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斜拉桥后支点挂篮施工技术研究

周斌

【摘要】反吊三角托架挂篮受力结构位于桥面以下，受力明确，避免了前支点挂篮受斜拉索空间位置的干扰，桥面作业空间开阔，是一种值得借鉴和推广的移动模架结构。为提高反吊三角托架挂篮的整体稳定性和抵抗结构变形的能力，减小施工错台，避免边主梁预应力被分摊削弱，工程桥梁通过增设横梁斜撑、施加吊杆预紧力、相关工艺改进来实现相邻斜拉桥主梁节段异步施工，满足桥梁施工质量的严格要求。
【关键词】桥梁；后支点挂篮；结构优化；施工
1、前言
本工程桥梁是一座三跨双塔双索面斜拉桥，采用混凝土边主梁形式，桥面宽约35m，桥塔无锚固式平行钢绞线斜拉索。为解决边主梁预应力被分摊到桥面板中、非预应力区产生附加应力的问题，该桥采用了一种后支点挂篮形式-反吊三角托架。采用该挂篮形式进行前、后节段边主梁与顶板异步施工时，可不用斜拉索钢绞线作为挂索系统，也避免了混凝土浇筑过程中分阶段调索等工艺难题。桥梁肋板式混凝土梁是主跨300m左右斜拉桥常用的主梁形式，由于其构造简单、施工方便，在桥梁建设中得到了广泛的应用。该类主梁承受来自斜拉索的强大索力及活载，在斜拉索节段间的应力分布不均，特别是在施工过程中，斜拉索索力分阶段施加，截面应力不均匀程度比箱形主梁更为显著，国内已有大跨度斜拉桥在施工过程中由于应力过大致使主梁压溃、桥面板中心开裂的现象。通过剪力滞系数推导，得出肋板式主梁腹板处正应力超过顶板中部应力3倍；通过缩尺模型试验和数值计算，研究了当肋板式主梁采用同步施工（不留后浇缝）时主梁内力分布情况，计算结果显示离集中力较近桥面板中部处出现较大拉应力，远离集中力1、2个索距长度时，主梁截面的应力分布才逐渐均匀。目前，斜拉桥主梁施工主要采用前支点、后支点2种挂篮形式。为区分预应力边主梁和非预应力桥面板，近年来也出现多种异步施工工法，如预留后浇带、滞后1个节段施工等。采用前支点挂篮施工时，斜拉索作为挂篮前支点牵引索，后锚点锚于已浇梁段底板上。前支点挂篮异步施工时步骤较多，挂篮平台较长、自重大，存在混凝土预留后浇带施工模板架设困難、斜拉索挂索系统施工工艺和力系转换复杂等问题，目前主要应用于箱形主梁，在肋板式主梁施工应用较少。后支点挂篮支点位于施工节段后方，结构处于悬臂工作状态，由于肋板式主梁相对较轻，挂篮受力明确，能利用斜拉索分担边主梁自重，挂篮变形可控。此外，后支点挂篮可分部施工相邻节段的预应力边主梁和非预应力桥面板，可避免边主梁预应力扩散造成面板开裂等问题，且工艺相对简单，工期较短。本文结合该挂篮在工程桥梁主梁施工中的应用，研究了该类挂篮结构受力特点和优化措施。
2、工程概况
本工程桥梁是连接某线路重要组成部分，全长5.5km。主桥为三跨双塔双索面斜拉桥，跨径组合为（117.5+240+117.5）m，采用预应力混凝土肋板式连续梁结构，混凝土等级为C55。主梁标准截面宽34.6m，边主梁高2.80m、宽2.60m，桥面板厚28cm（见图1）。桥面设2.5%双向横坡。梁上标准索距6.0m，边跨现浇段索距4.0m。为了增加主梁横向刚度，改善桥面板受力性能，主梁设置了74道横隔梁，每对斜拉索处设1道。主梁采用挂篮悬浇施工，分为0号～18号块，共19个节段（见图2）。悬浇段长6m，悬浇梁段最大重量为428t。
图1 桥梁主梁断面
图2主梁现浇施工分段示意
