刚构桥梁悬臂施工挂篮设计及预加载试验研究

郑元勋, 杨培冰

(郑州大学 水利与环境学院 河南 郑州 450001)

刚构桥梁悬臂施工挂篮设计及预加载试验研究

郑元勋, 杨培冰

(郑州大学 水利与环境学院 河南 郑州 450001)

针对具体施工工况进行了挂篮结构设计，并通过预加载试验验证了挂篮的刚度、强度及稳定性.首先利用数值模拟方法对挂篮受力结构及关键锚接部位的安全性进行验证；然后为了减少挂篮拼装组件骨架的非弹性变形，同时进一步检验预加载情况下挂篮结构的强度与刚度是否满足设计要求，通过堆载石子对称地在挂篮结构进行预加载试验；最后通过在挂篮主要受力构件及后锚、前吊杆等关键受力部位布设应变计、位移传感器，对挂篮预加载试验期间的受力及变形情况进行监测，以验证挂篮实际受力性能及确保挂篮施工期间的安全.结果表明，该挂篮设计合理，预加载试验工况下挂篮承载力满足相关要求.

刚构桥梁； 挂篮施工； 挂篮设计； 预加载； 安全监测

0 引言

悬臂施工因其本身具有的一些优点在连续桥梁施工，尤其是在跨公路或铁路线连续桥梁施工中得到了广泛的应用，挂篮作为悬臂施工法中的主要受力结构，其设计的合理性及受力阶段的安全性是保证桥梁施工安全与质量的关键所在[1-3].为了减少挂篮拼装组件骨架的非弹性变形，检验压重下挂篮受力构件的强度与刚度是否满足要求，在挂篮使用之前必须进行预加载试验[4-10].作者首先对挂篮设计的安全性进行计算与分析，然后对预加载工况下挂篮受力结构及关键锚接部位进行受力监测，以验证挂篮实际承载能力，达到在消除挂篮非弹性变形的同时确保挂篮后期施工安全的目的.

1 工程概况

依托工程桥梁跨越高速公路，为避免对交通的影响，采用悬臂挂篮施工法.连续梁全长243.7 m，计算跨度(65+112+65) m，中支点处截面中心梁高8.59 m，跨中10 m直线段及边跨14.85 m直线段截面中心梁高5.39 m，梁底下缘按二次抛物线变化，边支座中心线至梁端距离为0.85 m.梁体为单箱室、变截面、变高度预应力混凝土连续箱梁.箱梁顶宽12.2 m，箱梁底宽6.4 m;顶板厚度40.4 cm，在边支点附近渐变为90.4 cm，在中支点附近渐变为60.4 cm，按折线变化；底板厚度为50～120 cm，按直线线性变化；腹板厚度为60～80 cm,>80～100 cm，按折线变化.

2 挂篮

依托工程桥梁设计块为0～17#段，其中0#段为墩顶现浇段、17#段为边墩现浇直线段.11#梁段重1 737.5 kN，为悬臂部分最重梁段，因此，挂篮设计及预加载试验均以11#段作为加载重量参数进行检算.11#段顶板厚度为40.4 cm，腹板厚度为60 cm，底板厚度由72.9 cm渐变为67.1 cm，梁高由564.5 cm渐变为549.6 cm，翼板厚度为60.4～22.1 cm.11#段横断面如图1所示.

2.1 挂篮结构设计

挂篮形状大致分为三角形挂篮、菱形挂篮、弓形挂篮等，此次悬臂浇筑采用三角形挂篮进行施工.走行方式为无平衡重走行，挂篮由承重系统、模板系统、悬吊系统、走行系统及锚固系统组成.承重三角桁架为挂篮悬浇主要受力构件，下弦杆采用[36b 双槽钢,长11.6 m,前后拉杆采用[32b双槽钢,立柱采用[36b双槽钢.拉杆与下弦杆的连接采用45#号钢Φ90销轴进行连接.前上横梁采用2根56a工字钢，锚固于三角桁架前端，后上横梁采用2根25a槽钢，前下横梁和后下横梁均采用2根45a工字钢，后锚扁担梁采用[22b双槽钢.底板纵梁采用20根22a工字钢，腹板位置采用3根组合鱼腹梁，所有吊杆均采用Φ32精轧螺纹钢，后锚采用Φ25精轧螺纹钢.

