宽幅箱梁重载多桁片菱形挂篮设计

　　［摘要］结合无锡湖滨路运河桥的工程实例，介绍了宽幅箱梁重载挂篮的设计构思、总体构造与结构分析计算。挂篮走行利用下导梁巧妙解决了前、后下横梁稳定问题，使走行更为方便快捷安全。通过试验，对多桁片菱形挂篮的制作安装质量、强度和刚度进行了检验，为正确使用挂篮系统提供了依据。该挂篮具有自重轻，受力明确、加工拼装简单、走形方便、综合技术指标高的特点。
　　关键词：宽幅箱梁；重载；多桁片菱形挂篮设计；结构分析；试验
　　
　　1、 主桥箱梁概述
　　无锡湖滨路运河桥主桥为拱梁组合体系桥梁，主梁跨径组合为50＋95＋50m连续箱梁，桥宽38m。拱圈是钢箱拱，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/4.75。主梁为预应力混凝土连续箱梁结构，梁底曲线为二次抛物线。在支点处梁高为4.2米，跨中梁高2.1米。采用封闭箱型断面，横向为单箱五室（图1），箱梁底板宽26m，顶板宽38m。混凝土箱梁设计采用挂篮悬臂施工，每个桥墩两侧的箱梁各有11个悬臂浇筑块段，其中最长块段为6m，纵向节段重量最大约为3680KN。主桥设计考虑箱梁宽度较大，选用“品”字型悬臂浇注施工方法，先浇注箱梁箱室部分，落后两个节段浇注两侧悬臂部分。

　　图1主梁标准节段结构
　　主桥箱梁设计对挂篮施工有三条要求：(1)挂篮重量不应超过0.5倍最大节段重量；(2)各梁段采用一次浇筑，要求挂篮有足够的刚度；(3)各悬臂施工梁段，无论在灌注或挂篮移动、拆除阶段，均要求保持平衡施工。
　　根据设计对施工挂篮的三条要求，挂篮设计主要难点：(1)箱梁块段长、宽、自重均较大；(2)挂篮自重要求轻，梁段全断面一次灌注；(3)如采用压重走行，则增加了挂篮的重量。若采用箱梁两侧外导梁的二次走行方式，势必增加前后下横梁的承载跨度和截面，从而增加了挂篮的重量和挂篮走行难度，要求选择出合适的挂篮走行方式和受力体系。
　　2、多桁片挂篮设计总体构思
　　根据国内目前挂篮施工水平和加工能力，综合考虑本桥悬臂浇筑设计分段长度和梁段重量、外形尺寸，本桥挂篮设计构思：
　　（1）选用受力合理、安全可靠的轻型结构作为挂篮承重主桁架。
　　（2）挂篮主桁架的用材立足国内生产的普通钢材，力求结构轻巧、便于加工。
　　（3）走行系统的滑道通过预埋在箱梁顶板的螺栓锚固，挂篮空载前移时，靠后勾板装置平衡倾覆力矩。
　　（4）采用挂篮主桁架和模板系统分开走行，两次走行到位的方法，从而减小后勾板及滑道的受力，达到取消平衡重、减轻自重的目的。
　　（5）提吊系统综合采用钢吊带和精轧螺纹钢筋，使锚固受力合理，装拆方便，调整简单。
　　（6）挂篮行走采用并联的全液压装置，实现多片桁架同步走行；
　　（7）采用下导梁走行体系，使前后下横梁受力更加合理，调整更加简单，提高了安全性能。
　　（8）模板设计注重混凝土外观质量，以刚度控制设计，采用钢框优质覆膜竹胶板结构，来减轻挂篮的重量；
　　3、多桁片挂篮总体构造
　　3.1围绕总体构思进行挂篮结构设计，其挂篮主要技术参数：
　　（1）挂篮（含模板）与箱梁节段重量之比为0.5，即挂篮自重应控制在185t。
　　（2）对于挂篮走行及浇筑混凝土两种工况，挂篮的抗倾覆安全系数≥2.0。
　　（3）箱梁高度变化：2.1~4.2m；
　　（4）挂篮走行方式：自行（液压油缸顶推前移）；
