黄 璜

（湖南省第四工程有限公司，湖南 长沙 410119）

挂篮悬臂现浇法是大跨度桥梁工程施工中最常见且成熟的重要施工技术，且菱形挂篮结构是其中最常见的结构形式之一，具有受力合理、刚度高和强度大的特点。但在施工中由于人为因素的影响，往往导致菱形挂篮结构存在施工缺陷，严重影响结构抗倾覆稳定性。基于此，为细化菱形挂篮现浇施工技术，探究结构抗倾覆稳定性及相关措施。该文依托东北某大桥工程主桥菱形挂篮施工，从菱形挂篮结构施工工艺及抗倾覆稳定性方面，通过综述、现场试验和有限元模拟的方法介绍了挂篮施工技术，研究了菱形挂篮抗倾覆稳定性及相关措施[1]。

1 工程概况

东北某大桥工程主桥为4 跨大跨径变截面连续箱梁桥，长度为380m，跨径布置为70+120+120+70=380m。主桥采用悬臂浇筑法和支架现浇法结合施工。主桥每个墩悬臂现浇段共分为16 个节段，共使用12 个挂篮同时施工。

2 菱形挂篮悬臂现浇技术

2.1 菱形挂篮施工

桥梁为单箱双室结构，桥面宽1850cm，桥梁结构采用菱形挂篮悬臂现浇成型，挂篮主体结构由菱形主桁架、走行及锚固系统、吊杆系统、底托系统和模板系统等部分组成。由于桥梁为单箱双室结构，横桥向设置3 道腹板，为保证挂篮稳定性及承载能力，单侧菱形挂篮设置为3 幅主桁架结构[2]。

梁体0#块施工完成后，通常沿梁体纵桥向的中轴线放样出3 幅主桁架，并根据中轴线位置安装轨道垫梁、走行梁。在安装走道梁垫梁前，应先将后走行轮安装在走道梁上，精确设置3 根走行梁间距，确保3 幅主桁架对称布置，降低侧翻倾覆风险，并利用竖向精轧螺纹钢压紧走道梁，具体参数见表1。

表1 走行梁安装控制参数

将底模平台系统、外侧模及内模吊挂于相应导梁上，顶起前支点滑座，使其与走道梁分离1～2cm 距离，解除主桁后锚固螺栓，使后锚反力滑轮勾于走道梁上，检查滑轮和走道梁咬合是否严密，走行时不能存在咬边情况，然后同时开起6组走行牵引千斤顶油泵，使主桁架连同底模平台系统、外侧模及内模缓慢同步前行，走行至下一节段施工位置后停止。挂篮走行至下一施工节段就位后，落下前支点滑座千斤顶，使滑座与走道梁面密贴，重新锚固主桁后锚固端螺栓。

2.2 现浇曲线桥梁线形控制

2.2.1 弹性变形监测

2.2.1.1 预压点位布置

为有效消除挂篮非弹性变形，准确确定立模标高，保证结构线形满足施工控制预期要求，须对悬臂现浇挂篮进行预压施工。在挂篮静载预压前，预压监测点布置在前横梁和前吊杆下横梁左右，主要监测预压过程中前支点和后锚点的沉降变形，监测斜拉杆和主桁架梁内侧的应力变化。

2.2.1.2 预压荷载计算

为模拟混凝土浇筑对挂篮系统的影响，利用沙袋模拟混凝土浇筑过程中荷载的分布变化进行预压，预压荷载分布计算见表2。

表2 预压荷载

2.2.1.3 预压方案实施

由于采用1.5t/袋重沙袋进行预压，根据上节所得预压荷载计算可知，须用沙袋148 袋。后根据箱梁横桥向截面质量分布规律可得：底腹板横桥向摆4 层，须用砂袋132 袋；翼缘板须用砂袋16 袋[3]。现浇挂篮预压荷载采用分级加载方式按20%→40%→60%→80%→100% 5 级加/卸载的方式进行，并分别取小里程、大里程记录每级加载后各测点标高，得到菱形挂篮沉降量变化曲线如图1所示。

