分析比較預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁采用懸灌掛籃的設(shè)計優(yōu)化指標, 結(jié)合韓家店1 號特大橋的掛籃設(shè)計, 在掛籃形式上選取了比較優(yōu)勢的三角形掛籃. 研究了該種類型掛籃各構(gòu)件的傳力機理, 建立了三維空間有限元模型, 詳細分析了在施工過程和走行過程中掛籃各構(gòu)件的受力和變形情況. 設(shè)計的三角形掛籃符合使用要求, 計算結(jié)果滿足各施工過程受力和變形的要求.
1 工程概況
韓家店1 號特大橋位于貴州省境內(nèi)國道主干線重慶2湛江公路上, 是崇溪河2遵義高速公路段的一座特大型三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋. 主橋全長454 m , 跨徑設(shè)置為122 m + 210 m + 122m. 該橋箱梁0 號段長15 m , 其中橋墩兩側(cè)各外伸1. 5 m , 每個“T ”構(gòu)沿縱橋方向分為36 個對稱梁段, 梁段數(shù)及梁段長度從根部至跨中分別為10×2. 2 m , 10×2. 5 m , 13×3 m , 3×3. 5 m. 橋體按整幅設(shè)計, 箱梁采用單箱單室截面, 頂板寬22. 5 m , 底板寬11 m , 外翼板懸臂長5. 57 m , 梁高由0 號塊處的12. 5 m 以半拋物線形式從根部過度到跨中的3. 5 m.
2 掛籃形式的選取
2. 1 分段施工法與懸灌掛籃的演化
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)計和懸臂施工法綜合演變而成, 自從20 世紀80 年代PC 箱梁的分段施工法在西歐誕生以來[ 1 ] , 國內(nèi)外大跨度橋梁多采用此法. 除懸臂拼裝法以外, 尤其是特大橋梁中更是普遍應(yīng)用平衡懸臂灌筑法, 即單“T ”的每一個設(shè)計節(jié)段利用掛籃對稱, 就地澆筑混凝土. 懸臂灌筑法中不像滿堂支架法那樣需要大量的施工支架和臨時設(shè)備,不影響橋下通航和通車, 施工不受季節(jié)及河道水位的影響. 平衡懸臂灌筑法施工的成敗及質(zhì)量控制的優(yōu)劣在于掛籃的工藝設(shè)計, 它是特大橋梁施工中的一項關(guān)鍵技術(shù).
就掛籃總重與懸澆最大梁段的重量比而言,PC 橋梁的懸臂施工掛籃的演化過程[ 2, 3 ]大致經(jīng)歷了從平行桁架式、三角型組合梁式、曲弦桁架式(或稱弓弦式)、菱形式到滑動斜拉式的階段變化,特點是結(jié)構(gòu)越來越輕型化, 受力越來越合理, 有些掛籃的走行系統(tǒng)還設(shè)計有統(tǒng)一的液壓伺服裝置來控制掛籃的升降和走行, 使得掛籃操作及施工控制趨向智能化[ 4 ].
2. 2 掛籃設(shè)計的輕型化
目前, 掛籃已向輕型且重載方向發(fā)展, 其中可以用主要控制指標β 和β′來反映掛籃的設(shè)計是否優(yōu)化. 設(shè)定β= 掛籃總重/懸澆節(jié)段重量, β′=主承重結(jié)構(gòu)/懸澆節(jié)段重量.
橋梁技術(shù)規(guī)范規(guī)定β 值分布一般為0. 3～0. 5, 韓家店1 號橋β= 1 160 kN/( 92 m³ ×26kN/m³) = 0. 485, 符合橋梁技術(shù)規(guī)范規(guī)定的水平.
β 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(shè)計越合理; β ′值越低, 表示掛籃主承重構(gòu)件使用的材料越省, 設(shè)計越合理. 查閱對應(yīng)橋梁的掛籃結(jié)構(gòu)形式基本可以得出, β 值較大的橋梁一般都是采用萬能桿件桁架式或三角桁架式掛籃加配重. 因此, 減輕掛籃自重采用的手段除優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式外, 最重要的措施是不設(shè)平衡重, 并改善滑移系統(tǒng), 同時改進力的傳遞系統(tǒng).
