大跨度连续刚构桥梁悬臂浇筑施工关键工序的施工质量控制

宋少骞（上海建科工程咨询有限公司， 上海200032）

0 引 言

大跨度连续刚构桥通常采取挂篮悬臂浇筑法进行施工，该工艺是以已经完成的桥墩为起点，在两侧通过挂篮浇筑第一节段混凝土，待混凝土达到一定强度后，张拉预应力钢筋，然后将挂篮向前移动，进行下一节段结构的施工，逐段对称地向跨中合拢。

挂篮悬臂浇筑法属于无支架施工工艺，不占用桥位下部空间，有利于现场交通组织；无需大型吊装设备，有利于降低工程造价；各个施工工序均在挂篮内进行，有利于施工的连续性；梁体分段、分节施工，有利于变截面箱梁的施工；悬臂施工过程中与桥梁合拢后的结构受力状态较为接近，有利于桥梁结构整体受力。

虽然悬臂浇筑法存在很多优点，但同时也存在一些问题。由于是悬臂施工，挂篮结构的安全性、稳定性尤为重要，同时由于施工过程中容易出现偏载，进而产生不平衡弯矩，所以还要严格控制上部结构的线型。本文结合某实际桥梁工程，对桥梁悬臂浇筑施工工艺的关键工序施工控制方法进行说明。

1 工程概况

某工程桥梁跨度216m，上部结构为三跨连续刚构桥梁，采用预应力箱梁结构，跨径组合为60m＋96m＋60m，单幅桥宽20m。下部结构桥墩采用柱式墩，基础采用桩基承台。箱梁高度沿纵桥向逐渐变化，箱梁截面最大高度为6.0m，跨高比为1/16，最小高度为2.4m，跨高比为1/25。箱梁共分为13个节段进行浇筑，0号块和1号块采用支架现浇法施工，2号块～13号块采用悬臂浇注法施工，桥梁中间现浇合拢段长度为4m。

2 悬臂浇筑施工

2.1 挂篮设计

挂篮结构主要由吊挂系统、承重系统、锚固系统、模板系统、张拉系统和行走系统组成。本桥挂篮采用菱形挂篮，单只挂篮重量不超过50t，采用3榀主桁架，主桁架间距为5.8m，箱梁节段最大重量为166t，K1＝挂篮重量/节段最大重量＝0.3。挂篮的底篮由纵梁、前下横梁、后下横梁和底部模板组成，纵梁采用32a 型钢，前下横梁和后下横梁采用 H40H 双拼型钢，吊杆采用直径32mm 的螺纹钢，利用千斤顶对模板进行调整。在悬臂浇注施工过程中，挂篮前部的荷载通过吊杆传递到前上横梁，挂篮后端的荷载由吊杆传递到在上一节已浇筑梁段。挂篮的主桁架之间在平面上设置平联杆件，立面设置平联桁架，以保持挂篮的平面和立面的整体稳定性。

2.2 挂篮结构验算

2.2.1 挂篮荷载计算

该桥梁最大节段为2号块，长度为3.5m，重量为166t，最大施工节段长度为4.0m，箱梁截面宽度为12m。将最大节段重量换算成面荷载为 P1＝1660/5/12＝27.66kPa；施工荷载为P2＝1.5kPa；换算成集中荷载为1.5×4×12＝72kN；混凝土振捣荷载为 P3＝2.0kPa，换算成集中荷载为2.0×4×12＝96kN；底模板荷载为 P4＝50kN/5/12＝0.83kPa；外侧模板和外侧导梁荷载 P5＝160＋32＝192kN；挂篮底模纵梁面积荷载为82.18/5/12＝1.37kPa；内模荷载 P7＝110/5/12＝1.83kPa；横梁总荷载 P8＝28＋26＋36＝90kN。

针对挂篮结构进行受力分析，对以上计算的各项荷载作荷载组合，挂篮底模纵梁所承受的荷载为 P＝P1＋P2＋P3＋P4＋P6＝27.66＋1.5＋2＋0.83＋1.37＝33.36kPa，然后对主桁架的荷载进行验算，悬臂浇筑施工时的荷载由主桁架和箱梁端部共同承受。假定两者各承受一半的荷载，则挂篮主桁架前上横梁承受的荷载为 P＝P1＋P2＋P3＋P4＋P5＋P6＋P7＋P8＝1660＋72＋96＋50＋192＋82.18＋110＋90＝2352.18kN，将荷载平均分配到3片桁架，则荷载为392kN。挂篮结构中受力最大的前上横梁，选用2H40宽翼缘H型钢双拼而成，其所承受的总荷载按照3×392＝1176kN 考虑，计算时换算成均布荷载计算。

