三角挂篮模拟堆载预压实验研究

李正权 ，陈建超 ，朱洪涛

（1.徐州公路工程总公司，江苏徐州 221001；2.龙口市建筑工程质量监督站，山东龙口 265701）

0 引言

挂篮，作为预应力连续梁和连续刚构桥悬臂浇筑施工过程中采用的主要施工设备，有平行桁架式、三角、弓形、菱形等多种形式[1-2]。其中，三角挂篮以其受力明确、构造简单、轻便等特点成为一种目前较为常用的挂篮形式。另一方面，挂篮在正式用于工程施工时，需先开展预压实验[3～6]。预压实验的主要作用包括三个方面：（1）验证挂篮的承载能力，寻找薄弱环节以便加固；（2）消除挂篮结构的非弹性变形；（3）获得预压加载过程中挂篮的应变响应过程，为连续梁或连续刚构桥预拱度设置提供参考[7]。借助砂袋或水袋直接堆载是比较常规的方法，但在工程实践中，由于需要准备较多的辅助物品并需大型起吊设备，在费用、时间上浪费较多，场地占用时间较长。因此，变更荷载施加途径成为了一个比较热门的工程实践研究课题。针对三角挂篮的预压实验，已有的研究从预压实验荷载选择及施加、挂篮在墩顶的拼装、挂篮预压试验资料分析等多方面开展了研究，其中针对挂篮预压荷载的施加分别采取了砂袋（或水袋）直接堆载法、预埋支撑结合千斤顶施加反力法[4]、两挂篮横卧对向锚固后在主梁前端用千斤顶施加推挤力模拟加载法等多种方法[5]。不过，不论采取哪种形式，真实地模拟施工荷载和加载过程以校验挂篮的安全稳定性、获得准确的应变响是挂篮预压堆载实验的根本目的。

1 挂篮堆载预压实验方案与实施

位于徐州境内的徐洪河大桥为45 m+65 m+37 m预应力混凝土连续梁桥。大桥最重节段（1号块）长3.5 m，箱梁中心高3.44 m，底板厚0.654 m，腹板厚度为0.75 m，节段重量约126 t。

大桥采用三角挂篮浇筑，挂篮主构架由2件对称的桁架式承载构件联结而成。挂篮主构架是简支结构，杆件间以销轴连接，见图1。单个挂篮立柱（AB）高 3 m，主弦杆（CBD）长 9.4 m，均由两根32B槽钢拼焊而成；斜拉杆由两片25 mm厚、220 mm宽的16Mn钢板构成，斜32°布置。除了主体结构外，挂篮结构中的前横梁采用2根45B工字钢，吊杆采用Φ32 mm精轧螺纹钢筋。挂篮底模前后横梁吊点各5个，挂篮侧模和箱室顶板内模各2个吊点。每榀三角架后部有2根后锚扁担梁，各通过2根Φ32 mm精制螺纹钢筋竖向锚固于已浇筑箱梁上。挂篮模板系统中，底模重12 t，侧模重 2×5.5 t，内模重 3 t。

图1 三角挂篮外形尺寸示意图（单位：cm）

在实际操作过程中，考虑采用在地面上将两片三角挂篮主构架对向拼接，并借助油压千斤顶对拉来模拟预压的方法开展预压实验，见图2。挂篮一端用Φ32 mm精轧螺纹固定，中间部位用工字钢制成的垫梁做支点，另一端用110 t油压千斤顶逐级加载。采用这种方法的主要出发点是：（1）更好地满足预压吨位要求：油顶预压可以满足预压要求的吨位，而沙袋预压受空间限制不能很好地满足预压要求；（2）缩短工期并节省费用：油顶预压的施工工期为1 d，而采用沙袋预压的施工工期接近1周，油压千斤顶预压的机械为油压千斤顶一套，沙袋预压需添置大量沙袋，并需要配置25 t汽车吊一辆同时耗费大量人力。但考虑到挂篮上桥拼装后，在浇筑混凝土之前，结构仍未经历预压消除接触变形的过程，因此，采用地面拼装千斤顶预压的过程，更重要的是获得挂篮主体结构的应变响应。