2. 3 韓家店掛籃形式的選取
因懸灌施工中有多種因素制約掛籃的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計, 如施工狀態(tài)大橋主梁的強度及變形要求; 近海施工風(fēng)荷載的影響; 吊機的噸位及安裝位置等. 一般來說, 采用的掛籃須滿足結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、安裝拆除方便、安全可靠以及灌注混凝土過程中變形小等特點.
平行桁架式掛籃一般采用萬能桿件或貝雷梁作為縱梁, 成型快、設(shè)備利用率高且成本低, 但是這種掛籃變形大, 承重能力不能滿足要求. 弓弦式掛籃構(gòu)件型號稍多、計算較復(fù)雜, 但是重心低、穩(wěn)定性好. 菱形掛籃結(jié)構(gòu)比較簡單、構(gòu)件較少, 受力明確, 但是構(gòu)件加工拼裝要求精度高, 需要專業(yè)廠家和設(shè)備加工. 斜拉式掛籃結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、使用材料少, 但施工復(fù)雜.
在設(shè)計韓家店掛籃形式時, 比較以上掛籃結(jié)構(gòu)形式后, 考慮到本單位以前的施工經(jīng)驗, 選取了三角形掛籃無配重形式, 其突出特點如下.
a. 三角形掛籃與菱形掛籃相比, 降低了前橫梁高度, 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.
b. 結(jié)構(gòu)簡單, 拆裝方便, 重量較輕. 設(shè)計的三角形掛籃主桁架和主要結(jié)構(gòu)體系采用鋼板和型鋼焊制的箱形結(jié)構(gòu), 單件重量較輕, 主桁架桿件間采用法蘭結(jié)構(gòu)用高強螺栓連接, 易于搬運和拆裝.
c. 掛籃平衡重系統(tǒng)利用已成形梁段豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋作為后錨點, 取消了平衡重的壓重結(jié)構(gòu).
d. 掛籃走行采用液壓走行系統(tǒng), 由導(dǎo)梁、走行輪、反扣輪及走行油缸組成, 該系統(tǒng)具有掛籃就位準確、走行速度快且安全可靠等特點.
e. 該掛籃通用性強, 稍做改裝即可用于其它幅寬和梁高的橋上.
3 掛籃的設(shè)計
該三角形掛籃由主桁、前橫梁、底籃系統(tǒng)、前吊系統(tǒng)、內(nèi)外?；合到y(tǒng)和后錨系統(tǒng)組成, 掛籃總重(含內(nèi)外模) 約為1 160 kN (圖1). 因模板以及吊桿隨施工過程中截面高度的不斷降低有一部分將會移去, 滿足對跨中合攏梁段的支架重量須小于1 300 kN 的要求, 所以減小荷載后的掛籃仍然可以作為中跨合攏的支架方案使用.
3. 1 掛籃構(gòu)件的傳力過程
考察主梁設(shè)計截面的形狀, 單箱單室的截面形式至多可用8 個相對獨立的內(nèi)外模板(外頂模2 塊+ 外側(cè)模2 塊+ 底模1 塊+ 內(nèi)頂模1 塊+ 內(nèi)側(cè)模2 塊) 拼接而成. 作為待澆梁段混凝土的支撐面, 內(nèi)、外頂模支撐翼緣板與頂板的混凝土重量,模板以上的重量則由間隔分布的8 根內(nèi)、外縱滑梁承受, 內(nèi)、外縱滑梁把力傳遞到已澆梁段的頂板和前上橫梁上安裝的吊桿上. 待澆腹板和底板混凝土的重量通過底模傳遞給底欄縱、橫梁, 通過前、后下橫梁上安裝的吊帶傳力給已澆梁段的底板和前上橫梁. 而前上橫梁的所有荷載則都傳遞到三角形主桁架上, 三角形主桁架的前支點和后錨點把力再傳給已澆梁段的頂板, 圖2 為澆注某一節(jié)段混凝土?xí)r掛籃構(gòu)件的傳力過程.
