箱梁桥菱形挂篮施工技术及预压加载分析

龙秋亮

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004)

1 工程概况

长沙市三一大道浏阳河大桥位于长沙市开福区，起自德雅路与三一大道平交处，向东穿越四方坪立交桥，跨越浏阳河，经月湖公园，止于万家丽跨线桥西侧，是浏阳河长沙段最宽的桥梁，京港澳国家高速公路长沙连接线的控制性工程。路线全长为2.3 km，其中大桥全长828 m，宽度42 m，全桥位于直线段，部分纵面位于－2.4%和2.4%直线纵坡段，其余位于R=8 000，T=144 的竖曲线上。

主桥采用58 m+3 ×96 m+58 m 五跨变截面预应力混凝土连续箱梁。主桥上部箱梁为变截面单箱双室断面，箱梁梁高、底板厚度均按圆曲线变化。主跨箱梁根部梁高(箱梁中心线)为560 cm，跨中梁高(箱梁中心线)为 270 cm，箱梁顶板全宽为2 050 cm，厚 度 25 cm。 底 板 宽 度 957.7～1 180.8 cm，厚度为73.6～30 cm。腹板厚度分别为75 cm 及50 cm。箱梁在花瓶墩墩顶处设300 cm 厚的横隔板。

主跨箱梁单“T”共分12 段悬臂浇筑，0 号梁段长 12 m，其余 1～12 号梁分段长为(7 × 300+5 ×400)cm，边跨、次边跨、中跨合拢段都为2 m，边跨现浇段长10 m。主跨T 及边跨T 按6～9 号墩共4 个“T”对称悬臂现浇施工，0 号梁段采用钢管桩支架现浇，其余梁段采用挂篮悬臂现浇，悬浇最重梁段为1 794 kN。全桥合拢顺序为:先合拢两个边跨，接着合拢次边跨，最后合拢中跨。

2 挂篮选型

根据箱梁结构特点及设计要求，并结合在其他同类型桥施工中的经验，三一大道浏阳河主桥拟定采用菱形挂篮进行箱梁悬臂浇筑施工，挂篮总重为约56 t。其优点在于:菱形挂篮的各部件受力明确，易于精确地进行受力分析计算;另外挂篮部件的加工制造和运输安装都能达到简便、迅速的目的。

3 菱形挂篮构造

菱形挂篮结构简单、受力明确、操作空间大、一次移动到位。如图1所示，浏阳河大桥菱形挂篮由主桁系统、行走锚固系统、导向系统、底篮系统、模板系统、平台防护系统、前后上横梁、吊挂系统、辅助部件等组成。

3.1 挂篮的主桁架系统

菱形挂篮的主要承重结构是两片菱形桁架，每片桁架由5 根受力杆件销结而成。每片桁架的主梁是由2［36 槽钢组焊而成，前上横梁与菱形主桁架采用Φ32 mm 精轧螺纹钢联结，形成桁架受力结构承受前悬吊所产生的荷载。

3.2 挂篮横梁的悬吊系统

悬吊系统由前上横梁、底模前后吊带及千斤顶等组成。挂篮底模前吊带采用8 根ΦJ32 精轧螺纹钢，每2 根一组，锚固于前上横梁;底模后吊带采用Φ32 mm(PSB830 级)精轧螺纹钢，通过千斤顶分别锚固于后上横梁两侧、两端翼板的倒角、已浇箱梁段底板上。每组吊带用2 个320 kN 手动螺旋式千斤顶通过扁担梁调节底模的标高。

图1 挂篮纵、横断面示意图(单位:mm)

3.3 挂篮的后锚固系统

后锚是主桁架的自锚平衡装置，由锚固扁担梁、连接锚杆、竖向预应力筋以及千斤顶等组成。挂篮的后端用φJ25 精轧螺纹钢和后锚扁担梁把菱形主构架后节点锚固在轨道上，锚固时应使后支座反扣轮脱离轨道，使后锚力全由精轧螺纹承担。后锚杆用采用 2 ×2 根材质为 40CrNiMo，直径 φ40 的低合金钢锻件加工而成锚杆。

