平永河大桥菱形挂篮施工0#块优化设计

张海彬

(中铁五局集团第四工程有限公司，广东韶关 512031)

平永河大桥菱形挂篮施工0#块优化设计

张海彬

(中铁五局集团第四工程有限公司，广东韶关 512031)

以新建贵广高速铁路平永河大桥施工为例，通过对常规菱形挂篮优化设计，利用菱形挂篮的主桁架、节点箱作0#块托架，用菱形挂篮的上下横梁作0#块托架的横梁，用挂篮的底模、纵梁作0#块的底模系统施工0#块，然后再拼装挂篮施工悬臂箱梁。不需要另外单独加工托架，节约了材料的投入成本。

菱形挂篮 0#块托架 优化设计

近年来我国对基础设施建设的投资不断增加，高速公路、高速铁路标准要求越来越高，多采用以桥、隧代路的设计理念，而在跨越既有铁路、公路、河道、山谷时多采用预应力混凝土连续悬臂现浇箱梁。此类结构体系具有变形小、结构刚度好、抗震能力强、养护简易、施工技术成熟等优点。挂篮法悬臂现浇是预应力混凝土现浇连续箱梁施工中最常用的方法之一，本文结合贵广高速铁路平永河大桥连续悬臂现浇箱梁挂篮优化设计及检算过程，论述如何改进菱形挂篮设计，利用菱形挂篮主桁架、横梁、底模等构件施工0#块，然后再拼装挂篮施工悬臂箱梁的设计工艺。

1 工程概况

贵广高速铁路平永河大桥位于贵州省榕江县，中心里程DK200+557，桥全长508.469 m，本桥平面位于半径5 500 m的曲线和直线上，纵坡位于-3‰的下坡线路上。全桥孔跨布置:1×24 m简支箱梁+2×32 m简支箱梁+(48+80+48)m连续悬浇梁+7×32 m简支箱梁。桩基采用群桩基础，承台明挖，桥墩采用垂直圆端形墩及放坡圆端形墩，放坡圆端形桥墩墩身坡率采用外侧 40∶1，空心墩内侧 60∶1(50∶1);桥台采用矩形空心台。主墩4#墩墩高36.0 m，5#墩墩高38.5 m，6#墩墩高33.0 m。梁体施工方法:贵阳台—3#墩、6#墩—广州台间简支箱梁采用钢管柱支架法施工，3#墩—6#墩间的连续梁采用挂篮悬臂施工。

2 工艺原理

悬臂现浇预应力混凝土箱梁施工法是利用已经完成的墩顶0#块段为起点，把箱梁分成若干个2.5～4.0 m的箱梁节段，通过挂篮对称在墩身两侧就地现浇混凝土施工，来逐段完成混凝土浇筑及预应力张拉、压浆等工序的一种施工方法。墩顶0#块一般用落地支架(15 m以下矮墩)和牛腿托架(15 m以上高墩)法施工。两者均需在0#块的两侧拼装移动式挂篮，挂篮后半端与箱梁锚固在一起，前半端悬吊底侧模，安装钢筋、预应力束、浇筑混凝土，当混凝土达到设计的强度和弹模后施加预应力，并在管道内压浆，再将挂篮移至下一节段，循环作业工序，直至合龙。

挂篮是施工悬臂现浇梁的主要设备，在设计挂篮时，考虑挂篮能承受自身重量、最大节段重量，且满足挂篮自身轻、强度安全可靠，刚度大变形小，移动灵活，拆卸方便的要求，同时也考虑利用挂篮的桁架、底模、横梁等主要构件，进行0#块施工时的托架设计。

3 适用范围及结构特点

优化菱形挂篮施工适用于高墩悬臂现浇预应力混凝土连续箱梁，即用菱形挂篮施工0#块及各节段块件悬臂施工。其特点有:菱形挂篮承载能力和刚度均较好，施工操作空间大、行走方便快捷、拼装灵活、工序衔接紧凑，安全可靠。菱形挂篮由主桁架承重系统、横梁吊带调高系统、走行及锚固系统、底平台系统、模板系统五大部分组成，构件简单明确。利用菱形挂篮构件施工0#块时，对墩身无大的损伤，只需在圆端形墩顶部预埋槽钢作销轴孔，矩形墩部在墩身顶预留32 mm精轧螺纹钢对拉孔，对拉牛腿销轴座。施工0#块托架的材料主要用菱形挂篮的主桁架、节点箱作0#块托架，用菱形挂篮的上下横梁作0#块托架的横梁，用挂篮的底模、纵梁作0#块的底模系统。不需要另外单独加工托架材料，节约了材料的投入成本，缩短了挂篮的安装施工周期。

4 菱形挂篮优化设计

4.1 挂篮设计说明

考虑要利用挂篮的主桁架拼装0#块托架的牛腿，设计采用菱形挂篮，挂篮结构模型参见图1。主要构件包括 Z1，Z2，Z3，Z4，Z5 主桁架、立柱、横向联结系、前上下横梁、后下横梁、底篮、导梁、吊带、模板等所有的承重系统。

