稳。

2)材料代用不规范：由于制造挂篮的原材料市场缺货,采用代用材料时,未能与设计者沟通,未按照“以强代弱、以大代小”的原则,对设计意图理解不透,选用非适用材料代替了原设计挂篮构件,造成构件强度不足。

3)未按设计图纸要求安装挂篮构件：如受力构件联结采用高强螺栓,由于工作失误将普通螺栓安装在构件上,挂篮连接销子未“对号入座”,随意安装,使联接件强度不足,造成事故。

4)技术交底不到位,工人操作失误：操作工人未进行认真培训,项目对操作层技术交底不到位,工人对挂篮高空作业和挂篮施工工艺不熟悉,造成操作失误引发事故。

3.2 挂篮施工安全注意事项

3.2.1 预留孔预埋精度

梁段顶板、底板上的预留孔、预埋件要准确并与水平面垂直,若与底板锯齿块相遇,不准改变波纹管的位置或碰上波纹管,锯齿块钢筋先预留,待以后恢复。预留孔周边应安装加强钢筋。挂篮后锚预留孔位置要准确,吊杆下端及扁担底面用铁楔块垫平,上端横梁上用千斤顶调整,安装时要有专人下到箱内同时操作。必须做到严格细心检查,确保锚固绝对可靠。挂篮主纵梁锚杆组预留孔预埋位置偏差不得大于10mm,垂直度不得大于5 mm。

3.2.2 挂篮吊带(吊杆)安装、拆除

挂篮中横梁吊点安装,必须先安装中间的短吊杆使底模贴紧后,再提升两侧的长吊杆,以保证底板面线型美观。短吊杆安装时派人下去配合,确保下面锚固点位置准确,必要时应调整千斤顶小扁担位置,使吊杆垂直,防止受弯面折断。同时要防止千斤顶倾斜面自动卸载。调整挂篮前吊杆的标高,应在浇筑混凝土前完成,若挂篮变形过大,也可在混凝土初凝前进行。在混凝土浇筑中,应派人测量观察模板的变形下挠情况,及时收紧底模短吊杆和抬高前吊杆,防止底模漏浆和水平位移。调整挂篮标高应在施工中不断总结,尽可能在混凝土浇筑结束前一次完成。采用挂篮悬浇箱梁施工,应严格遵守平衡对称的原则进行,应严格控制各浇筑梁段混凝土超方,任何梁段实际浇筑混凝土超方重量不得超过设计要求。脱落底模时,应注意先松后吊杆,再松前吊杆,否则会因底模整劲短吊杆无法卸脱,短吊杆卸下后搁于后下横梁的悬挂脚手内,并挂上保险千斤,小扁担梁千斤顶等物均留在原处。挂篮每次悬浇前,均须进行检查签证手续。对梁段的中线、高程、块段高度应加控制。必须检查全体结构螺栓、焊缝、后锚设备联结状态、前后吊杆及横梁的受力情况。并且要收紧一次吊杆,所有起吊后的吊杆限位螺栓上紧,千斤顶空隙用硬质垫块抄垫,进行双保险。

3.2.3 挂篮前移

挂篮前移之前,须清除上、下滑道表面杂物,再涂上黄油,以减少滑动阻力。为了两侧移动平稳,可在下滑道所在顶面上划每100 mm一格的等分线,让挂篮等距离同步滑行,两立柱相差不超过100 mm,对称两套挂篮移位应同步进行,其距离不应大于半个梁段长度。挂篮前移要有专人统一指挥,移动前必须在主析桁后端挂好防倾千斤绳,正常情况下千斤绳是不受力的。挂篮就位后,立即将后锚设备装上并把锚杆上的螺栓拧紧,所有构件处于受力状态时,才能进行悬臂作业。挂篮的前移由行走机构完成,行走时应在主梁上埋设预埋件用压板将行走滑梁进行固定。纵向精确定位由止推机构千斤顶完成,控制纵向定位误差小于15 mm。挂篮主桁的型钢在使用中注意观察,防止挂篮扭曲而失稳。

3.2.4 挂篮预压

为了检验挂篮的性能和安全,必须对已经安装的挂篮进行加载试验。预压荷载为挂篮需承受全部荷载的1.05～1.1倍,采用分级加载的方式。通过加载试验,可以消除结构的非弹性变形,测出结构的弹性变形,为设置预拱度提供数据[5]。加载的方式,可根据现场具体情况选择堆载预压或千斤顶反力架、地面对拉等进行加载。

4 结 语

本文对整幅超宽挂篮进行结构分析,总结了超宽桥面挂篮的设计要点及施工过程安全注意事项等,并成功运用。实践证明该挂篮的设计受力明确,结构合理,能满足该桥宽的悬浇施工要求,拓展了超宽桥面连续箱梁挂篮悬浇的经验,从而为同类桥梁挂篮设计与施工提供了参考与借鉴。

[1] 刘鸿文 .材料力学[M].5版.北京：高等教育出版社,2014.

[2] 黄绍金.装配式公路钢桥多用途使用手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 陈云辉 . 超宽连续刚构悬臂施工挂篮仿真分析[J]. 西部交通科技,2012(9):35-39.

[4] 中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5] 交通部第一公路工程总公司.公路施工手册:桥涵· 下册[M].北京：人民交通出版社，2000.

Investigation on the Cradle Design and Construction Safety of the Continous Cantilever Beam of Super Wide Deck

MAXiaoxu

2017-01-18

马晓旭(1980—)，男，辽宁朝阳人，工程师，从事铁路、公路、市政以及其他工程的施工管理工作。

U445.4

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1008-3707(2017)02-0043-06