2.2.2 挂篮结构计算

首先，运用 Midas Civil 有限元计算挂篮整体桁架单元的内力和变形，桁架最大位移为挂篮的前端，最大位移值为12mm；挂篮桁架单元的最大应力为70.9MPa＜[σ]＝140MPa，满足规范标准的要求。

然后计算前横梁受力情况，前横梁上面除了悬挂前下横梁的6个吊点以外，4个外模导梁和4个内模滑梁等8个吊点，前横梁的总荷载 P＝3×392＝1176kN，换算成前上横梁的均布荷载 q＝P/L＝1176/16.64＝70.67kN/m；前横梁由2片 H400宽翼缘型钢组成，将线荷载平均分布到两片型钢上去，每片型钢的荷载为70.67/2＝35.34kN/m。

利用 Midas Civil 计算杆件的内力和变形，计算结果如下。

（1）支点反力计算结果：支点反力分别为199.3kN、195.2kN、199.3kN。

（2）弯矩计算结果：最大弯矩117.8kN·m。

（3）剪力计算结果：最大剪力107.6kN。

（4）最大应力计算结果：最大剪切应力37MPa＜[τ]＝85MPa，满足规范标准的要求。最大组合应力99MPa＜[σ]＝140MPa，满足规范标准的要求。

（5）最大位移计算结果：变形最大为悬臂端的位移6mm＜L/250＝575/400＝14mm，刚度满足要求。

最后计算下横梁、前下横梁和后下横梁，下横梁以6根吊杆作为弹性支点。前后下横梁的受力基本相同，现选取前下横梁进行计算分析。前下横梁的总荷载 P＝3×392＝1176kN，换算成前上横梁的均布荷载 q＝P/L＝1176/12.68＝92.74kN/m；前下横梁由2片 H400宽翼缘型钢组成，将线荷载平均分布到两片型钢上去，每片型钢的荷载为92.74/2＝46.37kN/m。

用 Midas civil 建立模型进行计算分析，计算结果如下。

（1）弯矩和剪力计算结果：最大弯矩60.9kN·m，最大剪力102.2kN。

（2）下横梁组合应力计算结果：最大应力50.7MPa＜[σ]＝140MPa，强度满足要求。

（3）下横梁变形计算：最大位移2mm＜L/400＝4340/400＝10mm，刚度满足要求。

2.2.3挂篮稳定性计算

当挂篮移动到下一节段箱梁的浇注位置时，是挂篮空载情况下稳定性最不利的工况，此时挂篮的力臂是最大的，所以承受的倾覆力也是最大的。该工况下主要的荷载包括为施工荷载72kN，外侧模板160kN，底模纵梁82.18kN，内模板110kN；前上横梁、前下横梁28＋26＝54kN；将上述荷载平均分配到挂篮的前端和后端，并乘以1.2的安全系数，则挂篮在移动前进的最不利工况荷载为1.2× [（72＋160＋82.18＋110）/2＋54]＝319.1kN。

所以，挂篮每榀桁架前端承受的荷载319.1/3＝106.5kN，反扣轮组的荷载为112.7kN，反扣轮组与挂篮主结构之间采用一根型号为 ×Z50-170的贝雷销进行连接，贝雷销的截面积为 A＝3.14×25×25＝1962.5mm2，抗剪强度为585MPa，112.7kN＜容许剪力 [F]＝1962×585＝1147kN，安全系数 K＝1147/112.7＝10.17，满足规范要求。

反扣轮组中有8只轴承，而实际使用时挂篮受力并不均匀，所以出于安全考虑，假定反扣轮组在使用时只有4只轴承受力，每只轴承的额定荷载为48.5kN，4只轴承的容许荷载为4×48.5＝194kN，大于112.7kN，所以反扣轮组轴承的安全性满足施工要求。

8只轴承之间有4根直径为60mm 的固定轴，如前所述，考虑到实际使用时挂篮受力并不均匀，出于安全考虑，假定使用时只有2根固定轴受力，则每根固定轴承受的剪力为 τ＝112.7/2/（3.14×30×30）＝19.9MPa＜[τ]＝85MPa，抗剪强度满足施工要求。根据上述计算结果，挂篮在空载移动的最不利工况条件下，抗倾覆稳定性满足施工安全要求。