该桥施工中，若采用常规的前支点牵索挂篮，每节段混凝土仍按一次浇筑，需在边主梁和顶板交接处留出后浇带，待边主梁张拉完成并移篮后，再吊板立模补浇后浇带混凝土，只有这样才能避免非预应力面板产生附加应力。但是，在挂篮移篮后，后浇带的施工吊模和操作平台设置都存在困难，且增加了施工缝的处理，影响外观质量。另外，该桥斜拉索采用的是单根张拉的平行钢绞线，每次张拉时间预计超过5h，无法满足前支点挂篮混凝土浇筑中二次调索的时间要求。为此，结合混凝土浇筑工艺特点，通过综合比较和改进，设计了反吊三角托架挂篮形式（见图3），实现了边主梁和顶板、横隔梁先后间隔浇筑，又不影响施工进度。该挂篮结构形式有如下主要特点。
（1）由于边主梁和顶板、横隔梁先后间隔浇筑，挂篮悬臂端的荷载大幅减少，可以不采用斜拉索吊挂前支点的结构形式，避免了斜拉索的力系转换，有利于操作工艺的简化，提高施工效率。同时也避免了斜拉索带来的顺桥向水平推力，可不设挂篮的止推机构。
（2）根据悬臂弯矩分布的特点，挂篮承重主桁改用三角桁架的结构形式，使主桁架的内力分布更为均匀合理，有效地降低了挂篮的自重。
（3）由于顶板和横隔梁模板后移了1个节段，不设置在悬臂区域，所以挂篮重心后移，可以取消行走反压滚轮装置，但需增加1组C形挂腿，解决挂篮移动时的平衡吊挂。
图3 反吊三角托架挂篮结构
3、挂篮荷载试验
由于反吊三角托架挂篮悬臂端在边主梁施工荷载下挠度较大，为验证其承载能力确保其安全性，模拟实际施工荷载进行了挂篮试验。试验模拟边梁和横隔板、顶板浇注2个施工工况，考虑混凝土浇注重量、模板及施工荷载等，按最大荷载的1.25倍进行加载。
3.1试验过程
（1）试验准备及测点布置。试验开始前在力学试验室对应变传感器进行了校验。之后在挂篮前后横梁、三角托架及吊杆等关键杆件布置了应力测点，在挂篮悬臂端部和吊点附近布设了挠度观测点。
（2）试验加卸载和测试。试验采用钢筋压重方式进行分级加、卸载，共分8级，即50%、75%、100%、125%、100%、75%、50%、0%的标准节段混凝土的重量。
3.2试验结果及分析
挂篮荷载试验结果表明，在最大荷载作用下，挂篮各部件材料均在弹性工作范围内，应力计算结果比实测结果略偏大约20%，说明结构强度足够；但挂篮在边主梁和横隔板、面板自重作用下，悬臂端和前横梁下挠较大，超出一般施工临时结构的挠度变形限值（L/400）。为此，需通过调节挂篮悬臂端预抬标高解决端部挠度过大问题。
4、结构优化及工艺改进
在反吊三角托架挂篮设计、制造和试用过程中发现，结构承载平台的稳定性、吊杆受力及施工节段错台等还存在一些问题。通过对问题原因的分析，提出以下优化和工艺改进措施。
4.1整体稳定性的优化
通过对挂篮承载平台的力学分析发现，反映挂篮整体结构稳定性的屈曲特征值只有1.98，显然不能满足结构屈曲特征值不小于4的要求。为此，在三角托架主桁和中横梁间增加1道斜撑，屈曲特征值便可提高到12.4，加斜撑后挂篮承载平台屈曲模态如图4所示。该措施既解决了由于中横梁刚度不足引起的整体稳定性过低的问题，还进一步提高了主桁悬臂端的侧向刚度，且不影响挂篮的各个工况操作。
图4 加斜撑后挂篮承载平台屈曲模态
4.2吊杆受力不均的工艺改进
