关于 连续刚构箱梁悬臂施工菱形挂篮受力的研究

作者：张毅

   本文以某高速大桥为依托项目，研究连续刚构箱梁悬臂浇筑施工过程中，菱形挂篮结构在浇筑混凝土阶段和空置行走阶段不同部件的受力情况，为挂篮施工和设计提供参考。

1工程概况

  某大桥为公路跨越高速公路，同时主桥规划IV级航道的一座桥梁，跨江公路通道高速公路与公路交叉桩号为K15+448. 205，交叉处公路桩号为K8+539.160，主桥中心桩号为K8+436.160，起点桩号为K8+180. 14，终点桩号为K8+767. 18，桥梁全长587. 04 m。主桥上部采用42 m+72 m+42 m的预应力混凝土变截面连续箱梁；单箱单室顶板宽12. 25 m，顶板厚0.28 m，设2%的横坡；底板宽6. 65 m，厚度为0.28 m，从跨中至主墩中心2.50 m范围按二次抛物线变化0.7 m，横桥向底板与顶板成同向2%的横坡；箱梁顶面的坡度由两侧腹板高低调整桥面的横坡；箱梁根部梁梁高按单箱中心高度4.3 m，跨中梁高2.0 m，箱梁梁高从距跨中1. 00 m至主墩中心2.5 m处按二次抛物线变化；腹板厚度1～5号块件为0.7 m，5～6号块件范围内由0.7 m按直线变化为0.5 m；6～10号块件为0.5 m，翼缘板悬臂长为2.8 m，端部厚0. 25 m，根部厚0.60 m，除在主墩墩顶设置一道2m的横梁、边跨端部设一道1.15 m的横梁外，其余部位均不设横梁。每个墩对称分为8节段，O号块件和10号块件采用支架分2次浇筑。1～8号块件为悬臂一次性浇筑，9号块件为中、边跨合龙段。

2挂篮结构受力分析

  挂篮结构总体布置见图1。菱形挂篮具有结构简洁、受力明确、拆装锚固方便等特点。主要组成部分包括主桁架、悬吊系统、锚固系统、行走系统、底模板。挂篮结构受力分析采用有限元软件midas/civ112010进行计算，采用整体模型，除吊杆外均采用梁单元，吊杆采用杆单元模拟，主桁架各节点的连接释放销轴的自由度。计算模型见图2。

2.1计算工况

  节段施工分为以下步骤：①挂篮空载走行就位；②立模；③绑扎钢筋并浇筑混凝土；④混凝土养生达到设计强度后，对设计次序张拉预应力钢筋或钢束，拆模。步骤①和步骤③为施工最不利，故根据设计图的要求及挂篮的施工工艺，挂篮计算共分为以下3个计算工况：工况1，施工2号节段时，梁长L=3 m，混凝土重139.6 k N;工况2，施工5号节段时，梁长L=3.5 m，混凝土重131.6K N;工况3，挂篮空置行走，挂篮只承受模板及施工荷载。

2.2计算参数

  直径32 mm精轧螺纹钢筋，[F]=550 k N。

2.3挂篮计算设计荷载及组合

2. 3.1荷载系数

  综合对箱梁混凝土浇筑时胀模以及因素的超载系数选取1. 05;浇筑混凝土时的动力系数选取1.2；挂篮空载行走时的冲击系数选取1.3；浇筑混凝土以及挂篮行走时的抗倾覆稳定系数取2．0。

2.3.2荷载组合

  ①荷载组合I，混凝土重量十超载十动力附加荷载十挂篮自重十人群和机具荷载等；②荷载组合II，混凝土重量十超载十挂篮自重十风载；③荷载组合III，挂篮自重十行走动力附加荷载（0.3×挂篮自重）+风载；④荷载组合IV，混凝土重量十挂篮自重十人群和机具荷载；荷载组合I，II用于主桁承重系统强度和稳定性计算；荷载组合III用于挂篮系统行走计算；荷载IV用于刚度计算（稳定变形）计算。本验算采用容许应力法，荷载的计算只计算实际发生的荷载，而不再选择荷载系数。

2.3.3风荷载

  挂篮浇筑混凝土状态按最大6级风计算，挂篮空置状态按最大8级风计算，6级风力时，风速约13.8 m/s，8级风力时，风速约18 m/s。

  (1)挂篮工作状态时侧向风荷载。挂篮上部结构侧向的受风面积按8.5 m2计算（取主桁架实际受风面积），下部结构侧向的受风面积按34 m2计（取侧模的面积）。上部结构：P上=8.5×0.2=1.7 k N;下部结构P下=34×0. 2=6.8 k N。

  (2)挂篮工作状态时竖向风荷载。挂篮受风面积按27.3 m2计（取底模的面积），P上=27.3×0. 2=5.46  k N。风荷载可按每种工况的荷载组合加载。

  (3)其他荷载。施工机械、人员等施工荷载为3．0 k N／m2；挂篮正常操作下采取的安全系数为1.2；钢筋混凝土的容重26 k N/m3；混凝土振捣荷载4．0kN/m2；挂篮悬臂浇注箱梁最重梁段为1号块件，该体积为121 t。内模、底模及重量取1.5 k N／m2，外模及排架4．0kN／m2。风荷载按8级风(18 m/s)计算。另外冬季作业时需在挂篮外侧增设暖棚，按0.5 k N／m2计算。