图2 对拼三角挂篮及油压千斤顶预压实验

预压实验实际最大堆载值为50 kN，共分5级进行加载和卸载，加载实验过程中，用钢尺量取两挂篮主弦杆顶面之间的距离变化。由于采用的是两挂篮拼合的方式，因此，主弦杆间距离的变化值对于单个挂篮而言应当减半。荷载施加过程中，1/2收缩量与荷载之间关系见图3。

图3 实测1/2收缩量曲线与荷载之间关系曲线

另外，对于与施加荷载端相对的锚固端，实验过程中，也进行了锚固钢筋伸长量的测量，其数值仅4 mm，中部垫梁的压缩变形仅2 mm，对加载端的影响较小。这主要是在加荷载之前，首先将挂篮间工字钢垫梁安装到位，然后对整个挂篮主弦杆的两端同时使用螺纹筋、螺帽并配合千斤顶进行了锚固，然后，将垫梁位置处也采用螺纹筋锚固扎实，最后，放松荷载施加端螺帽进行加荷，这样，有效地限制了非荷载施加端的变形。

2 试验测试结果分析

从图3中可以看出，挂篮在加载之初，由于存在明显的非弹性变形（主要是构件之间接触部位相互挤压的紧致过程产生的变形），实验曲线在加载之初呈现明显的非线性。加载借助的紧固件与挂篮间咬合有个从宽松然后骤然紧密的过程。当荷载增加到20 kN之后，接触部位由于挤压已经充分，整个挂篮实验体系才呈现出明显的线弹性工作状态。从挂篮预压实验的三个主要目的中的消除挂篮结构的非弹性变形来看，在实际施工过程中，若挂篮的底模、侧模以及临时施工荷载超过这个数值的话，则可以在底模高程调整之前就将结构间紧致过程完成，避免在确定底模立模高程过程中出现偏差。另一方面，与本次在地面拼装挂篮进行实验不同的是，传统的在桥面拼装挂篮的时候，要进行预压实验，则至少需要构建桁架、支撑、悬吊和模板系统中的底模和侧模，模板的重量在进行实验之前已经主要由挂篮承担，其重量一般都接近20 t（本桥超过25 t）。故此，在地面拼装挂篮进行实验过程中获得的变形数值中，接触变形或者称非弹性变形要远远大于在桥面拼装挂篮后开展的预压实验，而此部分变形在后一种类型的试验过程中，由于已经先于堆载产生，故而是测不到的。值得关注的是，挂篮在桥面拼装并浇筑混凝土时，其传力机理与地面挂篮主桁架对拼后开展的预压实验存在较为明显的不同。以如图4所示的挂篮系统为例，桥梁梁段底板、腹板浇筑时产生的竖向自重荷载主要由挂篮的底模系统承担，顶板自重产生的荷载由内模系统承担，翼板的荷载由外模系统承担，这些荷载首先通过挂篮的前、后吊杆或吊带传递到前、上横梁和已浇梁段的底板及腹板上。最终，前、上横梁的所有荷载都传递到挂篮的主桁架上，主桁架再通过前支点和后锚点把力传递到已浇梁段的顶板、腹板上。悬吊系统和主桁系统部分起着力转换的作用。挂篮吊架在浇筑梁段中所产生变形的调整，能通过调整前吊杆高度或在后锚横担梁上配重加以调整。

图4 徐洪河大桥挂篮布置立面图（单位：cm）

预压实验过程中，千斤顶的推挤力直接作用于三角桁架的底部弦杆，整个过程中，除了与预压荷载施加端相对的主弦杆另一侧由于采用的是螺纹筋锚固的方式，会产生拉伸变形之外，挂篮主桁架之外的部分（特别是悬吊系统）的变形都被忽略。与常规挂篮预压实验时，底模和侧模的重量在立模高程确定之前即由挂篮为主承担，且悬吊、模板甚至行走系统均参与试验有所不同，因此，上述地面拼装后堆载过程中的荷载吨位选择、加载位置、观测方法是否合理，均需加以分析。

