公路桥梁施工挂篮反力架预压试验分析研究

刘政 向海岳

广州市市政集团有限公司 广东 广州 510030

悬臂浇筑法在大跨径公路桥梁施工中应用较为广泛，为保证悬臂浇筑施工的安全性，同时为获取挂篮结构弹性变形数据及消除非弹性变形，需要在挂篮正式使用前进行预压试验。

传统挂篮预压试验加载方法主要以堆载为主，如沙袋、水箱、钢筋等。高墩、高塔桥梁采用堆载预压，由于所需堆载量过大，必须提前准备大量的堆载物，还要进行相应的制作和加工准备工作，工人操作空间狭小，安全隐患较多。而且都为高空作业，起吊有较大的安全隐患[1]。因此近年来挂篮预压加载试验方式不断推陈出新，诸多专家学者对各种方式进行了研究分析。张维伟等[1]通过在某斜拉桥主墩承台上预埋精轧螺纹钢筋传力至挂篮主桁前横梁进行反支点挂篮预压；王敬涛等[2]以老山河大桥为依托，研究了菱形挂篮桁架地面预压加载工艺；党涛等[3]以石川河特大桥为例，分析了在箱梁0号块腹板安装三角反力架，使用千斤顶反压的加载试验方式。在如上所述的几类挂篮预压试验方式中，腹板安装反力架反压加载的试验方式具有受场地影响小，加载过程便捷、高效，材料循环利用率高等优势，针对大尺寸箱梁，此方法避免了堆载高度过大产生的倾覆、坠落等安全隐患。常规做法将反力架安装于箱梁腹板端面，每个反力架配套一台千斤顶即可模拟挂篮荷载，但对于宽度较大的箱梁，常规做法中千斤顶加载位置集中于腹板位置，难以准确模拟箱梁底板实际整体荷载分布，且在加载过程中底篮局部受力过大，有造成破坏的风险，导致预压试验可靠性、安全性不足。

笔者结合广州大石水道桥挂篮预压试验，通过有限元模拟及现场试验的数据验证，探究出反力架预压试验的改进办法。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

大石水道桥为悬臂现浇预应力混凝土箱梁结构。跨径73m+125m+67m，箱梁断面为单箱单室直腹。箱梁顶宽16.75m，底宽8.5m，翼缘板宽4.125m，根部梁高6.977m，腹板厚度50～85cm，底板厚32.3cm～84.3cm，顶板厚度30cm。由于0#块长度仅4m，无法满足挂篮拼装场地要求，因此将箱梁0#和1#块共同在托架上浇筑，总长度为10m，具备挂篮拼装起始长度的条件，悬臂浇筑的箱梁中最重块段为2#块，长度3m，重量为189.4t。

1.2 挂篮概况

箱梁悬臂浇注采用菱形挂篮进行施工，由如下几部分系统构成：

主桁系统：由菱形主桁架、横向联结系组成。桁架主杆件采用Q345材质钢构件，桁架整体及各节点使用高强螺栓连接而成，无需现场焊接。横向联结系为L型钢及槽钢焊接成整体，与桁架进行栓接。

走行系统：包括轨道垫梁、轨道压梁、行走轨道、前支座、反扣轮组、内外滑梁、吊架、千斤顶。

锚固系统：每侧挂篮锚固系统采用6根Φ32精轧螺纹钢筋分两侧将挂篮后端固定于梁顶，精轧螺纹钢筋下端通过螺帽及垫板固定于箱梁箱室顶部，上端通过压梁紧固挂篮主桁后箱室。

底篮系统：底篮为直接承重受力部位，该项目底篮采用H35型钢纵梁，腹板下部间距20cm，箱室下部间距80cm，纵梁下部前后下横梁均为2*H60型钢。

悬吊系统：底蓝前端设4个吊点，前吊带采用钢板吊带，底蓝后端设8个吊点，吊杆采用Φ32精轧螺纹钢筋。

图1 挂篮立面图

2 挂篮反力架预压加载分析

2.1 常规反力架预压加载分析

常规反力架安装于箱梁腹板，每个反力架下部放置一台千斤顶，即单侧挂篮由两台千斤顶同步分级加载，最大加载值取110%设计荷载。荷载通过千斤顶下部垫梁（型号2*I32b）传递至底模及底篮系统，最大重量节段为189.4t，每台千斤顶加载最大值为1041.7KN。

