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摘要：本文分析比較了國內外多座預應力混凝土橋梁采用懸灌掛籃的設計優化指標，結合韓家店1號特大橋的掛籃設計，在掛籃形式上選取了有比較優勢的三角形掛籃。文中對該種類型的掛籃各構件的傳力機理做了仔細研究，而且建立了3D空間有限元模型，詳細分析了在施工過程中和行走過程中掛籃各構件的受力和變形情況，設計符合使用要求，掛籃較大的整體剛度也將對施工變形及線型標高的控制有益。

關鍵詞：連續剛構懸臂施工掛籃設計有限元

1.工程概況

韓家店1號特大橋是國道主干線重慶至湛江公路貴州省境內崇溪河至遵義高速公路上的一座特大型三跨預應力混凝土連續剛構橋，該橋主橋全長為454m，跨徑設置為122m+210m+122m。該橋箱梁0號段長15m，其中橋墩兩側各外伸1.5m，每個“T”構沿縱橋方向分為36個對稱梁段，梁段數及梁段長度從根部至跨中分別為10×2.2m，10×2.5m，13×3m，3×3.5m。橋體按整幅設計，箱梁采用單箱單室截面，頂板寬22.5m，底板寬11m，外翼板懸臂長5.57m，梁高由0號塊處的12.5m以半拋物線形式從根部過度到跨中的3.5m。

2.掛籃形式的選取

2.1分段施工法與懸灌掛籃的演化

預應力混凝土橋梁的分段施工法是從預應力原理、箱梁設計和懸臂施工法綜合演進而成的。自從二十世紀五十年代PC箱梁的分段施工法在西歐誕生以來[1]，國內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用平衡懸臂灌筑法——即單“T”的每一個設計節段利用掛籃對稱就地澆筑混凝土。懸臂灌筑法中不需要象滿堂支架法那樣大量的施工支架和臨時設備，不影響橋下通航和通車，施工不受季節、河道水位的影響。

平衡懸灌法施工的成敗及質量控制的優劣在于掛籃的工藝設計，掛籃設計的好壞直接影響到施工進度，它是特大橋梁施工中的一項關鍵技術。

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。特點是結構越來越輕型化，受力越來越合理，有些掛籃的行走系統還設計有統一的液壓伺服裝置來控制掛籃的升降和行走，使得掛籃操作及施工控制越來越趨向智能化[4]。

2.2掛籃設計的輕型化

目前，掛籃已向輕型、重載方向發展。其中可以用兩個主要控制指標β，β’來反映掛籃的設計優化與否。設定β=掛籃總重/懸澆節段重量，β’=主承重結構/懸澆節段重量。

β值越低，表示承受節段單位重量使用的掛籃材料越省，整個掛籃（包括模板）設計越合理；β’值越低，表示掛籃主承重構件使用的材料越省，設計越合理。另外，減輕掛籃自重采用的手段除優化結構形式外，最重要的措施是不設平衡重，并改善滑移系統，同時改進力的傳遞系統。

圖1列出了國內外20座大橋的的β值分布，其中最大為2.18，最小為0.31。

圖1國內外20座大橋的β值分布

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構設計，如施工狀態大橋主梁的強度及變形要求，近海施工風荷載的影響，吊機的噸位及安裝位置等等。一般來說，采用的掛籃須滿足：結構簡單，重量輕，安裝、拆除方便，安全可靠，灌注混凝土過程中變形小等特點。

韓家店掛籃形式在參考了平弦無平衡重掛籃、菱形掛籃、弓弦式掛籃、斜拉式掛籃等結構形式后，從中選取了三角形掛籃形式，該掛籃與其它形式掛籃比較有如下突出特點：

⑴、三角形掛籃與菱形掛籃相比，降低了前橫梁高度，即掛籃重心位置大大降低，從而提高了掛籃走行時的穩定性。

⑵、結構簡單，拆裝方便，重量較輕。設計中三角形掛籃主桁架和主要結構體系采用鋼板和型鋼焊制的箱形結構，單件重量較輕，主桁架桿件間采用法蘭結構用高強螺栓連接，易于搬運和拆裝。

⑶、該三角形掛籃平衡重系統利用已成形梁段豎向預應力鋼筋作為后錨點，取消了平衡重的壓重結構。

⑷、掛籃走行采用液壓走行系統，由導梁、走行輪、反扣輪、走行油缸組成，該系統具有掛籃就位準確、走行速度快、安全可靠等特點。

⑸、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．掛籃結構布置

該三角形掛籃由主桁、前橫梁、底籃系統、前吊系統、內外模滑梁系統、后錨系統組成，掛籃總重(含內外模)約為1160kN，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，對跨中合攏梁段所要求的支架重量須小于1300kN是顯然滿足的，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。總體布置圖以及吊掛系統如圖2-1、2-2所示。

4．掛籃的設計

4.1掛籃構件的傳力過程

考察主梁設計截面的形狀，單箱單室的截面形式至多可用8個相對獨立的內外模板（外頂模2塊+外側模2塊+底模1塊+內頂模1塊+內側模2塊）拼接而成。作為待澆梁段混凝土的支撐面，內、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、外縱滑梁承受，內、外縱滑梁則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則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。澆注某一節段混凝土時掛籃構件的傳力過程如圖3所示。

