悬浇施工箱梁桥菱形挂篮设计与受力分析

挂篮设计思路，介绍挂篮设计构造，并运用有限元软件MIDAS/Civil2010构建三维数值模型，分析 挂篮在砼浇筑阶段和行走阶段的受力与变形特征，为菱形挂篮应用提供参考$关键词：桥梁；菱形挂篮；悬浇施工；箱梁桥；受力分析中图分类号:U442.5

文献标志码:A

文章编号：1671 — 2668(2019)05 — 0104 — 041工程概况某桥上部跨径为59.98 m+100.01 m + 59.98

料，要求其容易加工％如国内市场难以找到合适的

材料,则从国外采购％(3) 挂篮行走与模板降升等使用液压装置，以

提升生产效率，降低劳动强度％m,桥梁宽度25.9 m,分左右两幅，中间空距仅1 m%

每幅都为独立的单箱单室直腹变截面箱梁，箱梁顶 面宽12.49 m、底宽6.49 m；翼缘板的悬臂长度各为

(4) 采取主桁架、内模与外模分开行走，分二次

行走到位的措施，减小后勾装置的受力，平衡重不再

2.99 m,两端厚度为0.6〜0.4 m,与箱梁顶面齐平,

主墩顶梁高6.4 m,边跨与中跨现浇段梁高2.5 m,

进行设置%(5) 吊升系统使用吊带与精轧螺纹钢筋，锚固、

拆装与调整均较方便％箱梁纵向高度由底部向跨中依照二次拋物线变化， 边跨12\"块现浇段长度为&940 m%主桥箱梁0\"块 使用支架现浇，1\"〜10\"块与合龙段的11\"块使用

(6) 走行系统中的滑道完全凭借箱梁上的竖向

预应力筋进行锚固，当挂篮空载向前移动时，主要依 靠后勾装置平衡倾覆力矩％挂篮悬臂现浇，整个大桥斜交正做，双幅桥梁主跨错 位16 m%全桥箱梁使用竖、纵、横三向预应力体系,

