挂篮是预应力混凝土连续梁、T形钢构和悬臂梁分段施工的一项主要施工工具, 它能够沿轨道整体向前, 在桥梁施工中应用最为广泛^[1]。文献[2]对各节点施工状态下挂篮构件的变形进行测试分析, 文献[3]介绍了三角形挂篮的施工注意事项及数据分析, 文献[4]对不同连接方式的菱形挂篮进行数值分析对比, 文献[5]对三角形挂篮和菱形挂篮进行数值分析对比。

既有挂篮理论研究主要集中于理论分析及施工中的变形监测。很少有文献在挂篮施工全过程中对挂篮杆件的应力进行跟踪监测。本文依托某箱形高架桥施工过程中的挂篮监测及后期理论分析数据, 旨在探明挂篮在钢筋绑扎、混凝土浇筑、养护各施工阶段中重要杆件的受力情况, 以此来评价挂篮施工的安全性及施工过程注意事项。

杭州湾大桥北接线二期4标嘉善高架桥为 (72+120+72) m单箱单室变截面桥, 主梁为单箱单室变截面连续梁。0号块采用支 (托) 架法施工, 其余节段采用挂篮悬臂浇筑施工, 挂篮在0号块上拼装。以0号块为出发点向两端进行悬臂施工 (见图1) 。挂篮悬臂浇筑箱梁1～4号块段长3.5m, 5～8号块段长4.0m, 9～13号块段长4.65m, 箱梁悬臂浇筑采用菱形挂篮进行施工。悬臂浇筑的箱梁中最重块段为1号块, 质量为228.43t。本文以1号块施工过程为例, 做监测数据与计算数据的对比分析。

本工程采用菱形挂篮形式, 挂篮由主桁系统、走行系统、锚固系统、底篮系统、吊挂系统、平台及防护系统、模板系统等部分组成。总体布置如图2所示。本次对主桁系统、吊挂系统的主要杆件在施工全过程做应力监测。

挂篮主要受力结构由2榀菱形主桁架通过横向连系梁连接组成。2榀主桁架中心间距为8.0m, 中心高4.0m, 每榀桁架前后节点间距均为5.8m, 总长11.6m。主桁架杆件通过拼接板采用销轴连接。横向连系梁为2榀平面桁架, 通过连接件拼接, 垂直于主桁架与主桁竖杆弹性连接, 其作用是保证主桁架的横向稳定, 并在走行状态悬吊底模平台后横梁。主桁架杆件截面为□400×300×14方钢管, 连系梁上、下弦杆为双拼[14, 斜杆为双拼[10。

悬吊系统包括前上横梁、底模平台前后吊带 (杆) 、外模走行梁前后吊带、内外模走行梁前后吊带。底模前下横梁设4个吊点, 吊点均采用钢吊带 (120mm×40mm钢板) , 由Q345钢板制成。底模后下横梁设8个吊点, 吊点均采用精轧螺纹钢。底模平台前端悬吊在挂篮前上横梁上, 前上横梁上设有由垫梁、扁担梁和螺旋千斤顶组成的调节装置, 可任意调整底模标高。底模平台后端悬吊在已成梁段的底板和翼缘板上。

本次施工监测从2017年9月预压阶段开始进场, 到12月最后一个梁段浇筑完成离场, 在梁段施工全过程中对挂篮杆件进行应力监测。主要用到的仪器设备有振弦式应变计、应变读数仪器、全站仪、棱镜。

根据构件类别进行测量点布设, 具体位置如下。

主桁架共2榀, 图3所示以其中1榀为例, 命名为ZH1, 另一榀命名为ZH2。

主桁架测点中, 每根杆件布置2个应变计。1, 2号杆件1号应变计均布置在杆件上表面, 3号杆件1号应变计布置在前表面, 全部2号应变计布置在杆件侧面。2榀主桁架共计安装应变计12个。

