本站原创摘 要 湘江大桥连续混凝土箱梁采用悬浇挂篮施工,文章结合实际工程介绍了三角斜拉式挂篮的设计,分析了挂篮在浇筑状态和走行过程中各构件的受力情况,最后结合箱梁施工节段介绍了挂篮施工工艺,可为同类结构设计与施工提供参考和借鉴.
关 键 词连续梁；悬臂施工；挂篮设计
中图分类号 U445 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）011-0146-02
1.概述
1.1 工程概况
湘江大桥主梁为三跨预应力混凝土变截面连续箱梁,跨径布置为40+60+40等于140 m.箱梁采用单箱单室截面,其中箱梁顶板款12.0 m,底板宽6.7 m；箱梁根部梁高6.05 m,跨中及边跨端部梁高3.05 m.顶板厚度除梁端附近外均为0.4 m,底板厚度由跨中0.4 m按直线线性变化到根部的0.8 m,腹板厚由0.48 m按折线变化至0.80 m.
悬浇节段长度由3.25 m、3.5 m、4 m、4.25 m四种组成.3.25 m长号块最重号块为2#块,梁重为139.8 t,3.5 m长号块最重号块为3#块,梁重为140.3 t,4.25 m长号块最重号块为4#块,梁重为153.9 t.
1.2 设计方案
根据主桥箱梁结构及悬臂节段的要求,施工中采用三角斜拉式挂篮,挂篮总重为54.6 t,可以适用于3.25 m、3.5 m、4 m及4.25 m四种节段长度及最大重量节段箱梁施工.该设计的总体思路为：
1）三角斜拉索挂篮结构简单,重量较轻,受力明确.
2）与菱形挂篮相比,三角斜拉式挂篮降低了前横梁高度,挂篮重心位置降低,提高了挂篮走行时的稳定性.
3）挂篮平衡重系统利用已浇筑梁段竖向预应力钢筋作为后锚点,取消了平衡重的压重结构.
4）挂篮走行采用液压走行系统,由导梁、走行轮、反扣轮及走行油缸组成,该系统具有就挂篮就位准确、走行速度快、施工安全可靠.
5）三角斜拉式挂篮通用性强,可通过改装用于其他高度或宽度的桥梁施工.
2.三角斜拉式挂篮的设计
2.1 挂篮结构和构造
三角式斜拉式挂篮结构简单,受力明确,施工安全性和稳定性较好.三角斜拉式挂篮由主桁架系统、工作系统、悬吊系统、行走系统、模板系统及操作系统等组成.挂篮结构图如图1所示.
2.2 主桁架系统
主桁架系统是三角斜拉式挂篮的承重结构.其由两片三角形桁架组成,两片桁架中心间距为6.22 m.每片桁架由一根纵梁、一根立柱和两根斜拉杆组成.纵梁锚固与已浇梁段上,形成稳定结构.纵梁长11m,前端悬臂5.5 m,后端锚固长5.5 m.纵梁采用2HN500×200的型钢,型钢间采用焊缝长度L等于200 mm、焊缝净距e等于400 mm的断续角焊缝连接.立柱采用两根32b槽钢,斜拉杆采用两根28a槽钢,与立柱和纵梁销接.
2.3 工作系统
工作系统包括底篮、滑梁,将模板布置在其上面,进行混凝土浇注.底篮由前、后下横梁和底平台组成.前、后横梁采用采用2HN400×200的型钢,前、后横梁上设置连接点,通过钢销与吊带连接.底平台采用HN400×200和HN300×150两种型钢,分别用于承受箱梁腹板荷载和箱梁底板混凝土重量.内、外滑梁用于支撑翼板、顶板的混凝土重量.
2.4 悬吊系统
悬吊系统主要用来支撑底篮和滑梁.悬吊分为钢板吊带和φ32Ⅳ级精轧螺纹钢筋两种.滑梁的支撑采用精轧螺纹钢筋,前端锚固于前上横梁上,后端锚固与已浇注梁段的顶板上.前吊带下端与前下横梁连接,上端通过转换装置,与千斤顶连接.后吊带的下端与后下横梁连接,上端穿过主梁底板的混凝土预留孔,锚固与箱梁底板混凝土上.前、后吊带均采用千斤顶对挂篮及节段施工标高进行调整.
2.5 行走系统
行走系统主要由走行滑道组成,在混凝土箱梁腹板上设两条走行滑道,通过2台张拉长行程千斤顶顶进前支点使挂篮在滑道上滑行,后支点用钢筋与前支点连接.挂篮走行前,走道应采用腹板竖向预应力钢筋锚固,锚固间距≤1.5m,以抵抗后支点上拔力和确保走行状态下挂篮具有2倍的抗倾覆安全系数.千斤顶顶进挂篮前行两侧应同步进行,防止支点与滑道卡住导致走行困难,影响结构安全.