挂篮设计检算按照荷载传递顺序对空间荷载进行等代替换，由空间立体几何体系转化为平面杆件问题。转化顺序为:挂篮底横、纵梁→底模→侧模内模→导梁→吊挂系统→前上横梁→主桁。挂篮计算中对传力作了如下的假定:

1)箱梁翼缘板混凝土及侧模重量通过外导梁分别传至前一节段已施工完的箱梁顶板和挂篮主桁的前上横梁承担;

2)箱梁顶板混凝土、内模支架、内模重量通过内滑梁分别由前一节段已施工完的箱梁顶板和挂篮主桁的前上横梁承担;

3)箱梁底板、腹板混凝土及底篮平台重量分别由前一节段已施工完的箱梁和挂篮主桁的前上横梁承担。

挂篮材料选用Q235b普通型钢钢材(表1)，计算参数:钢材弹性模量 E=2.06×105MPa，密度 γ=7 850 kg/m3，容许弯曲应力[σ]=145 MPa，容许剪应力[τ]=85 MPa。销轴材料用 Q45钢材[σ]=200 MPa，[τ]=120 MPa。

表1 型钢截面特性

挂篮设计基本参数:

梁段混凝土重量26.5 kN/m3;人群及机具荷载取2.5 kPa;超载系数取1.05;新浇混凝土动力系数取1.2;挂篮行走时的冲击系数取1.3;抗倾覆稳定系数2.0;荷载组合，①混凝土重+挂篮自重+施工、人群机具+动力附加系数(强度、刚度计算)，②挂篮自重+冲击附加系数(行走稳定性)。

4.2 挂篮主桁架

挂篮主桁架Z1—Z5构件由双拼[32b槽钢与10 mm厚钢板焊接一起，由节点箱通过80 mm的销轴连接成挂篮主桁架，详见图1(a)。在施工0#块时，把一支挂篮主桁架拆成4片三角架作为0#块的牛腿托架，用φ32 mm精轧螺纹钢对拉节点箱1固定在墩身上，安装三角架牛腿，形成0#块托架平台，见图1(b)。在平台上横铺挂篮的底横梁、纵铺挂篮的底纵梁、底模、外侧模、内模，安装0#块钢筋、预应力筋管道及各项预埋件，浇筑混凝土、养生、张拉、压浆，拆除0#块模板、托架，安装挂篮，预压挂篮，进行挂篮块件施工。本节以1#块、0#块的设计参数为依据对挂篮主桁架荷载进行分析设计。

图1 主桁架的两种结构(单位:mm)

4.2.1 作为挂篮主桁架时的验算

作为挂篮主桁架时的内力如图2所示。

菱形主桁架结构平面杆系共5根杆件，杆件截面为2[32b。以下对挂篮主构件强度、稳定性进行分析。

Z2杆件受轴压力最大(761.1 kN)，压杆长5.06 m。本文只验算Z2杆件。

1)轴向压应力N/A=761 100/0.005 51/2=69.1 MPa＜[145]。

2)压杆稳定性

构件在弯曲面内的细长比λ=5.06/0.126=40.2，弯曲系数φ=0.9。

图2 挂篮主桁架受力示意(单位:kN)

4.2.2 挂篮主桁架作0#块托架牛腿时检算

0#块箱梁悬出墩身部分按底板混凝土厚0.70 m，腹板高4.80 m，宽0.75 m，块件长3.50 m取值，与1#块挂篮相似受力分析可知0#块托架底纵梁对三角牛腿的支点反力如表2。依此算出托架受力状况如图3所示。

表2 主桁架作0#块托架1个牛腿荷载分析

图3 0#块托架荷载图式及内力

菱形主桁架结构平面杆系共5根杆件，杆件截面2[32b。挂篮主构件强度、稳定性分析如下。

1)Z2杆件轴压力411.93 kN，压杆长5.06 m。

4.2.3 计算结果

综上计算结果表明:挂篮主桁架结构无论作为挂篮还是作0#块托架牛腿强度、稳定性均满足规范设计要求。用同样的方法也可验证挂篮的底纵梁、横梁作0#块托架时的强度、稳定性也满足规范设计要求(计算过程略)。

5 结束语

通过对菱形挂篮的设计优化，结合施工现场，特别对＞15 m高的桥墩0#块托架及挂篮应统筹考虑，使主要构件重复使用。不仅从工法上对施工工期、质量安全更可控，而且节约了0#块托架材料的投入，以最小的成本最大限度地满足了现场施工的实际需要。可为今后的挂篮设计提供一定的参考。

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U445.466

A

1003-1995(2012)06-0019-03

2012-01-22;

2012-04-18

张海彬(1972— )，男，吉林长岭人，高级工程师。

(责任审编 王天威)