2.2

挂篮结构顶、底板纵向预应力采用高强低松驰01524钢绞 线，大吨位群锚体系顶板横向束采用高强低松驰

通过对该桥箱梁节段重与挂篮重量的对比及对 各种挂篮结构特点的分析，确定采用菱形挂篮，其结

012.70钢绞线、扁锚体系，锚具为OVM.EM13 — 3,

单端单侧张拉，腹板竖向预应力筋采用015.YGM

构见图1%—25高强度精轧螺纹钢筋％箱梁1\"〜4\"块长3.49 m,5\"〜10\"块长4.49 m,合龙后长度为2 m左右%

5\"块件为最重块段，单块砼体积为46.49 m3,重量

约 115.98 t%2挂篮构造设计2.1挂篮设计思路依据国内当前挂篮设计水平与加工能力，考虑

该桥梁段重量、长度、断面形式与外形规格，挂篮长

期使用性、通用性及梁段施工时所承受的荷载等因 素进行挂篮设计％基本设计思路如下：(1) 选择轻型结构作为挂篮的主桁，这种结构

具有受力合理、刚度强、安全可靠等特性％图1菱形挂篮结构示意图(单位:mm)(1)主桁架％主桁架为挂篮最重要构成部件之

一，主要起承重作用％分两块直立于箱梁腹板之上，

(2) 从国内生产的高强轻质钢材中选择挂篮材

2019 年 第 5 期郭杰：悬浇施工箱梁桥菱形挂篮设计与受力分析105之间采用角钢构成平面进行联结％每块桁架都采用

槽钢组焊，槽钢大小依照挂篮受力情况确定，连接点 用&20结点板与M30螺栓连接％(2) 悬吊系统％悬吊系统主要包括前吊带与后

吊带％前吊带的功能是把悬臂浇筑箱梁的多种板

(底板、腹板与底模板等)与顶板砼的重量传承给主 桁架％前吊底模架前横梁与其下端连接，每组吊带 采用2台30 t螺旋千斤顶与扁担梁对其底模高程

进行调节％后吊带的功能是把底板模板上荷载传递

到已成箱梁上部设定的若干调节孔，以适应梁底板 厚度变化。后吊带底模架后横梁与其下端焊接，上

端穿过上箱梁底板，每个吊带使用2台螺旋千斤顶 与扁担梁对已安装在箱梁上底板进行支撑％(3) 模板系统％箱梁外侧模外框架主要由角钢

与槽钢焊接而成，槽钢主要用作箱梁外侧模的围框，

同时使用大块钢框与竹胶板进行组装；内部结构主

要由角钢制作％外侧模支承在外模走行梁上，后端 凭借吊杆悬吊在灌好的箱梁顶板上，后吊架设置在

走行梁和后吊杆之间，其上安装滚动轴承％挂篮行 走时,外侧模走行梁与外侧模沿后吊带向前移动％(4) 锚固系统与走行系统％梁箱上的轨道通过

竖向预应力钢筋锚固，轨道上的菱形桁架后节点通

过后扁担梁锚固％在箱梁顶面设置2根轨道并用钢 板焊接，轨道经过短梁锚固在梁体的竖向预应力筋 上％桁架前端设置前支座，桁架后端设置后支座，后

支座在不增加平衡重的情况下运用逆扣轮沿轨道下

缘移动％挂篮在2个5 t手动葫芦的作用下向前移 动，轨道分节以梁段长度为依据％3挂篮受力分析采用MIDAS/Civil2010软件建立挂篮整体三 维模型(见图2),仅吊杆利用杆单元模拟，其余构件图2挂篮结构计算模型均使用梁单元模拟，主桁架各节点的连接释放销轴 的自由度％3.1

施工工况节段施工步骤为挂篮空置走行到位:立模:绑

扎钢筋:浇筑砼:砼达到设计强度后进行钢束或预

应力筋张拉：拆模％依据挂篮施工工艺，分3种工 况进行计算分析:工况一为施工2\"节段，梁长L = 3

m,砼重为140 kN；工况二为施工5\"节段L = 3.5 m,砼重为132 kN；工况三为挂篮空载行走，此时挂

篮只承受模板与施工时所承载的重量％3.2计算参数(1) 砼容重为27.5 kN/m3 ；钢材容重为78.5

kN/m3，弹性模量为210 GPa。(2) 材料容许应力％ Q235钢，弯曲应力.=

145 MPa,抗拉、抗压轴向力-. = 140 MPa,剪应力

—.=85 MPa。Q345 钢,—”.=210 MPa, [a.=

200 MPa, R. = 120 MPa。45 号钢,匸”.=220 MPa,—. = 210 MPa,—. = 125 MPa。直径 32 mm

精轧螺纹钢筋，抗拉力[F. = 550 kN。3.3挂篮浇筑砼阶段受力分析浇筑砼过程中挂篮结构的组合应力分布见图

3,结构变形见图4。由图3、图4可知：浇筑砼阶段,

侧模吊带上组合应力最大；挂篮结构最大变形出现 在底模纵梁之间。图3浇筑砼阶段挂篮结构组合应力分布(单位：MPa)图'浇筑砼阶段挂篮结构变形(单位:mm)106公路与 汽运2019 年9 月主要部件受力计算结果见表1,各杆件强度和 刚度均满足规范要求％其中：(1) 挂篮的主要重量由主构架承载，主构架的

稳固性对挂篮安全起着决定性的作用％主构架的应

力分布见图5。由图5可知：杆件最大拉、压应力分 别为109、103MPa。对于受压构件，还需计算其承

载能力。受压杆横截面积为0.000 950 5 m2,计算 长度为4.94 m,截面对主轴X、y的回转半径分别 为0112 8,0.112 7 m,构件对X、y实、虚轴的长细