图2 常规反力架预压加载

按此加载方式建立计算模型，对底篮受力、变形情况进行模拟计算，可知底篮系统在预压荷载条件下，弯拉应力、剪切应力极值均出现于腹板下纵梁（型号H35型钢）位置，弯拉应力最大值318.3MPa，剪切应力最大值74MPa。底篮最大形变28mm。挂篮底篮材料均为Q345钢材，设计弯拉应力极限取305MPa，剪切应力极限取175MPa，由计算结果可知，此类加载方式若加载全部梁节段荷载，局部弯拉应力超出材料设计极限，容易对底篮纵梁造成破坏，存在一定安全隐患，且荷载过于集中，与实际施工情况偏差较大。

2.2 改进反力架预压加载分析

此桥箱梁底宽达到8.5m，为更准确模拟箱梁底板实际整体荷载分布，对反力架加载方式进行改进，在腹板所安装反力架下部平行底篮托梁方向焊接2*I45a水平横向钢梁，在钢梁下部并排放置4台千斤顶，利用等效荷载，计算各个千斤顶的最大预压吨位，细分块段中截面，得到多个矩形或梯形的面积[4]，如图3所示。力矩平衡点选择在截面对称面，建立二元一次方程求解F1，F2预压荷载设计值：

图3 常规反力架预压模拟计算结果

其中，F1为靠近腹板千斤顶荷载值，F2为靠近对称面千斤顶荷载值；L1,L2为F1，F2至对称面的距离；Ga～Gg为划分各区域重力，Xa～Xg为划分各区域质心至对称面的距离，具体数值见表1。由此方程求得F1=699.5KN，F2=247.5KN。则按110%设计荷载，F1加载最大值为769.45KN，F2加载最大值为272.25KN。

表1 加载计算取值

按改进后的加载方式建立计算模型，对底篮受力、变形情况进行模拟计算，可知底篮系统在预压荷载条件下，弯拉应力、剪切应力极值同样出现于腹板下纵梁（型号HN350×175）位置，但弯拉应力最大值仅为225.2MPa，剪切应力最大值52.5MPa。底篮整体最大形变19mm。由计算结果可知，用改进后的加载方式加载全部梁节段荷载，底篮纵梁弯拉应力、剪切应力均处于材料设计极限值以内，试验不会对底篮纵梁造成破坏，因此在现场试验中采用改进后的加载方式，每侧挂篮使用4台千斤顶同时加载预压。

3 挂篮反力架预压改进后加载试验

依照表1及图4中相关数据和位置设置好反力架及千斤顶，按图6在挂篮底篮前后下横梁设置C1～C6高程测点，在两侧纵梁设置C7Z，C7Y两个高程测点。依照表2设置每侧4台千斤顶分级加载荷载值以及持续时间。在加载达到110%设计荷载时，持续观测各位移测点，确认变形稳定后再逐步卸载。

表2 预压分级加载值

图4 改进反力架预压加载示意图

图5 改进反力架模拟计算结果

使用全站仪测量位移数据并记录，可知左右幅大小里程侧挂篮荷载-变形数据相近，且变化规律基本一致，如图7～图9为右幅10#轴大里程侧荷载-变形曲线。由图可知挂篮底篮在预压加载过程中，最大变形值为C2测点，变形值-35mm，变形值为挂篮各部件变形值累加，因此数值大于底篮变形计算值，同步卸载后，各测点剩余变形值为-1至-3mm，由此可知该项目挂篮非弹性形变值仅-1至-3mm。

图7 挂篮底篮前下横梁荷载-变形曲线

图8 挂篮底篮后下横梁荷载-变形曲线

图9 挂篮底篮纵梁荷载-变形曲线

4 结论

针对梁体较宽大的悬臂现浇单室箱梁挂篮预压试验，仅在腹板位置加载全部设计荷载可能会导致挂篮构件局部应力超限，造成损坏，且无法准确模拟挂篮实际受力情况。改进挂篮反力架结构，在腹板所安装反力架下部平行底篮托梁方向焊接横向钢梁，使用多台千斤顶分配加载可保证挂篮构件安全。利用等效荷载法确定多台千斤顶的加载值，能够以更贴近实际施工荷载的形式加载全部设计荷载，从而消除挂篮整体的非弹性形变，从试验中获得的弹性形变规律也为后续施工中底篮标高调整给予了量化依据，使得施工前对底篮的标高调整更为精确。