由于受斜拉索锚点位置的干扰，三角托架悬吊点只能设在边主梁的内 侧。通过模型校核分析发现，同一吊点处方位不同的4根吊杆受力差异较大。4根吊杆分别穿过边主梁的4个预留孔锚固于梁面，虽然4孔纵、横中心距不过300mm，但有内、外侧和前、后位置之分，其中外侧前吊杆拉力达1170kN，内侧后吊杆拉力只有620kN，且与荷载试验结果相吻合，大大降低了吊杆的安全裕度。经过分析研究后，采用球面型支座支承顶升台座，可实现支座自动调心，较好地解决了吊杆受力不均的问题。
4.3施工接缝错台的工艺改进
施工缝出现错台是挂篮现浇施工的通病，虽然其并不影响结构的使用功能和耐久性，但对结构的外观质量影响甚大。由于该项目要求施工缝的错台要求很高，因此必须对挂篮结构进行工艺改进。
4.3.1施加吊杆预紧力
反吊三角托架挂篮的三角托架是通过长达6m的吊杆锚固于桥面的，随着吊杆负荷的增加，吊杆的伸长不可避免，会导致原来与已浇混凝土节段底面密贴的底模，随着混凝土浇筑量的递增逐渐出现脱空的情况。计算表明，6m长的50精轧螺纹钢吊杆在900kN拉力作用下的伸长量达到13mm。如果还存在支架模板调整不到位、组件间的间隙形成的非弹性变形，施工接缝的错台量还会增大。可见，吊杆伸长引起的错台是主要原因。在挂篮移篮安装定位完成后，按在标准荷载作用下的理论拉力对吊杆施加预紧力，使在混凝土浇筑过程中，吊杆增加的拉力和吊杆预紧力逐渐平衡抵消，能有效克服吊杆伸长量引发的错台问题。值得注意的是混凝土浇筑前，对吊杆施加的预紧力不能直接完全由与混凝土底板压紧的底模端部承担，需设置合适的支承面来平衡预紧力，否则会导致底模的翘曲或空隙。为此，可通过施加吊杆预紧力和增设附加垫块来减小错台。给吊杆施加的预紧力大小可通过数值模型计算得到，即预紧力应大于边主梁自重作用下的吊杆反力，此时吊杆不会继续伸长，相当于增加了悬吊系统的几何刚度，提高了抗变形的能力。
4.3.2增大挂篮悬臂刚度
挂篮悬臂刚度不足是造成施工接缝错台的另一主要原因。由于托架吊点内偏，负荷时引起的托架外倾，导致边主梁底面出现楔形（外宽内窄）错台，此情况可通过局部加撑、增加支顶的方法来解决。实践证明，在C形支腿没有增加顶升支点前，三角托架吊点横断面内、外侧的垂直下沉高差达到20mm；C形支腿增加顶升支点后，三角托架吊点横断面内、外侧的垂直下沉高差只有3～4mm。可见，给吊杆施加合适的预紧力，并给C形支腿增加合适的顶升支点，是从结构上解决挂篮节段接口错台的有效方法。由于主梁横隔梁对应的挂篮中横梁与主梁面板对应的拱架刚度差异较大，弹性变化（挠度）不一致，导致横隔梁翼缘板与顶板交接处原本平顺的结合面也形成了较大的错台。若通过局部加强，改变两者的刚度达到变形一致，现场实施难度太大，并且会增加挂篮的自重。经过反复分析和试验，最后在横隔梁与拱架间增加1道可调的柔性连接，較好地解决了这个问题。值得注意的是，柔性连接的张紧度必须由小到大逐步调试确定，以免造成拱架负荷过大产生塑性变形。
结语
本文介绍了主跨240m的三跨双塔双索面斜拉桥的挂篮施工技术。工程桥梁为混凝土边主梁形式，桥面宽约35m。为实现相邻主梁节段异步施工，避免边主梁预应力被桥面板分摊削弱，同时克服前支点牵索挂篮施工中需预留后浇带混凝土的问题，开发了一种新型后支点反吊三角托架挂篮。该挂篮自重轻，反吊三角托架受力合理明确，可避免前支点挂篮斜拉索力系转换等问题。通过对该挂篮结构整体稳定性的优化、吊杆受力和施工接缝错台的工艺改进等措施，提升和优化了挂篮整体稳定性和抵抗变形能力，为以后同类施工提供了很好的参考作用。
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