新型异步浇筑法施工挂篮受力研究

黄海珊，唐成，陈泽，余鹏

（1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004；2.桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室，湖南长沙 410004）

新型异步浇筑法施工挂篮受力研究

黄海珊1，2，唐成1，2，陈泽1，2，余鹏1，2

（1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004；2.桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室，湖南长沙 410004）

为进一步推广波形钢腹板PC组合箱梁桥的应用范围，以头道河大桥为研究对象，对新型异步悬臂浇筑施工方法所采用的挂篮进行研究，介绍了该施工方法的施工流程、挂篮设计，并通过有限元对挂篮的受力、变形进行分析。结果表明，异步悬臂浇筑施工方法工艺流程简洁，挂篮构造简单，受力、变形合理，可克服传统挂篮易倾覆的缺点，具有良好的社会经济效益；结构砼根部应力或0#块波形钢腹板剪应力均符合规范要求。

桥梁；PC组合箱梁；波形钢腹板；异步悬臂浇筑；应力

波形钢腹板PC组合箱梁桥由于采用轻型波形钢腹板代替厚重的砼腹板，大幅减轻了结构自重，提高了预应力效率，节约了工程投入，缩短了施工工期。相比传统连续刚构或连续梁，该桥型由于结构轻盈，具有良好的抗震性能。现阶段对波形钢腹板组合箱梁桥的研究主要集中在结构的屈曲强度、剪力连接件等方面，并取得了一系列研究成果，为该桥型的迅速推广起到了良好的促进作用。但结合结构的构造特性及受力特点开展其施工工艺创新方面的研究还未见报道。

目前波形钢腹板PC组合梁桥常采用的施工方法主要有满堂支架法、悬臂施工法、顶推法等，其中以挂篮悬臂施工法居多。实践表明，相对于传统挂篮施工方法，新型异步浇筑施工法具有工艺流程简洁、工期短、经济性指标高等优点。该施工方法自提出并在实际工程中应用以来，对其研究主要集中在抗弯、抗剪等受力指标上，而对于该施工方法所采用挂篮的受力变形和安全性等方面的研究则较少。为此，该文以实桥为研究对象，基于有限元程序建立计算模型，分析该施工方法所用挂篮的受力、变形等性能，并通过施工现场加载试验对挂篮的安全性及可靠性进行验证。

1 工程简介

头道河大桥地处四川省西南边陲，是叙古（叙永—古蔺）高速公路中的重点工程之一，横跨古蔺河的支流头道河。该连续刚构桥上部采用波形钢腹板组合结构，跨径布置为72 m+130 m+72 m；主梁采用分幅式单箱单室截面，每幅箱梁顶板宽12 m、底板宽7 m；梁底采用1.8次抛物线，跨中处梁高为3.5 m，底板厚30 cm，根部梁高为7.5 m，底板厚110 cm。桥型布置如图1所示。

图1　桥梁布置示意图（单位：m）

波形钢腹板钢材采用Q355NHC，波长1.6 m，波高0.22 m，钢板厚14～24mm，水平折叠角度为30.7°，弯折内径R为15t（t为波形钢腹板厚度），其细部构造如图2及图3所示。

图2　波形钢腹板节段示意图

图3　波形钢腹板单位波长构造示意图（单位：mm）

2 新型异步浇筑施工法

2.1工艺流程

头道河大桥施工阶段结构如图4所示。从中可见，当前施工阶段结构主要包括：1）异步浇筑施工平台；2）当前施工节段（第n节段）的底板；3）当前施工节段（第n节段）的波形钢腹板；4）上一施工阶段已完成的第n-1节段顶板；5）上一施工阶段已完成的第n-1节段波形钢腹板；6）当前施工节段安装的下一节段（第n+1节段）的波形钢腹板。

图4　头道河大桥结构节段示意图

若采用传统挂篮施工波形钢腹板PC组合箱梁桥，挂篮安装就位后，作业区内安装波形钢腹板、立模、顶底板钢筋绑扎、砼浇筑均只能在n节段工作面进行，作业面受限，交叉作业多，周期长。而采用异步浇筑法施工时，作业区由原来的单个节段工作面扩大到n-1、n、n+1 3个节段工作面，n-1节段顶板施工、n节段底板施工、n+1节段波形钢腹板安装3个作业面流水施工，极大地提高了施工效率，缩短施工周期。

2.2施工挂篮设计

头道河大桥采用异步浇筑施工方法，挂篮设计为吊挂式，利用波形钢腹板作为挂篮的承重结构，可大幅减小挂篮自重，一套挂篮重约50 t（含模板、操作平台、施工人员及机具重量）。该挂篮由承重系统、吊挂提升系统、行走系统、模板系统四部分组成，结构布置如图5、图6所示。

图5　挂篮主要承重结构示意图

图6　挂篮横桥向总体布置

（1）承重系统主要由波形钢腹板、支点、吊杆、前后上横梁及连接纵梁组成。主承重梁为波形钢腹板，因波形钢腹板下沿与底板砼为埋入式连接，对下沿受力极为不利，需在波形钢腹板下沿增加28 cm宽、20mm厚Q345钢板，下翼缘钢板与波形钢腹板采取双面贴脚焊连接。此外，为了保证波形钢腹板安装时的稳定性，确保波形钢腹板具有足够的纵向及横向刚度，在左右两波形钢腹板之间设置临时支架横撑。