采用Ansys软件对试验进行模拟。立柱和斜拉杆采用杆单元，主弦杆采用梁单元。计算得到的主弦杆前端最大下挠为15.6 mm，各杆、梁变形见图5。与图3中对应荷载（400 kN）所产生的位移（22 mm）相比，有较大出入。若将图3中非线性变形阶段扣除部分，200 kN荷载，弹性变形按8 mm计，其余4～5 mm认为是锚固系统与挂篮之间紧致、加载非线性、变形非线性等原因产生的形变，则两者数值较为接近。由此可见，在上述试验所获得的数据中，有一部分是由于试验系统设计和操作过程中引入的粗差，需要将其剔除后再进行挂篮真实响应的计算。其次，挂篮桁架受千斤顶顶推作用情况下，其荷载施加过程与沙袋堆载的传统方式相比，不够均匀、加载历时也较短等原因均会造成实测数据的偏大。

3 箱梁浇筑预拱度设置

预应力箱梁由于施工荷载和后续节段施工荷载的影响，其节段前缘会产生较大下挠，使得箱梁顶、底高程偏离设计线形，故而箱梁节段施工过程中，需要设置预抛高（预拱度）以抵消其影响。预拱度数值的大小主要受以下因素影响：一期恒载、预应力、二期恒载、结构体系转换、挂篮变形、混凝土收缩徐变、墩身压缩、温度影响、临时施工荷载、活载，其中预应力和混凝土收缩会造成体系紧致，对施工预拱度设置有减小的作用，其余部分，则多数会造成施工过程中本节段或之前已浇筑节段的下挠。实际施工过程中，影响线形控制的主要不可控因素是挂篮的非弹性变形部分。

在上述挂篮实验中，可以看出，对于非新制挂篮，非弹性变形主要集中于荷载施加初期，而预压实验数据中的后半段，弹性特征明显，可以作为参照，并依照每个节段箱梁的自重、长度计算获得浇注过程中的挂篮变形值。

徐洪河大桥施工过程中，对于预拱度的设置采用了Midas软件进行箱梁自重荷载、预应力张拉、混凝土干缩及徐变、温度变化等模拟，对于挂篮的变形，1号块按照20 mm考虑，对比如图3所示，扣除了部分非弹性变形的影响，但仍保留了部分数值以抵抗挂篮锚固不实等原因产生的下挠。施工监测结果显示，上述设置是合理的，保证了桥梁底板线形的美观、流畅。

4 结语

对于三角挂篮这一轻便挂篮的典型代表，在施工前对其开展堆载预压，是获知挂篮稳定性和应变响应的重要途径，借助千斤顶而非砂袋在地面拼接挂篮进行预压实验，一方面操作更为安全，可以大幅节省工期，另一方面，更为安全。其满足了验证挂篮的承载能力，获得预压加载过程中挂篮的应变响应过程两个最重要的要求，而对消除挂篮结构的非弹性变形，考虑到挂篮系统模板重量较大，且施工控制均是在模板系统就位后进行调整，故而，完全可以满足消除挂篮系统各部件间接触变形的需要。反过来，地面拼装后采用千斤顶加载的初期，其获得的数据中会包含部分非弹性变形，需要结合分析将其剔除，避免对挂篮的真实相应计算引入误差。此外，在开展预压实验的过程中，需注意其受力差异，针对性地开展构件对拼准备、实验数据分析和相应的数值分析工作，才能更好地完成相关的实验工作。

值得说明的是，考虑到由于千斤顶施加荷载的灵活性，施加对拉力的时候，特别是加载前期，可缩小步长，使构件各个部分渐进地紧致；荷载施加完成后，卸载过程中也应在小荷载区间延长停滞时间，以便观察挂篮的残余变形数据。这是上述试验过程中忽略了的问题，在今后的试验过程中，需要加以改进。

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