　　（5）提升模板方式：电气控制液压千斤顶提升；
　　3.2多桁片挂篮构造
　　本挂篮主要由挂篮主桁架及前上横梁、吊挂起顶系统、下导梁及走行系统、模板系统、后锚固和限位系统、内外模板系统等六部分构成，如图2,图3所示。

　　
　　图2挂篮立面图                                                                                            图3挂篮侧面布置图
　　3.2.1主桁架及前上横梁
　　主桁架是挂篮的主要承重结构，主桁架有六片主桁组成，截面尺寸由结构分析确定，每片桁架都由2[36a的型钢组焊成箱型断面而成，用φ75mm40Cr钢销轴拼接而成，其系统线高5.0m，挂篮主桁架悬臂长7.2m，总长14.4m。六片桁架之间横向间距分别为5.2m，5.5m，4.0m，5.5m，5.2m，六片主桁架分别置于箱梁腹板位置，采用角钢组焊成中横联和上下平联，以保证六片桁架的整体性，同时减小桁架中杆件的自由长度。这种结构达到了使挂篮重量减轻的目的，且杆件布置合理、受力明确均匀、较好的发挥材料的特性，并提供了宽广的作业空间。挂篮前上横梁设置于主桁架前端之上，采用2I45b型钢加焊加劲板构成。全长28.9m，放置在主桁架上弦前节点并与之栓接。前上横梁顶面共设24个吊带孔位置，其中底模平台吊带孔12个，下导梁吊带孔2个，10个内导梁前吊点，所有吊带孔均对称于前上横梁中心设置。
　　3.2.2底模平台
　　挂篮底模平台由前、后下横梁，平台纵梁，安全防护栏杆等构成。前后下横梁均采用2I45b×29.9m型钢焊加劲板而成。其中前下横梁设吊带位置12个，后下横梁设吊带位置12个。前、后下横梁上支撑在平台纵梁，用于在其上铺设底模。底模平台纵梁采用2[40a组焊结构。为保持各片桁架间的横向稳定，底模的[10的型钢要与纵梁进行焊接连接。在平台两侧与端头，设置1200mm高的栏杆立柱，现场焊栏杆与扶手并挂安全网，通道上满铺3mm的花纹板作脚手板，形成工作走道与平台。
　　3.2.3吊挂起顶系统
　　吊挂起顶系统有三部分：底模平台、内导梁的前后吊挂系统及其临时吊挂系统。
　　（1）底模平台吊挂：
　　浇注梁段时底模平台共有12根前吊带、12根后吊带。前吊带采用δ=20mm的Q345B钢板制成。为保证块段接缝的质量，使模板密贴，后吊带应予以蹬紧，气蹬紧初始拉力为35t。前吊带将底模系统调平，前下横梁顶标高设预抬25mm。吊带下端与挂篮前下横梁的吊耳铰接，上端设垫梁、垫座与起顶分配梁锚固于前上横梁上，每个吊带采用2台25T螺旋千斤顶调节高度。底模平台的后吊带与前吊带设置是相同的，只是在后中吊带采用2台25T液压千斤顶调节高度。
　　（2）底模平台临时吊挂布置
　　为在主桁架走行时将底模平台荷载转换到已浇梁段，采用了临时吊挂结构。由于挂篮底模平台后吊挂直接作用于上一节段梁体上，故不须另设临时吊挂。所以底模平台、下导梁均只有前临时吊挂。底模平台共设6个临时吊挂点，横桥向对称于箱梁中心，设置方法是在箱梁顶板顺桥向埋设两处预留孔，通过预留孔设置20T倒链与平台前端吊点连接。底模平台前下横梁的临时吊耳采用δ=16mm钢板制成，前下横梁的临时吊点通过销轴与钢丝绳连接，再与倒链相连，顶端用卡环与倒链连接锚固于已浇梁段上。为了保证下导梁随主桁架一起走行，导梁后端能吊挂于已浇梁段上，每根导梁设上吊挂走行吊环一个(又称上滑锚)。为了保证底模平台及侧模在下导梁上滑行，每根导梁设下吊挂走行吊环一个(又称下滑锚)。吊环采用囗字形结构，下导梁从囗字形吊环内穿过。
