狼冲口特大桥菱形挂篮施工计算分析

吴刚刚

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530011)

随着交通网络兴起和现代桥梁施工技术快速发展，大跨径的桥梁修建已逐步成为建设交通枢纽和促进经济发展的重要环节。对于预应力钢筋混凝土连续箱梁，其主梁通常采用挂篮悬臂浇筑施工工艺，不仅具有良好的整体性，还因跨越了河流和深谷等障碍物取得较好的经济性。

1 基本概况

1.1 工程概况

狼冲口特大桥为贯通广西梧州至柳州高速公路的第一座特大桥，其主桥上部采用(55+100+55)m三跨预应力混凝土连续箱梁。箱梁断面为单箱单室截面，桥宽度为12.75 m，梁顶宽度为12.75 m，梁底宽度为6.75 m，翼缘板宽度为3 m，腹板厚度为500～1 300 mm，底板厚度为450～1 150 mm。

1.2 挂篮结构的选型

按照构造结构和受力特点，挂篮大致分为以下几种类型[1]：桁架式挂篮、斜拉式挂篮以及复合式挂篮，其中桁架式挂篮较为常用。而桁架式挂篮依据承重主桁架的不同构造形式又可分为平行桁架式挂篮、三角式挂篮以及菱形挂篮等。其中，菱形挂篮具有稳定性良好[2]、作业面开阔[3]以及适用性强等优势，被广泛用于桥梁建设施工。

2 菱形挂篮结构

2.1 基本结构及工作原理

菱形挂篮通常包括菱形桁架、吊挂系统、走行系统、模板系统及张拉操作平台5个部分[4]。主桁架结构属于菱形桁架，其由5根受力杆件组成。在施工过程中，前悬臂端与底篮通过分配梁垂直悬吊。

菱形挂篮结构的工作原理：(1)翼缘板混凝土与外侧模桁片的重量由外滑梁的前后吊带支撑，接着传至前一块段相邻的箱梁顶板与前上横梁；(2)菱形挂篮结构顶板混凝土与内箱模板的重量，由内滑梁的前后吊带承受，然后传至前一块段相邻的箱梁顶板与前上横梁；(3)腹板、底板的混凝土以及底模平台的重量由前后下横梁的吊带承担，紧接着将荷载重量传至前一块段相邻的箱梁底板与前上横梁。

2.2 挂篮拼装与拆卸

挂篮安装与拆卸流程如图1所示。挂篮各构件运至现场后，使用塔式起重机配合人工进行挂篮拼装，各构件进场后要严格验收和检查。

图1 挂篮安装与拆卸流程图

3 菱形挂篮结构主要施工工艺

3.1 挂篮预压测试

挂篮预压主要针对主桁梁、立柱、斜拉带体系进行加载试验，验算其在荷载作用下的强度及刚度稳定性，预压方案如图2所示，在平整地面对拼菱形主桁承重系统，挂篮后横梁对拉32精轧螺纹钢，在主桁支点下用工钢焊接成板凳模拟挂篮受力时支点，通过在挂篮前吊点处位置设置液压千斤顶的方式进行加载。加载等级按计算荷载的50%、100%、110%分三次进行加载，达到设计荷载后，扭紧螺帽持荷24 h，检查最终挠度，合格后分级卸载。

图2 挂篮主桁承重架预压示意图

3.2 挂篮悬浇施工

对于挂篮悬浇施工过程中的钢筋绑扎，应依次遵循先底板、再腹板及后顶板的顺序进行，而在这些过程之前要确认安装和调整好模板。混凝土养护7 d并符合试压要求标准后即可张拉，顺序为：纵向预应力束的张拉→张拉横向预应力束→加工竖向的应力筋。

预应力束张拉并压浆完成后，即可松动挂篮吊杆，使挂篮底板离开箱梁底200 mm，这时即可将挂篮前移至下一块段。施工顺序为：菱形挂篮就位→提升底篮并调整标高→绑扎箱梁底板和腹板钢筋→内模就位→绑扎箱梁顶板、翼板钢筋→浇注混凝土→混凝土养护至设计张拉强度→挂篮卸挂与前移就位，进行下一块段施工。

3.3 预应力施工

狼冲口特大桥选用大跨度的连续箱梁结构，采用了纵向、横向以及竖向三个方向的预应力体系，纵向预应力钢束和竖向预应力钢束分别采用低松弛钢绞线和PSB830螺纹钢，标准强度分别为1 860 MPa和830 MPa，弹性模量为1.95×105MPa，其它技术要求均要满足GB5224的规定。竖向预应力管道采用直径40 mm金属波纹管，张拉力的设计值取346.3 kN。纵向预应力束在横向断面上应对称张拉，同时每根钢束应两端对称张拉。

竖向预应力钢束采用一端张拉方式进行预应力张拉。在张拉过程中，统一断面的单箱两个腹板钢筋必须同时、对称张拉。张拉结束后，采用切割机割去多余部分，而割后露出螺母以上应满足长度≥30 mm。竖向精轧螺纹钢筋张拉程序：0→初应力→σcon(持荷5 min)→0→σcon(锚固)。

3.4 压浆与封锚

在完成孔道压浆这道工序之前，为了杜绝冒浆现象的发生必须要填封孔洞。此外，采用压缩空气并结合中性洗涤液反复冲洗管道，直到完全去除这些微小的颗粒。最后，顺延着浆体流动的方向逐一封闭出气孔，保证注入管在压力下封闭直到压浆剂凝固。

在压浆完毕之后适时进行下一步的封锚工作，采用封闭方式并遵循设计规程对锚固段进行保护处理。箱梁的端部混凝土进行凿毛之后需保证一定的清洁程度，在进行封锚施工过程中，不仅要求选用与该结构相同强度的混凝土，而且应保证梁体长度控制在一定的尺寸范围之内。