3.4 行走系统

挂篮的行走系统包括主梁后锚压、滑道和牵引设备，行走前在主桁架下铺设双排钢轨和组合滚轮，在梁上预埋铁槽钢作锚固端，穿入钢铰线，拆洗后锚固，用单孔千斤顶拉动挂篮前进。

3.5 挂篮的模板系统

挂篮的底模采用定型钢模板，规格为4.2 m ×2 m，外模板采用14#槽钢拼装支架贴6 mm 厚钢板，外侧模及箱梁翼缘板采用10 号槽钢焊接斜撑。内模腹板、顶板采用竹胶板。内模用10 cm×10 cm 方木，外模采用10 号槽钢作强架，用螺纹拉杆拉紧，使之形成一个整体。内模采用竹胶板便于装拆和修改。为防止模板变形，模板采用10 cm×10 cm 方木加工成整体桁架支撑。内顶桁架支承在2 根分配梁上，上铺10 cm×10 cm 方木和竹胶板。腹板内外侧采用Φ16 拉杆对拉。每段梁采用3 道拉杆，水平间距0.8 cm。挂篮的模板示意图如图2。

图2 挂篮的模板示意图

4 挂篮拼装

在0#块浇筑完成后，进行菱形挂篮的拼装，拼装的顺序为:轨道中心线放样→轨道安装→菱形桁架拼装→后锚系统→安装主梁平联→安装前横梁→安装中后横梁→安装悬吊系统→底篮底模安装→工作平台。

在挂篮拼装之前，应编制挂篮安装专项方案;调平行走轨道中心线(两侧行走轨道中心线调平层面高差不得超过1 mm)。

5 挂篮加载试验

5.1 预压方法

在挂篮拼装完毕之后，为了挂篮的安全施工，必须对挂篮进行预压，消除挂篮主桁、吊带及底篮的非弹性变形，检验挂篮结构的安全性。通过测量挂篮在各级静力试验荷载作用下的变形，了解挂篮结构工作状态时的挠度变化规律，以便准确地控制梁体的线形。本桥根据现场实际情况采用沙袋堆载方法对挂篮进行预压。预压加载力取1.2 倍最大静载重作为压载总重。本桥悬臂浇筑最重梁段为1 794 kN，则每套挂篮试压的总重为2 153 kN。

5.2 测点布置

挂篮布置的观测点观测的项目有后锚上挠值、前支点沉降值、上前横梁吊带处变形、下前横梁吊带处挠度。观测点详细设置如下:

1)挂篮主梁顶面的观测点。

每根主梁的后锚处设置1 个观测点，即测点1 —1、1—2、1—3;每根主梁的前支腿处设置 1 个观测点，即测点2—1、2—2、2—3。

2)上前横梁顶面的观测点。

每个挂篮上前横梁的6 处吊杆处各设置1 个观测点，即点测3—1、3—2、3—3、3—4、3—5、3—6。

3)下前横梁顶面的观测点。

每个挂篮下前横梁的6 处吊杆处各设置1 个观测点，即测点4—1、4—2、4—3、4—4、4—5、4—6。

5.3 预压加载

在预压准备完成之后，对同一个主墩2 个挂篮预压要求同时进行，分5 级进行加载，分别为30%、50%、80%、100%、120%;卸载分3 级按照80%、50%、0 进行。每一级加载、卸载完毕1 h 后读1 次水准测点的数据，每隔2 h 的变形不超过1 mm 时认为变形稳定，进行下一级加/卸载，加载过程中同时观察结构变化情况。根据在各个荷载作用下的挂篮竖向位移，绘制荷载与变形的曲线，了解箱梁最不利块段施工时挂篮前端最大挠度，以便准确地控制梁体线形。

由于挂篮变形受日照温差的影响，根据公式L1=L0(1+aΔt0)计算，挂篮构件中吊带变形受温差影响最大，在温差达10 ℃时，变形之差为1.1 mm。为了准确测得挂篮变形值，加载试验时间应选择在温差较小的时间段进行。