图1 沉降量变化曲线

2.2.1.4 高程线形控制

悬臂现浇箱梁高程线形控制，主要通过在计算各节段立模标高过程中考虑菱形挂篮弹性变形、预拱度、成桥节段总体挠度来进行控制。由图1可知，菱形挂篮在预压过程中的沉降变化曲线规律基本一致：随加载沉降增加，随卸载沉降减少，且卸载完成均存在沉降残余量，即为非弹性变形量。小里程端挂篮产生的最大预压变形量为33.1mm，卸载后残余量为2.6mm；大里程端挂篮产生的最大预压变形量为31.6mm，卸载后残余量为1.4mm。根据图1 记录数据，挂篮的弹性变形量计算如公式 （1）所示。

连续梁桥施工预拱度控制是通过立模标高实现的，其主要设置目的是为了削弱各种施工荷载对桥梁竖向线形的影响，本悬臂现浇曲线大桥各施工节段立模标高如公式（2）所示。

式中：Hsi为立模标高；Hi为设计高程；fyi为预拱度；fni为成桥累计挠度；β为根据挠度观测结果，分析统计出的挠度折减系数；∆fi为根据实测挠度结果选取的挠度调整值。Δ弹性为挂篮弹性压缩变形。

2.2.1.5 平面线形控制

简支箱梁可根据“曲线直作”原理，将曲线线路化为一段简支直梁，而现浇连续梁则须在原位进行“曲线曲作”施工，与简支箱梁相比，现浇连续梁在曲线线路上的平面线形受桥梁偏距、偏角的影响更大，线性控制难度更大。因此在进行桥梁平面线形控制过程中，引入灰色预测理论进行曲线桥梁平面线形控制。当建立平面线形控制模型时，首先，实测上一阶段单侧线形控制坐标点数据，并与控制坐标点理论数据进行对比求差值。以此为依据来预测下一节段平面线形偏差并进行顺延纠偏。

当利用灰色系统理论控制曲线桥梁平面线形时，过程中将各节段控制坐标点实测数据序列看作是随施工时间进程变化的灰色过程，通过累加生成多节段曲线桥梁实测数据，归纳出线形变化的有序数列规律，从而建立一个基于已施工节段数据变化规律来预测后续曲线线形变化的Grey model模型，确定曲线桥梁平面线形在后续节段的发展变化趋势，以提前进行干预控制，并对桥梁线形进行顺延调整。

在控制模型中，设x（0）（t）为原始实测数据样本，通过对各节段实测数据进行累加生成运算得到生成新的时间序列x（1）（t），将x（1）（t）拟合成一阶线形白化微分方程其形式如公式（3）所示。

式中：a为发展系数；b为灰色作用量。

该曲线桥梁采用悬臂现浇法进行桥梁施工，在曲线桥梁平面线形控制过程中，基于灰色系统理论利用各节段线形控制坐标点实测数据与理论数据偏差值来建立残差GM（1，1）模型来预测平面线形变化，对后期各节段平面控制指标点的实测数据进行预测，可以更精确的反映整个施工期间曲线桥梁平面线形的变化趋势，后以预测数据为参照，在控制指标点理论数据上进行顺延调整，以保证曲线桥梁线形的平顺过渡。

但预测精度与预测点和数据样本点间间隔距离相关，为消除这种精度差，采用等维灰数递补数据处理技术来对GM（1，1）模型进行改进。即每当预测出下一桥梁节段的平面偏差值时，则将最早的数据样剔除，以保证在序列维数不变的前提下，每新增一个节段线形数据则进行一次预测，周而复始直至完成所有悬臂现浇节段，采用改进的GM（1，1）模型法使预测值精度有很大的提高。