4 荷载计算及模型建立

4.1 基本参数及模型

该菱形挂篮结构材料参数均按《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)[6]取值，泊松比μ=0.3。混凝土容重取26 kN/m3，模板取2.0 kN/m2，人群及施工机具堆放荷载取2.5 kN/m2，而振捣机冲击荷载取2.0 kN/m2。采用Midas Civil建立计算模型如图3所示：

图3 菱形挂篮结构计算模型图

取最不利工况1#节段作为最重块段验算和最不利工况6#节段作为最长块段验算挂篮结构的承载力和稳定性。设计基本参数和荷载组合分别如表1和表2所示：

表1 挂篮设计基本参数表

表2 不同的荷载工况组合形式表

4.2 1#块荷载计算及验证

4.2.1 底篮计算

(1)底篮纵梁计算荷载如表3和表4所示。

(2)底篮平台模型受力分析

中纵梁采用Ⅰ32a截面，一只挂篮需要采用16根Ⅰ32a工字钢。计算中采用程序自带Ⅰ32a截面，利用其截面特性调整系数功能对截面特性及自重等几何性质进行修正，使之与原截面相同，按16根Ⅰ32a工字钢参与计算，6根中纵梁，10根边纵梁，见图4。

表3 底篮中纵梁受力分析(1#块箱梁底板)表

表4 底篮边纵梁受力分析(1#块箱梁腹板)表

注:上述计算分析均为模型中单根纵梁分配的荷载。

(a)底篮平台弯应力

(b)底篮平台剪应力

由图4可知：底纵梁最大弯应力为：93.1 MPa<215 MPa，最大剪应力为：14.3 MPa<125 MPa，均满足强度要求。

图5 底篮平台挠度值示意图(mm)

由图5可知：底篮平台最大挠度为27.6 mm，满足规范及设计要求。

4.2.2 挂篮主桁架计算

(1)挂篮主桁构件强度、稳定性分析

菱形单榀主桁架结构为5根杆件的平面杆系，外部除下轩杆采用2[40b截面，其余3根外部杆件采用2[36b截面，内部斜腹杆采用2[25b截面。

图6 组合正应力(弯矩+轴力)示意图(MPa)

由图6可知，组合正应力最大为177.4 MPa<215 MPa，验算弯曲容许应力取1.4的提高系数[7]，即取145×1.4=203 MPa。

(2)主桁竖向变形

图7 主桁变形示意图(mm)

由图7可知：安装吊杆处下挠16.4 mm，符合规范及设计要求。

(3)主桁内力计算

挂篮主桁施工荷载组合条件下内力如图8～9所示。

图8 主桁架杆件轴力示意图

主桁架轴力最大为1 403 kN，单片主桁后锚最大反力为674.9 kN、前支点反力为1 286.3 kN，均满足规范和设计要求。

图9 主桁架锚固点反力示意图

4.3 6#块荷载计算及验证

4.3.1 底篮计算

(1)纵梁计算分析

6#块底模纵梁和底篮边纵梁的计算强度荷载和计算刚度荷载与1#相同，在此不做赘述。

(2)底篮平台模型受力分析

6#块中纵梁选用的截面形式与1#块相同。单根边纵梁采用5根Ⅰ32a工字钢，图10示出10根边纵梁。

(a)底篮平台弯应力

(b)底篮平台剪应力

由图10可知：底纵梁最大弯应力为：85.8 MPa<215 MPa，最大剪应力为：14.8 MPa<125 MPa，均满足强度要求。

图11 底篮平台挠度值示意图(mm)

由图11可知：底篮平台最大挠度为29.6 mm，满足规范及设计要求。

4.3.2 挂篮主桁架计算

(1)挂篮主桁构件强度、稳定性分析

图12 组合正应力(弯矩+轴力)示意图(MPa)

由图12可知，组合正应力最大为190.3 MPa<215 MPa，按照压弯杆件进行验算，验算弯曲容许应力按规范对临时结构取1.4的提高系数[7]，即取145×1.4=203 MPa。

(2)主桁竖向变形

图13 主桁变形示意图(mm)

由图13可知，安装吊杆处下挠16.4 mm，符合规范及设计要求。

(3)主桁内力计算

挂篮主桁施工荷载组合条件下内力如图14～15所示。

图14 主桁架杆件轴力示意图

主桁架轴力最大为1 403 kN，单片主桁后锚最大反力为674.9 kN、前支点反力为1 286.3 kN，均满足规范和设计要求。

图15 主桁架锚固点反力示意图

5 结语

(1)基于Midas Civil有限元计算模型分析可得，连续箱梁1#节段和6#节段的底篮平台弯应力和正应力均满足规范要求，且最大挠度小于挠度设计值，进一步验证了模型的稳定性和计算方法的正确性。

(2)连续箱梁1#节段和6#节段的主桁架的竖向变形和轴向力均在设计规范要求的范围之内，因此本文建立的挂篮结构计算模型受力合理、结构安全。

[1]袁卫国.菱形挂篮设计改良与施工技术研究[D].广东：华南理工大学，2012.

[2]方淑君，杨 耀，阮 翔，等.三角形挂篮和菱形挂篮有限元对比分析[J].公路工程，2017，42(1)：55-59.

[3]邹政权，金立陈.菱形挂篮施工设计及受力性能分析[J].北方交通，2015，(10)：28-31，36.

[4]游 柯.探讨菱形挂篮悬臂浇筑施工技术在桥梁工程中的应用[J].科技创新与应用，2014(6)：209-210.

[5]JTG/TF50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[6]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[7]JTJ025-86，公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].