2.4  挂篮浇筑混凝土阶段结果分析

  在浇筑混凝土阶段，挂篮结构的组合应力分布见图3。由图3可知，最大组合应力在侧模吊带上。挂篮结构变形见图4，最大变形值位于底模纵梁上。挂篮结构主要部件受力计算结果见表1。分析可知，各杆件强度及刚度均满足规范要求。

(1)底模纵梁利用I40工字钢，共11根，横梁分部在两头简支上；连续梁部分是底模前后横梁，其支座为垂挂点的地点；按照挂篮图纸上的要求，利用钢模板作为底模板，结构为交叉格体系，板是双向板，这样形式在许多挂篮上成功应用，无须进行检算。

  (2)横梁部分为前下横梁与后下横梁，采用2140工字钢组合一起。

  (3)主构架是挂篮的最重要承受部分，挂篮结构的重心位于主构架上，因此主构架的稳定性直决定了挂篮施工的安全与否。再此，构架务必拥有足够的强度以及刚度和稳定性，从图5所示组合应力，可以得出，杆件的最大拉应力为109 M Pa，最大压应力为103 M Pa，受压构件还需进行稳定承受能力演算。

  (4)内模滑梁采用2[30槽钢。

  (5)外模滑梁采用2[30a槽钢，并在其上下粘贴10 mm厚钢板。

  (6)后锚是挂篮在全部工序流程中至关重要的受力环节，同时也是实行挂篮安全施工的重要措施，后锚的安全性直接决定了挂篮施工的安全性，因此，后锚的安全、稳定一直受到设计单位和施工单位的重视。后锚需要有足够的安全系数，一般大于2.5。从主构架的计算结果可知，主构架后锚力大小是460 k N。从设计图中可以看出，后锚是用4根后锚扁担通过8根直径32 mm的精扎螺纹钢跟梁体锚固在一起，而走行轨道则是通过混凝土梁的竖向预应力筋锚固在箱梁上：

  后锚扁担承担一切后锚荷载的力，总计460K N，共4根后锚扁担，平均每根承受460/4 =115K N，乘以1.3的不均匀系数得149.5 k N。最大应力是31 M Pa<140 M Pa，满足要求。单根直径32 mm精轧螺纹钢筋F=550 k N，后锚精轧螺纹钢承受的最大拉力为149. 5/2=75 kN。倾覆稳定系数：550／75=7>2.5。因此，满足要求。

  (7)由计算可知，外模吊受力最大处为底模后吊点，拉力N - 387 k N，吊带净面积A=(150 -52) X25=2 450 mm2,Ó= N max／A =387 000/2 450=158 M Pa<200 M Pa，满足要求。

  由演算了解提高装备吊杆（精轧螺纹钢，控制应力取650 M Pa）最大拉力为：N=100 k N，吊杆面积An= 252×3.14/4—490.8 mm2，Ó=N max/An= 100 000/490. 87=203.7 M Pa<650M Pa，满足要求。所以，在节段混凝土浇筑阶段，提升装置的吊带和吊杆都能够满足要求。

2.5挂篮行走阶段结果分析

  由于挂篮步行时不承受混凝土的重量，此时，可以不对菱形架与前支点以及底模平台每根杆件实行强度与刚度等演算。但是，对于滑梁以及内膜纵梁承受内外部挂篮荷载等，对此还需针对挂篮步行时的稳固性进行演算外，还需演算滑梁以及内膜支架纵梁的受力，计算模型见图6。

  (1)外模滑梁。在挂篮行走阶段，外模滑梁计算跨度最大，因此需计算其强度是否满足规范要求，最大应力是129 M Pa<140 M Pa，满足要求。

(2)内模滑梁。在挂篮行走阶段，内模滑梁计算跨度最大。因此需计算其强度是否满足规范要求，最大应力是67.4 M Pa<140 M Pa，满足要求。

3结语

挂篮结构受力安全是保证悬臂施工的关键，依托某大桥连续刚构箱梁悬灌施工项目，采用有限元软件midas/civ112010对菱形挂篮结构建立有限元模型，设计计算工况，确定计算参数和计算荷载；分挂篮浇筑混凝土阶段和挂篮空置行走阶段，分别进行符合结构实际受力状态的有限分析，计算菱形挂篮各部件的最大应力和最大变形，并对强度稳定性进行验算．从而得出该大桥连续刚构箱梁悬灌施工菱形挂篮结构满足承载力的要求，荷载传送贯通、明晰，挂篮的各承力部件具有充分的强度以及刚度和稳定性，能够确保挂篮在整个施工过程中的安全性能。

4摘  要挂篮作为悬臂施工的关键设备，其受力性能对保证施工安全具有决定性意义。依托某大桥连续刚构箱梁施工项目，建立菱形挂篮有限元模型，在最不利工况下，分挂篮浇筑混凝土阶段和挂篮空置行走阶段，计算挂篮各受力部件的最大应力和最大变形，并验算其强度稳定性。结果表明，菱形挂篮各部件最大应力均小于容许应力140 M Pa，最大变形均小于容许变形20 mm，满足设计及规范的要求，能够保证荷载的传递流畅、明确，挂篮的各承力部件具有足够的强度、刚度和稳定性。