圖3澆注混凝土時掛籃構件的傳力過程

4.2構件內力的計算

掛籃必須適應整個施工過程，因施工過程中節段荷載的不斷變化，掛籃中各桿件的受力也是在不斷變化之中，因此擬訂一個最不利的施工過程進行計算，既可以優化桿件的設計，又可以確保施工安全。一般而言，擬訂最不利施工過程的依據是待澆梁段混凝土的總體積最大，總重量最重。按設計劃分的單“T”沿36個梁段的體積分布如圖4所示。因為各構件在所有施工過程中的受力具有相對的獨立性，有必要根據設計分段的情況把主梁截面細分，如34#節段（最長3.5m梁段）混凝土重量可能會對翼緣板外滑梁和頂板內滑梁產生最不利影響，1#節段（最重2.2m梁段）可能會對底模縱橫梁以及前后吊掛構件產生最不利影響。事實上，根據設計節段長度的變化，擬訂1#，11#，21#，34#四個施工節段混凝土重量對掛籃構件的效應可以涵蓋其它施工節段，掛籃構件內力計算即以這四個施工節段為基準，空掛籃狀態則以1#施工節段為基準計算。

圖4單“T”沿36個梁段的體積

計算中掛籃系統采用空間（桿系＋板塊）有限元進行彈性分析，其中三角形主桁桿件、橫聯，上、下橫梁，底籃縱梁,內、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，計算模型如圖5所示。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、變形平均化問題，對分析各桿件的真實受力狀態有益，也對掛籃總體變形及施工標高的控制有益。

有限元法計算中的部分參數如表1所示。

表1掛籃構件內力計算中參數的選定

序號

材料

序號

荷載

⑴

16Mn鋼

[σ]=200MPa

⑴

施工臨時荷載重

2.0kN/m2

⑵

A3鋼

[σ]=140MPa

⑵

施工沖擊荷載重

1.5kN/m2

⑶

混凝土

容重γ

26.0kN/m3

⑶

模板重量根據該節

所用數量確定

模板采用

定型鋼模

⑷

結構自重

程序自動加載

圖5空間計算模型示意（其中符號：△，▽分別表示支點和吊點）

圖中A:三角形主桁架；B,C,D:上、下橫梁；E:內、外滑梁；F,G:底籃前后吊帶；H:縱滑梁吊桿；I:底籃模板及縱梁

4.3計算結果及分析

表2列出了掛籃在4個澆筑階段（1#，11#，21#，34#施工節段）和空掛籃在1個行走階段（1#→2#施工節段）的構件應力計算結果。

表2澆筑階段和行走階段掛籃構件的最大應力(絕對值)（MPa）

桿件

編號

桿件

名稱

澆筑階段

行走階段

1#

11#

21#

34#

1#→2#

⑴

前后下弦桿

27.2

23.6

23.3

23.1

11.2

⑵

立柱

13.0

11.1

11.0

10.9

4.6

⑶

前后斜桿

40.7

35.1

34.5

34.2

15.0

⑷

前上橫梁

38.4

33.5

34.8

36.2

14.9

⑸

前下橫梁

18.7

15.1

13.1

9.4

4.5

⑹

后下橫梁

22.3

17.5

10.5

6.6

6.0

⑺

底籃縱梁

93.8

73.8

48.8

26.0

3.0

⑻

前吊帶

15.5

13.1

10.2

6.7

3.1

⑼

后吊帶（繩）

35.1

28.1

19.7

11.4

74.7*

⑽

內外滑梁

112.4

99.6

113.4

125.1

97.5

⑾

滑梁吊桿

83.0

87.9

94.3

97.9

40.1

注：表中“*”號表示行走階段后吊點采用鋼絲繩。

與表2中五種工況對應的掛籃底籃的最大變形分別為：1#：11.3mm；11#：9.4mm；21#：8.8mm；34#：8.0mm；掛籃從1#行走至2#節段時為15.8mm。

從計算結果看，掛籃在整個施工過程中構件的應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，進而提高施工質量。

5結束語

韓家店1號特大橋通過選擇三角形掛籃這種合理的掛籃形式，設計中充分了解了掛籃在施工過程和走行過程中各構件的傳力機理，對掛籃在各種工況下建立了適用、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。技術層面上，對選定的掛籃還需進一步優化結構形式和桿件的設計。輕型、重載的掛籃結構形式對增強施工現場的可操作性、創造經濟效益有著重要意義！

參考文獻：

[1]預應力混凝土橋梁分段施工和設計，[美]小沃爾特·波多爾尼[法]J·M·米勒爾，1986.4，萬國朝，黃邦本譯

[2]PC橋梁懸臂灌注施工掛籃的發展，王武勤，橋梁建設，1997年第4期，p55～p57

[3]輕型鷹式掛籃的總體設計,劉剛亮，王中文，橋梁建設，1998年第4期，p62～p64

[4]漢川漢江公路大橋無平衡重液壓掛籃設計與施工，傅漢江，范建海，徐明浩，筑路機械與施工機械化，1999年第5期，p42～p44