5.4 实验结果

以2#墩西侧菱形挂篮悬臂浇筑最重梁段时的实际施工工况为例，挂篮加载试验完毕后，菱形挂篮上前横梁顶面测点的试验成果如表1所示。

表1 2#墩西侧菱形挂篮上前横梁顶面各测点预压试验观测结果

从表1中可看出:2#墩西侧菱形挂篮上前横梁顶面的非弹性变形值分别为8、8、8、10、9 和8 mm。测点在加载和卸载过程中弹性变形值如表2所示。

表2 2#墩西侧菱形挂篮上前横梁顶面各测点弹性变形值

6 菱形挂篮有限元模拟分析

为了验算预压加载试验结果的可靠性，对菱形挂篮悬臂浇筑最重梁段时的工况进行受力分析。采用有限元软件ANSYS，建立简化的空间力学模型(见图3)。

图3 浏阳河大桥菱形挂篮有限元分析模型

假定菱形挂篮构件为弹性材料，桁架杆件、吊杆采用Link8 杆单元模拟，其余构件按梁单元处理，选用Beam188 梁单元模拟。挂篮主要构件采用普通钢材，弹性模量取210 GPa，泊松比取0.33，容重取7 800 kg/m3。设计荷载选取如下:①钢筋混凝土的容重26 kN/m3;②人群及机具计算荷载3.0 kN/m2;③混凝土振捣荷载4.0 kN/m2;④箱梁混凝土浇筑时的超载系数取1.05;⑤新浇筑混凝土时的动力系数取1.2;⑥挂篮空载行走时的冲击系数取1.3;⑦浇筑混凝土和挂篮行走时的抗倾覆稳定系数2.0。

6.1 菱形挂篮预压加载结构变形分析

对菱形挂篮预压工况模拟计算时，只考虑弹性变形，计算得到2#墩西侧菱形挂篮上前横梁顶面的变形结果，如表3所示。

表3 2#墩西侧菱形挂篮上前横梁顶面各测点弹性变形ANSYS 计算值

根据表2、表3，可绘制菱形挂篮荷载－弹性变形曲线(见图4)。从图4可知，菱形挂篮各个测点的弹性变形与菱形挂篮荷载基本呈线性关系，即构件在材料线性弹性范围内工作;在各级荷载作用下，各个测点的弹性变形值比计算值小，挂篮结构在荷载安全系数为1.2 时均处于正常工作范围。由此可见，挂篮各部件的结构变形均满足设计要求。

图4 浏阳河大桥菱形挂篮荷载－弹性变形曲线

6.2 菱形挂篮预压加载结构应力分析

菱形挂篮悬臂浇筑时，箱梁翼缘板混凝土重量和两侧模板重量通过外滑梁分别由前一段已浇筑的箱梁翼板和挂篮主桁的前横梁承担;箱梁顶板混凝土和内模重量通过内滑梁分别由前一段已浇筑的箱梁顶板和挂篮主桁的前横梁承担;箱梁底板、腹板混凝土重量及挂篮底篮平台重量分别由前一段已浇筑的箱梁和挂篮主桁的前横梁承担。

菱形挂篮有限元分析得到结构应力计算结果如表4所示。

分析表4的应力计算结果可以得出，菱形桁架杆件、吊杆只承受拉压作用，受力明确。前上横梁承受前下横梁通过吊带传递的拉力，而箱梁的重量直接从底板纵梁传递至前下横梁，表4中前上横梁承受的弯矩最大，从而会导致前上横梁的变形加大。在设计挂篮的时候应该提高前上横梁的刚度(增加截面面积或者材料的弹性模量)来减小变形。底板后吊杆、短吊杆应力跟其他吊杆的应力相比偏大，在挂篮设计的时候同样需要提高其刚度。

通过有限元对菱形挂篮构件的结构应力分析计算，可以掌握挂篮在施工中各构件的受力性能，为挂篮的设计提供指导性意见，为挂篮的安全施工提供理论保障。

表4 菱形挂篮构件应力计算结果

7 结语

菱形挂篮受力明确，易于进行精确的受力分析，本文结合工程实践，利用ANSYS 对菱形挂篮进行有限元分析，建立空间力学模型，模拟挂篮加载。

1)数据结果表明，简化的有限元模型得到的弹性变形与实际观测得到的弹性变形结果基本呈线性关系，因此对菱形挂篮进行有限元分析是非常重要，根据分析结果，不但可以在施工过程中控制梁体线形，还可以根据计算得到的弹性变形，为后期的预压和确定立模标高提供依据。

2)得到的力学性能参数可以改进挂篮设计，为挂篮的安全施工提供理论保障。

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