　　3.2.4下导梁及走行系统
　　（1）下导梁系统：采用钢箱结构，箱梁截面采用1000×800×20mm，计算跨度为12m，下导梁后端锚固于箱梁底板，前端锚固于挂篮主桁前端吊带。挂篮走行分2步完成，第一步先走行主桁及下导梁，到位后锚固。第二步，底模系统及侧模系统在下导梁上滑动到位。在下导梁后端设置2台步履式千斤顶，用于底模系统的滑动。
　　（2）走行系统：每只挂篮采用6条滑道，对称于箱梁中心布置，两滑道中心距按照主桁架中心距布置。滑道梁采用钢板焊接而成。采用U型预埋螺栓固定于箱梁顶面，螺栓基本间距为300mm。挂篮走行采用六台20t的液压千斤顶并联顶推桁架。反力座设置在走道梁上，使得桁架及带动下导梁、内导梁向前移动。为保证挂篮同步走行在挂篮前支点位置设置了具有高强度、摩擦系数很小的高分子材料MGE板。
　　3.2.5后锚固和限位系统
　　（1）后锚固系统：挂篮的后锚固系统在混凝土悬臂浇筑时，挂篮的后端通过后锚分配梁后锚固力全由螺纹钢筋承担。挂篮主桁架走行到位后则锚上后锚。后锚设在每片主桁架尾端，每片桁架尾端设平衡扁担梁和接长箱梁竖向预应力筋把主桁架后节点锚固在箱梁上，锚固时应使后勾板脱离滑道，在平衡扁担梁与每片桁架相交交点两侧分别设精轧螺纹钢筋后锚。平衡扁担梁型钢组焊而成，与主桁架尾端栓接。每片主桁架两侧设后锚固4φ32精轧螺纹钢筋（级别：JL785），单根精轧螺纹钢筋的初始拉力为35t。
　　（2）限位系统：挂篮在走行到位之后，要精定位后才能浇注砼。在砼浇注过程中，必须保持其位置准确，不移位。因本挂篮未设专门的定位系统，故在施工时必须确保挂篮走道平面位置准确，并在走道两端设限位器，当挂篮走行到位后即将挂篮前支点锁定。此外，为避免砼浇注过程中底模平台发生位移，在砼浇注前应将后吊带预施足够的拉力，使挂篮底模与已浇注的梁体之间贴紧，并用于限位。
　　3.2.6内外模板系统
　　箱梁的内外模板均采用专业模板公司制作的轻型模板，模板组成：胶合板面板、木工字梁竖肋、双槽钢横肋。胶合板模板的优点：①组装灵活，部件重复利用性好；②刚度大，重量轻；③造价低，部件标准化程度高。木梁胶合板模板的技术参数：允许最大侧压力为70KN/m2，质量为60kg/m。
　　3.3挂篮特点
　　（1）本挂篮主桁架采用普通型钢焊制而成，每只挂篮总重138.5t，挂篮总重与箱梁节段总重之比（挂篮工作系数）：138.5/368=37.6%，充分突出本挂篮自重轻的特点。
　　（2）该挂篮外形美观、结构简单、杆件受力明确、计算简便。挂篮主桁架为普通型钢焊制而成，采用销接方式连接，制造、拼装简单。箱梁悬臂施工节段长达6m，如此长的悬臂施工采用普通挂篮较为罕见。
　　（3）使用并联液压装置顶推挂篮，保证了桁架的同步性，降低了劳动强度。
　　(4)采用下导梁走行体系，使前后下横梁受力合理，调整更加简单，走行时更加安全。挂篮分2次走行到位，使走行系统构造简洁，后勾板和滑道受力状况极大改善，对滑道的锚固要求大大降低，减少了挂蓝的重量。
　　（5）挂篮前端及中部工作面开阔，便于挂篮轨道、箱梁腹板和底板钢筋、预应力筋的安装，加快梁段施工速度。
　　4、挂篮主桁架设计计算