3 挂篮抗倾覆控制研究

现浇箱梁挂篮施工过程中，现浇状态及走行状态下挂篮发生倾覆的风险最大，因此该文利用Midas 软件主要模拟主桁架在这2 种状态下的受力情况，以针对性地制定抗倾覆措施，模型如图2 所示[4]。

图2 挂篮主桁架模型

3.1 现浇状态抗倾覆分析

现浇挂篮结构在混凝土浇筑过程中，主要受到混凝土自重产生的竖向荷载及混凝土浇筑冲击荷载影响。在此工况下，模拟得出挂篮结构受力响应云图如图3 所示：当浇筑方量达到最大时，由于受到竖向荷载作用，上横梁前端产生最大竖向沉降变形约为32.3mm，与预压结果相近。在下横梁后锚处产生最大拉应力，约为310.2MPa；在下横梁前锚处产生最大拉应力，约为294.65MPa。后锚采用2 组4 根φ32mm精轧螺纹钢进行锚固，其单根屈服强度约为830MPa，后锚安全储备系数[5]计算如公式（4）所示。

图3 现浇状态挂篮结构受力响应云图

式中：λ1为现浇安全储备系数；fσs为屈服强度；fmax 为最大拉应力。

由公式（4）可知：现浇状态下下横梁后锚安全系数足以满足抗倾覆要求。应力分布云图如图3所示，除下横梁锚固点外，桁架其余部分应力为-129.69～200.23MPa，满足稳定性要求。同时上述分析可知，为保证现浇状态下挂篮主桁架的抗倾覆稳定性，可针对下横梁锚固点采取针对性地加强措施或者增加锚固点数量[6]。

3.2 走行状态抗倾覆分析

除现浇状态外，挂篮走行状态也是易发生倾覆的稳定性薄弱环节。在挂篮走行，主要靠液压油顶提供推动力使挂篮匀速平稳向下一阶段前进。在此过程中，由于前后锚固已拆除，挂篮主要靠锚固点处与走行梁接触的自锚轮组提供锚固力。挂篮走行过程中，前端支架模板体系自重荷载通过精轧螺纹钢吊杆向自锚系统传递拉力。因此在走行过程中，自锚系统须提供足够的反力来抵消拉力以保证抗倾覆稳定性。基于此工况对桁架系统进行模拟分析得到走行状态自锚系统反力分析图，如图4 所示。

图4 走行状态自锚系统反力

因此自锚系统须提供不小于235.25kN 的反力来保证走行抗倾覆稳定性，由于在走行过程中，自锚系统是通过走行反扣轮来进行锚定，而反扣轮与主桁架是通过φ80mm 的40Cr 钢销轴销接。其提供的自锚反力计算如公式（5）所示。

反力安全储备系数为12.17，足以提供保证挂篮在走形过程中的抗倾覆稳定性。走行安全储备系数计算如公式（6）所示。

式中：λ2为走行安全储备系数；N为自锚系统提供的支反力；σ为钢销抗剪强度；A为钢销截面积。

4 结论

通过该文对大跨度桥梁现浇挂篮施工技术及抗倾覆稳定性的模拟研究，得出以下3点结论：1）现浇挂篮拼装预压施工质量是影响挂篮结构稳定性的重要因素，应严格按照方案及设计要求严控现浇挂篮拼装预压工序，以降低人为因素对现浇挂篮结构抗倾覆稳定性的影响。2）通过建立合理的有限元模型，分析现浇状态及走行状态下的抗倾覆稳定性安全储备系数可知：现浇抗倾覆安全储备系数λ1为11.26，走行抗倾覆安全储备系数λ2为12.17，均完全满足抗倾覆稳定性要求。3）通过模拟分析过程中的数据分布可知：加强现浇状态下后锚精轧螺纹钢数量及安装垂直度、加强主桁架各连接点位强度可有效提供现浇状态下的抗倾覆稳定性；走行状态下，通过控制挂篮走行速度、控制各桁架走行进度、增加反扣轮组数可有效提高走行状态抗倾覆稳定性。