连系梁共2榀, 采用不对称布置, 如图4所示, 其中前侧连系桁架命名为PL1, 后侧连系桁架命名为PL2 (PL2-1, PL2-2分别代表桁架上、下弦杆测点) 。

挂篮前侧上下主要由4根钢吊带连接, 命名为D-1, D-2, D-3, D-4, 每根吊带布置应变计1个, 吊带号即应变计编号。

1号箱梁长3.5m, 质量为228.43t。1号块施工时挂篮直接架设在0号块桥墩, 施工过程分4个阶段:绑扎钢筋 (2017-10-13—10-21) 、混凝土浇筑 (2017-10-23 12:30—17:30) 、混凝土养护 (2017-10-24—10-29) 、空载行走 (2017-10-31 07:00—10:30) 。

主桁架杆件应力从绑扎钢筋到混凝土浇筑逐渐增大。最大值出现在养护阶段初期, 随着养护时间的推移, 混凝土硬化杆件应力逐渐变小 (见图5a) 。

连系梁在行走阶段各杆件测点应力变化幅度较大, 行走过程中杆件应力变化范围在10～90N/mm² (见图5b) 。

4根吊带在加载阶段受力不均匀。同一时间节点, 4根吊带中最大构件实测应力133.4N/mm², 最小构件实测应力12.68N/mm² (见图5c) 。

采用通用有限元分析程序MIDAS进行有限元分析。计算中对传力做如下假定:①箱梁翼缘板混凝土及侧模质量通过外滑梁分别传至前一节段已施工完的箱梁翼板和挂篮主桁的前上横梁承担;②箱梁顶板混凝土、内模支架、内模质量通过内滑梁分别由前一节段已施工完的箱梁顶板和挂篮主桁的前上横梁承担;③箱梁底板、腹板混凝土及底篮平台质量分别由前一节段已施工完的箱梁和挂篮主桁的前上横梁承担。

挂篮结构计算模型如图6所示, 包括主桁架、立柱间横向连接系、前上横梁、底篮、导梁等所有承重系统。

人群及机具荷载:2.5kN/m²;混凝土超载系数:1.05;振动荷载:4.0kN/m²;行走动力系数:1.3;抗倾覆稳定系数:2.0;风荷载:挂篮工作风荷载按≤6级考虑, 并按最不利位置加载。

根据挂篮设计, 底板荷载由底纵梁承担, 顶板荷载由内滑梁承担, 翼缘板荷载由外滑梁和外导梁承担, 采用条分法将腹板、底板、顶板、翼板的荷载转换为线荷载。条分区域如图7所示。

1号块施工时, 底部纵梁线荷载计算如表1所示, 纵梁间距0.2m, 混凝土重度26.5kN/m³, 箱梁高6.56m。

通过三维有限元分析计算得出各主要受力杆件应力。浇筑养护阶段主桁架杆件理论计算值普遍大于实测值 (见表2) 。经分析, 在分部浇筑混凝土时, 混凝土先前浇筑部分的底部翼板能形成一定刚度, 分担挂篮承受的部分竖向荷载。空载行走阶段受2榀主桁架不同步因素影响, 实测值普遍大于理论值。理论计算4根吊带均布受力, 实际监测结果存在不均匀受力现象。

通过本次对挂篮施工监测数据及理论计算结果的对比分析, 可得如下结论。

1) 菱形主桁架杆件应力随施工荷载的增大而增大。最大值出现在养护阶段初期, 随着养护时间的推移, 杆件应力逐渐变小。考虑已浇筑完成阶段分担的因素, 最大监测值略小于理论分析值。理论值、实测值均小于钢材强度设计值。

2) 在各施工阶段竖向吊带均存在与理论分析不一致的不均匀受力现象, 施工过程中应密切注意吊带的均布受力。

3) 监测结果表明, 连系梁杆件受力变化较大。为避免连系梁杆件应力超限, 施工过程中应注意2榀主桁架间同步。