2.3 挂篮拼装

挂篮的拼装施工在0号块和1号块施工完成和支架拆除之后进行，主桁架在地面拼装完成，然后安装挂篮底部轨道垫梁、行走轨道、上压梁、下压梁和反扣轮组合前支座，然后吊装主桁架，将挂篮主桁架后端锚固固定并安装竖向平联支撑桁架、后锚平联和水平支撑，然后安装挂篮前上横梁、挂篮前吊杆。在地面上拼装底篮，然后将底篮提升至设计标高，将外侧模、外滑梁和外导梁一起进行提升，然后根据立模的标高调整外侧模的标高。

2.4 挂篮荷载试验

挂篮拼装完成后，需要对挂篮进行承载力和变形的试验。通过挂篮荷载试验，可以有效地消除挂篮的非弹性变形，并检测其弹性变形值。本桥梁悬臂浇筑梁节段的最大重量为166t，加载重量为施工荷载的1.2倍，即199.2t。施工现场采用1.5t 重的砂袋进行堆载，累计堆载133包砂袋，总荷载共计200t。墩柱两侧的挂篮采用同时对称逐级加载，整个加载过程按0.5倍、1倍、1.2倍进行三级加载，加载总重量为200t。每级加载完成后，保持2h～3h，然后测取该级荷载下挂篮各部位的挠度值，整体加载完成后维持荷载24h，再测取挂篮各部位的挠度值，最后分三级对挂篮进行卸载。

试验测得挂篮下沉最大值为38mm，下沉最小值为12mm，卸载后的最大回弹值为25mm，最小回弹值为0，挂篮平均变形挠度为15mm，根据试验数据，现场施工采用的预抛挠度值为18mm。根据荷载试验测得的弹性变形值，可以拟合出挂篮的弹性变形曲线，作为后续施工的控制标高，并与设计标高进行比对，作为施工参考的依据。

2.5 箱梁线形控制

挂篮悬臂浇筑的线形控制应综合考虑桥梁的悬臂长度和每一节段的重量、挂篮自身的重量、施工荷载、温差变形、预应力张拉等因素。在施工前，应计算出每一节段前端的挠度值，根据挠度值确定各节段的预拱度。在悬臂浇筑施工过程中，每一节段在混凝土浇筑前、预应力张拉前后和挂篮移动前后，应分别测量箱梁节段的标高，采取梁段挠度计算和实际测量数据相结合的方式进行控制。根据每个梁段的设计预拱度和挂篮弹性变形值等参数，确定预抬高值，对梁段的线形逐段地进行调整。

2.6 合拢段施工

先将位于边跨一侧的挂篮底模平台下放至地面拆除，主桁架用吊机拆除；同时将中跨侧的挂篮前移至中跨合拢段位置，底模平台通过吊杆固定在14号块的预留孔上，与挂篮底模横梁的间距对应。挂篮就位后，测量中跨14号块的前端标高与设计值比较，若高差在2cm 以内，即可进行模板安装，若超出要求，则采用在箱梁上压重的方法进行调整。

预压重在劲性骨架焊接前进行，采用与合拢段混凝土等重的沙袋和水压重，在浇注混凝土过程中根据浇注速度卸载与混凝土等重的压重。合拢段劲性骨架由劲性钢管和调节钢管组成，劲性钢管共计8根，劲性钢管垫板下设螺旋筋与钢筋网，要求劲性骨架在夜间最低温时焊接。合拢段混凝土标号为 C50，采用泵送浇筑，塌落度控制在（12±2）cm，混凝土初凝时间不小于8h，混凝土在夜间最低温时浇注。合龙段完成后，经测量复核，上部结构高程平均误差为9mm，符合规范和标准的要求。

3 结 语

本文通过某桥梁工程实例，对悬臂浇筑施工关键工艺的控制方法进行阐述，通过对挂篮结构进行有限元分析，对其安全性和稳定性进行了验算，挂篮重量/节段最大重量为0.3，在保障施工安全的同时，最大限度地将挂篮轻量化。通过荷载试验确定挂篮预抛挠度值，施工过程中采用梁段挠度计算和实时监测相结合的方式，逐段对线形进行调整和控制，确保了最后合拢段的顺利施工，为今后类似桥梁工程的施工提供了一定的参考作用。