2.6 模板系统
模板系统由内、外模板组成.外模采用0#块现浇钢模,通过外模内、外吊点支承混凝土荷载.走行时外模悬挂于外滑梁及已浇筑混凝土翼缘上,使外模与挂篮能同时移动.内模通过内滑梁悬挂于前上横梁及已浇筑混凝土顶板上,内、外模间设拉杆相连,为防止新老混凝土交界处漏浆,接缝处均应填塞一定厚度泡沫并通过吊带及拉杆施加一定的预紧力.
2.7 操作系统
操作系统主要为操作人员的操作平台.大部分工作可在已浇梁段和挂篮底篮内进行,但前、后吊带的安装和拆除需要专门设操作平台.
3.三角斜拉式挂篮的受力计算
3.1 荷载系数
根据相关设计规范及施工安全要求,主要荷载的荷载系数为：
考虑混凝土浇注时的胀模系数：1.05；
混凝土浇注时的动力系数：1.2；
挂篮空载走行时冲击系数：1.3；
浇注混凝土和挂篮走行时的抗倾覆稳定系数：2.
3.2 主要荷载
箱梁荷载：箱梁悬臂节段由3.25 m、3.5 m、4 m和4.25 m四种,各种节段长度最大节段重量如表1所示：
3.3 工况及荷载组合
工况一：挂篮走行,荷载组合为挂篮自重；
工况二：浇注2#块混凝土,荷载组合为2#节段箱梁荷载+挂篮自重+施工荷载； 工况三：浇注3#块混凝土,荷载组合为3#节段箱梁荷载+挂篮自重+施工荷载；
工况四：浇注4#块混凝土,荷载组合为4#节段箱梁荷载+挂篮自重+施工荷载.
3.4 有限元计算模型
三角斜拉式挂篮结构采用MIDAS有限元程序进行建模,通过三维梁单元模拟挂篮结构,杆件之间根据实际结构分别采用刚性、铰接和半铰接连接,其中铰接和半铰接通过程序提供的解除梁单元固端约束功能实现.有限元模型如图2所示.
3.5 计算结果分析
通过计算可得,最不利工况为工况4即浇注最重节段4块时,挂篮受力最大,各主意杆件内力结果如表2所示.
3.6 挂篮抗倾覆稳定性分析
1）走行状态.
挂篮走行时后支点最大反力R等于155.7 kN（单个支点）,挂篮走行时利用箱梁单根竖向预应力筋进行锚固,锚固力F等于385.34 kN.挂篮的抗倾覆稳定系数k等于2.47>2,满足规范要求.
2）浇注状态.
浇注4#节段混凝土时后锚钢筋的反力最大,单根最大反力R等于145.3 kN,最大锚固力F等于598.36 kN.挂篮的抗倾覆稳定系数k等于4.12>2,满足规范要求.
4.三角斜拉式挂篮施工及注意事项
4.1 挂篮的拼装
挂篮由工厂加工完成后,运至现场组拼,组拼时必须设置临时锚固等稳定措施,避免发生倾覆.拼装顺序为：纵梁运至指定位置→顶升后安装轨道→前支点→后锚点→进行锚固→立柱→斜拉杆→后上横梁→前上横梁→中横联→前吊带→后吊带→前下横梁→后下横梁→底平台→内外滑梁→内外模板.
挂篮拼装完成后,参照混凝土的荷载大小及分布情况逐级加载,观察其变形值,然后卸载,计算挂篮的弹性和非弹性变形值.
4.2 挂篮施工工艺
4.2.1 2#节段施工
1）待主梁0#、1#节段混凝土强度达到要求后张拉预应力筋并压浆、封端.
2）安装挂篮,并进行加载试验.
3）调整底模标高,安装侧模,绑扎底板、腹板钢筋及竖向预应力筋,安装纵向预应力管道.
4）安装箱梁内模.
5）绑扎顶板钢筋,安装纵、横向预应力管道；浇注节段混凝土.
4.2.2 其它节段施工
1）脱侧模及内模,张拉前一节段预应力筋.
2）通过前、后吊带的紧缩装置,同步下落挂篮底平台,使底模脱离混凝土面约15 cm-20 cm.
3）调整前、后吊带的悬挂方式,使挂篮转换到走行状态.
4）拼装走道,解除挂篮后锚,使挂篮前、后支点作用在走道梁上.
5）通2台千斤顶同步顶进前支点使挂篮在走道上滑移,前移挂篮至设计位置.
6）安装挂篮后锚,使后支点脱离走道梁.
7）提升底平台、外侧模板,调整底模、内模及外模中线和标高.
8）安装后下横梁吊带紧缩装置及外滑梁固定吊带.
9）重复2#节段施工步骤,完成合拢段外的其他梁段施工.
10）合拢段施工.
5.结论
1）三角斜拉式挂篮结构简单,受力明确,挂篮各杆件均采用型钢截面,加工方便,自重较轻,便于运输、安装；
2）该挂篮可以重复利用,经简单处理后即可适应不同跨径、不同长度和宽度的箱梁施工；
3）该挂篮经湘江大桥实际施工检验,结构设计合理,组装、移动方便快捷,模板调整简单,提高了施工速度和效率,同时也获得了较好的经济效益,可为相似工程提高参考和借鉴.