　　4.1作用于挂篮主桁的荷载
　　荷载系数依据交通部颁发的公路桥涵设计和施工规范选定。
　　（1）混凝土箱梁节段荷载最大节段混凝土重3680KN，考虑浇筑混凝土时动力因素和挂篮安全方面的重要性，控制设计最大荷载G=1.2×3680=4416KN。
　　（2）施工机具及人群荷载25KN/m2。
　　（3）风荷载500KN/m2（根据公路桥涵设计和施工规范）。
　　（4）混凝土偏载箱梁两侧腹板混凝土浇筑最大偏差5m3，重量为12.5t。
　　4.2荷载组合
　　（1）荷载组合Ⅰ梁段混凝土重量+挂篮自重+施工机具及人群重+混凝土偏载。
　　（2）荷载组合Ⅱ梁段混凝土重量+风载。
　　（3）荷载组合Ⅲ挂篮自重+冲击附加荷载（0.3×挂篮自重）+风载。
　　荷载组合Ⅰ、Ⅱ用于主桁架承重系统强度、刚度及稳定性计算，荷载组合Ⅲ用于挂篮走行时倾覆稳定计算。
　　4.3结构分析计算
　　挂篮主桁架及其它各系统为空间桁架结构，采用MIDAS7.3.1程序进行分析，建立结构模型，对结构中杆件采用梁单元，底板及加劲肋采用板单元，在计算过程中共有312个梁单元，126个板单元，计算模型如图4所示，进行挂篮结构各部件的受力分析。
　　（1）工况1：浇筑混凝土时
　　通过计算，各荷载组合中主桁架杆件最大应力为135Mpa，其他分配梁最大应力为100Mpa，均小于所用材料的容许应力。挂篮悬臂端的最大计算绕度19mm，
　　满足刚度要求。且挂篮主桁架及底模平台后锚固和前吊挂安全系数均大于2.0。
　　（2）工况2：挂篮走行时
　　此工况挂篮主桁架走行时的倾覆稳定为主要计算项目，经计算，挂篮主桁架后节点的后勾板、滑道及其预埋螺栓的受力安全系数均大于2.0。挂篮倾覆稳定系数为：K抗倾=M抗倾/M倾＞2，满足要求。
　　
　　5挂篮变形测试
　　5.1挂篮测试的目的主要是检验实际承载力和安全可靠性，并获得弹性和非弹性变形参数，，同时检验挂篮的设计质量和加工质量。静载试验按照最重梁段（4＃）的1.2倍进行模拟压重，分三级进行：0→50％→100％→120％→卸载，每级荷载加上后进行测量并记录原始数据，为箱梁施工控制提供数据。
　　5.2主要测试方法：挂篮测试在静荷载下，对其进行挠度测试，加载采用模拟挂篮的实际受力模式进行。试验分3级加载和1级卸载。挠度采用精密水准仪配精密标尺进行观测，其观测点设于主桁受力中心，编号从上游向下游编号。
　　5.3试验结果
　　
　　由测试结果可得出下列结论：①主桁实测挠度较小，说明主桁刚度大，对保证箱梁混凝土浇注质量有利；②根据实测弹性和非弹性变形值所绘制的变形曲线可用于箱梁施工中设置挂篮预拱度时参考。③从结构的挠度测量结果来看，挂篮结构在超载系数为1.2时均处于正常工作范围。由此可见，挂篮各部件均满足结构的设计要求。也反映出挂篮的强度时满足使用要求且是安全的。
　　6、结束语
　　本挂篮采用多桁片主桁使主桥箱梁在悬臂施工时受力更加合理；采用下导梁走行体系，使前后下横梁受力合理，提高了挂篮的安全性；使用并联液压装置顶推挂篮，保证了桁架的同步性，降低了劳动强度。这是大悬臂挂篮设计的一次成功尝试，值得在以后类似的挂篮设计中借鉴。
　　参考文献：
　　［1］钟铭，袁长卿.宽体式轻型挂篮设计［J］华东公路，2002，（6）
　　［2］李战荣.东龚家塬大桥挂篮设计及应用［J］铁道建筑技术，2003，（3）