比分别为43.79.43.79,都低于允许值-. = 149.98。

相邻两缀板之间的中心距为0.493 m,分肢绕平行 于虚轴方向的形心轴的回转半径为0.022 8 m,分肢

对最小刚度轴的长细比为21.7,格构式轴心受压构

件的换算长细比为48.9<-. = 150,查《混凝土结 构设计规范》,0 = 0.861,轴心所承受的压力经过折

减后具备的预应力为103/0.861 = 119.6 MPa。(2) 挂篮施工流程中最关键的受力环节是后

锚，其安全系数一般为2.5。主构架后锚力为460

kN。后锚由4支后锚扁担经过8支直径为32 mm

的精扎螺纹钢与梁体锚固在一起，砼梁竖向预应力

筋锚固在箱梁上成为后锚行走轨道，所有后锚荷载

460 kN分别由4支后锚扁担承载，每支后锚扁担承

载力均为115 kN,乘以不均匀系数1.3,得每支后锚

扁担承载重量为149.5 kN。最大应力为31 MPa<

140 kN,符合要求。单支直径为32 mm的精轧螺纹

钢筋F = 550 kN,则后锚精轧螺纹钢承受的最大拉

力为149.5/2 = 75 kN<140 kN,其颠覆稳固系数为

550/75 = 7>2.5,符合要求。3.4挂篮行走阶段受力分析由于挂篮行走时没有承载砼重量,对挂篮各构 件不必进行刚度与强度验算。但挂篮内外模的所有

荷载均由滑梁与内模纵梁承载，需对挂篮行走时的 稳定性及内模支撑纵梁与滑梁应力进行验算。计算表1浇筑砼阶段挂篮结构受力计算结果结构位置最大应力/MPa最大变形/ mm是否满足要求底模纵梁126020满足前下横梁41219满足后下横梁6351满足前上横梁66817满足主构架119615满足内模滑梁62918满足外模滑梁135018满足后锚扁担310—满足图5浇筑砼阶段主构架组合应力分布(单位:MPa)模型见图6。图6挂篮行走计算模型(1)外模滑梁。挂篮行走过程中，外模滑梁计

算跨度最大,其最大应力为129 MPa(见图7),小于

140 MPa, 满足要求。3.67646e-001O.OOOOOe+OOO 2.32042e+001 3.49902e+001 4.67761e+001 5.85620e+001 7.03480e+001 & 9.39198e+00121339e+001 1.05706e+002 1.17492e+002 1.29278e+002 图7挂篮行走阶段外模滑梁组合应力分布(单位：MPa)(2)内模滑梁。挂篮行走时，内模滑梁应力分

布见图8,最高应力为67.4 MPa,小于140 MPa,与 要求相符。-> 3.96242e-001-1.19233e+001O.OOOOOe+OOO -1.80830e+001 -2.42428e+001 -3.04025e+001 -3.65622e+001 -4.27220e+001 -4.88817e+001 -5.50415e+001 -6.12012e+001 -6.73610e+001 图8挂篮行走阶段内模滑梁组合应力分布(单位：MPa)(3)后支点反挂轮计算。挂篮后支撑点的反向2019年第5期郭杰：悬浇施工箱梁桥菱形挂篮设计与受力分析107力为28 130 N。行走期间，后支撑点采用反挂轮的

形式，后支腿每个挂轮耳板所承受的偏心荷载为 2 813 N。挂轮至耳板中心距为0.098 m,耳板所受

力矩为2(56 74 N/m。耳板厚度为0(25 m,贴板 厚度为0.016 m,对拉处宽度为0(9 m,贴板总宽度 为0( m。截面形状特点值1 = 85 342 mm4,从形心

至上顶面的距离y = 24( mm,A = 7 643 mm2。计

算得对拉处弯曲正应力、轴向力引起的正向应力分

别78(,82.5 MPa,轴向力引起的正向应力小于210

MPa,其安全系数为210/82( = 2(。(4) 挂篮行走轨道计算。后支撑点传递荷载为

113 kN,弯矩、抗弯模量、弯应力分别181 kN - m、

0(02 38 m3、76 MPa ,弯应力小于 140 MPa。当纵

行轨道后锚点与后支点的距离不大于1( m时,抗

弯满足要求。(5) 主构架间横联计算。在挂篮行走与空置

时,横向风力对其影响较大,计算荷载通常是几个方

面荷载与重量的集合,如施工机械、行走冲击与风荷 载及内外模与提升装置的重量。挂篮空置行走阶段 计算模型见图9,组合应力计算结果见图10 ,最大应 力为44 MPa ,小于140 MPa ,与要求相符。图9挂篮空置行走阶段计算模型H 4.40592e+0013.75025e+0013.09457e+0012.43890e+0011.78233e+0011.12755e+0014.71872e+000-8.39478e+0000.00000e+000-1.49515e+001l-2.80650e+001-2.15083e+001图10挂篮空置行走阶段组合应力分布(单位:MPa)4结语菱形挂篮由于具有节点不多、重量轻、行走方便

和拼装简单等优点,被广泛应用于砼连续梁悬浇施

工。挂篮结构受力安全是悬臂施工控制重点。该文

依托某连续刚构桥箱梁悬臂浇筑,根据桥梁特点进 行菱形挂篮结构设计,并通过有限元数值模拟得到 该挂篮在砼浇筑阶段和行走阶段的受力与变形均满

足要求。该挂篮系统在该桥主桥施工中取得了很大

成功,正常施工条件下10〜13 d就能完成一个节 段,在确保安全施工的前提下,节省工期1〜2个月。参考文献：杨宝军.悬灌梁菱形挂篮的设计原理与应用中小企

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珠江水运,2018(16).收稿日期：2019 —01 —08