（2）吊挂提升系统主要使用吊杆来承受底板，采用40Cr吊杆和φ32精轧螺纹钢吊杆，全部采用连接器连接。在每个吊点处根据受力大小分别准备不同规格千斤顶作为提升动力，以便能及时快速地调整底部模板标高，提高生产效率，缩短施工周期。

（3）挂篮前、后支点支承在波形钢腹板上翼缘板及开孔钢板形成的凹槽内，凹槽内设四氟滑板，减少挂篮前进时的摩擦力。挂篮前移采用2根20 t液压杆作为动力。行走方法为一头铰接锚固在挂篮后支点上，通过电动油泵供油，达到行程后利用钢销将另一头铰接锚固在波形钢腹板开孔钢板φ60贯穿孔上，电动油泵回油，液压杆牵引后支点滑动带动整个挂篮前进；达到一个行程后，将贯穿孔内钢销取下，液压站供油，达到行程后利用钢销再次锚固于贯穿孔上，重新推动液压杆开始下一个行程动作。如此往复几次，直至最后就位。异步施工法使用的挂篮利用波形钢腹板作为主纵梁，结构体系由常规挂篮的悬臂体系转变为简支体系，取消了纵梁及后锚体系，支点在波形钢腹板上翼缘钢板凹槽内滑动，取消了轨道，既可有效减少挂篮自重及梁体预留眼孔，又能确保挂篮前进时的安全。

（4）模板系统包括顶板模、底板模、封端模和工作平台等，所有模板设计均按全断面一次浇筑箱梁砼考虑。

3 挂篮受力分析

3.1挂篮有限元数值模拟

3.1.1模型建立

根据挂篮设计图纸，采用MIDAS/Civil建立模型（如图7所示）。建模时考虑的荷载包括挂篮自重、模板荷载、人群和机具荷载及砼湿重。

图7　挂篮有限元模型

3.1.2结果分析

根据有限元分析结果，在各荷载组合作用下挂篮主要构件应力和变形分别如表1、表2所示。

表1　挂篮主要构件应力

表2　挂篮主要构件变形

由表1可看出：在各荷载作用下，挂篮吊杆最大应力为193.3 MPa，明显低于设计允许应力930 MPa；纵梁及滑梁的最大应力为121.6 MPa，亦低于设计允许应力170 MPa。波形钢腹板PC组合箱梁桥采用异步浇筑法施工时，挂篮主要构件的应力值符合规范要求。

由表2可知：挂篮主要构件在各荷载作用下产生最大变形的是内滑梁，达到11.5mm，但仍低于容许变形值14.5mm。异步浇筑施工法下挂篮各主要构件变形符合规范要求。

3.2施工现场挂篮荷载试验

为检验挂篮系统在各工况下的结构受力及机具设备的运行情况，确保系统在施工过程中绝对安全和正常运行，对挂篮系统进行加载试验，同时通过加载试验收集技术参数用于指导后续施工，为悬浇施工高程控制提供可靠依据。

3.2.1加载试验方案

以钢铰线配重的方式分级加载，加载分级为设计荷载的20%→50%→80%→100%（12 h后）→分级卸载。为了使加载试验能完全或基本模拟挂篮在砼浇筑过程中各种工况下的受力状态，加载时根据箱梁不同部位的不同荷载值均匀对称地将荷载分布于挂篮上。

加载前由之前在0#块根部截面顶、底板及波形钢腹板上相应位置布置好的高精度应力传感器进行应力监测；每一级荷载加载完成后，在钢腹板上选择两个测点（图8中的A、B）对波形钢腹板的下挠值进行观测。每一级荷载持荷时间均不少于1 h。

图8　变形观测点布置

3.2.2试验结果分析

各级荷载作用下挂篮挠度及应力变化与有限元模型计算值的对比如表3、表4及图9～11所示。

从图9～11可看出：在加载过程中，试验值与有限元计算值的变化趋势基本相同，且各阶段的数值十分接近。其中，砼顶板压应力及波形钢腹板的竖向剪应力基本呈线性变化，说明加载过程中其受力较为均匀；而底板压应力的变化较为明显。结构的受力及变形都处于合理范围内。

表3　挂篮各级荷载作用下的挠度变化值mm

表4　挂篮各级荷载作用下的应力变化值MPa

图9　挂篮各级荷载作用下的挠度值

图10　挂篮各级荷载作用下的顶底板应力值

图11　挂篮各级荷载作用下的腹板剪应力值

4 结语

该文以实际工程为依托，介绍了波形钢腹板PC组合箱梁桥的新型施工方法即异步浇筑法，并采用有限元方法对该方法所采用挂篮的安全性进行了有限元模拟及现场荷载试验，试验值与有限元计算值的变化趋势基本相同，且各阶段的数值十分接近，结构的受力及变形都处于合理范围内。

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2016-03-08