3. 2 構(gòu)件內(nèi)力的計算
因施工過程中節(jié)段荷載的不斷變化, 掛籃中各桿件的受力也在不斷變化中, 因此擬訂一個最不利的施工過程進行計算, 既可以優(yōu)化桿件的設(shè)計, 又可以確保施工安全. 擬訂最不利施工過程的依據(jù)是待澆梁段混凝土的總體積最大, 總重量最重, 圖3 為按設(shè)計劃分的單“T ”沿36 個梁段的體積分布. 因為各構(gòu)件在所有施工過程中的受力具有相對的獨立性, 有必要根據(jù)設(shè)計分段的情況把主梁截面細分. 如34# 節(jié)段(最長3. 5 m 梁段) 混凝土重量可能會對翼緣板外滑梁和頂板內(nèi)滑梁產(chǎn)生最不利影響, 1# 節(jié)段(最重2. 2 m 梁段) 可能會對底?？v橫梁以及前后吊掛構(gòu)件產(chǎn)生最不利影響. 根據(jù)設(shè)計節(jié)段長度的變化, 擬訂1# , 11# ,21# 和34# 四個施工節(jié)段, 其混凝土重量對掛籃構(gòu)件的效應(yīng)可以涵蓋其它施工節(jié)段, 掛籃構(gòu)件內(nèi)力計算即以這四個施工節(jié)段為基準, 空掛籃狀態(tài)則以1# 施工節(jié)段為基準計算.
計算中, 掛籃系統(tǒng)采用空間(桿系+ 板塊) 有限元進行彈性分析, 其中三角形主桁桿件、橫聯(lián),上、下橫梁, 底籃縱梁, 內(nèi)、外縱滑梁用梁單元來模擬; 吊桿、吊帶用只拉桿單元來模擬; 底籃模板采用具有較大剛性的板單元來模擬(圖4和表1).
這種空間模型較一般采用的平面桿系模型更能反映每根桿件或每塊模板的受力和變形情況, 避免了平面桿系模型中三角形主桁片桿件合并帶來的桿件受力和變形平均化問題, 對分析各桿件的真實受力狀態(tài)有益, 也對掛籃總體變形及施工標高的控制有益.
3. 3 構(gòu)件選用及優(yōu)化
根據(jù)各個工況建立空間模型, 分析各構(gòu)件在不同工況下的最不利荷載, 以此作為構(gòu)件選用的主要依據(jù). 構(gòu)件選用不能只考慮應(yīng)力是否滿足要求, 同時還要考慮桿件的拉壓穩(wěn)定、構(gòu)造要求及加工是否方便等, 要注意普通鋼材和特種鋼材的綜合應(yīng)用. 在適當范圍內(nèi)除追求掛籃重量最小化外, 還要考慮綜合費用投入、使用效果及施工安全等因素.
3. 4 計算結(jié)果及分析
與表2 中五種工況對應(yīng)的掛籃底籃的最大變形分別為: 1# : 11. 3 mm; 11# : 9. 4 mm; 21# :8. 8 mm; 34# : 8. 0 mm; 掛籃從1# 行走至2# 節(jié)段時為15. 8 mm. 從計算結(jié)果看, 掛籃在整個施工過程中構(gòu)件的應(yīng)力是能夠滿足材料的允許值要求的. 澆注混凝土過程中掛籃的變形較小說明掛籃的整體剛度較大, 這有益于在實際施工中對線型及標高的控制, 進而提高施工質(zhì)量.
4 結(jié) 語
韓家店1 號特大橋選擇三角形掛籃這種合理的掛籃形式, 設(shè)計中充分了解了掛籃在施工過程和走行過程中各構(gòu)件的傳力機理, 建立了掛籃在各種工況下適用并合理的三維空間有限元模型,以至于能夠比較完整地了解各桿件的受力和變形情況, 計算結(jié)果滿足各施工過程受力和變形的要求.
每一座懸灌施工的大橋都有其自身的特點,這需要綜合考慮大橋本身因素以及圍繞大橋伴生的各種因素對掛籃選擇的影響. 技術(shù)層面上, 對選定的掛籃還需進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式和桿件的設(shè)計. 總之, 這種輕型、重載的掛籃結(jié)構(gòu)形式有利于增強施工現(xiàn)場的可操作性.
參考文獻
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