2.2 挂篮计算设计荷载

挂篮总重控制在设计限重内(挂篮重量与梁段混凝土的重量比值控制在0.3～0.5).允许最大变形(包括吊带变形的总和)为20 mm；自锚固系统的安全系数为2；浇筑混凝土和挂篮行走时的抗倾覆稳定系数为2.考虑箱梁混凝土浇筑时胀模等的超载系数为1.05；挂篮空载行走时的冲击系数为1.3；挂篮正常使用时采用的安全系数为2;活载分项系数为1.4；恒载分项系数为1.2.箱梁模板每平方米重量取0.25 t；取施工人员、施工料具运输、堆放荷载为3.8 kN/m2;取倾倒混凝土产生荷载为0.2 t/m2；挂篮及模板自重为66 t.

2.3 挂篮计算工况

工况一：挂篮浇筑施工.

挂篮受力由挂篮自重、11#段钢筋混凝土重量、施工荷载三部分组成.挂篮受力荷载按最大节段重量11#段设计，混凝土设计方量65.56 m3，重量173.7 t，挂篮及模板自重66 t，施工荷载12.24 t，设计总荷载304.82 t.主要计算三角桁架、上下横梁及底板纵梁的受力和变形.

工况二：挂篮系统走行.

挂篮移动走行过程中的受力为挂篮自重产生的力矩通过后锚力矩来平衡，安全系数大于2.主要检算挂篮移动过程中的抗倾覆稳定性.

(1)三角形挂篮软件计算 图2～4分别为三角形挂篮的结构变形图、轴力图和支点受力图.结构变形：端部节点变形值为12 mm.杆件内力：7#杆件-763.7 kN，6#杆件-763.7 kN，12#杆件1 056.9 kN，14#杆件1 056.9 kN，23#杆件-1 455.1 kN.各点反力：后锚为754.4 kN，中支点为1 508.8 kN.由Midas Civil 2010计算结果可知：桁架变形值12 mm，满足规范要求；后锚点反力为754.4 kN， 采用16根Φ25精轧螺纹钢作为锚固钢筋，其抗拉强度为830 MPa,抗拉能力为(12.52×π×747×8)/1 000=2 931.98 kN,是后支座平衡力的3.89倍,锚固系统满足规范要求.

(2)后锚固计算 主桁后锚系统用8根Φ25精轧螺纹钢筋进行锚固，每2根精轧螺纹钢筋连接一根后锚扁担梁以平衡挂篮前端受力.后锚扁担梁采用2根[22a槽钢焊接而成，由于主桁架杆件宽度较宽，后锚筋间距较小，后锚扁担梁可按均布荷载计算.

经查[22a槽钢每米重24.999 kg，I=23.9×106mm4，W=21.8×104mm3.根据扁担梁受力可知，后支座处平衡力为754.4 kN，由8根Φ25精轧螺纹钢筋均分.N=754.4/8=94.3 kN，q=2×94.3/0.4+2×0.25=472 kN/m，M=ql2/8=472×4002/8=9.44×106kN·mm,σ=M/2W=9.44×106/(2×21.8×104)=21.7 MPa<1.2〔σw〕=174 MPa ，故强度满足要求.f=5ql4/2×384EI=5×472×4004/(2×384×2.1×105×23.9×106)=0.016 mm<400/400=1 mm,故刚度满足要求.

3 挂篮预加载监测试验研究

3.1 测点布置

为了监测挂篮预加载过程不同工况下(重点关注125%加载工况)的受力情况，在以下关键部位：挂篮前后拉杆、立柱、下弦杆、后锚杆(尤其是第一个后锚杆)、前吊杆、前横梁跨中底部、前下横梁跨中及箱梁腹板作用位置处底部、后下横梁跨中及箱梁腹板作用位置处底部、鱼腹式纵梁跨中底部处布设应变计.考虑到挂篮受力的对称性，测点仅在挂篮一侧布置，重点检测部位测点在两侧布置.测点布置示意图如图5所示,图中矩形标志代表应变计，共布置24个应变计.

监测设备采用武汉华岩电子责任有限公司生产的HY-65B3000B静态应变传感器，先期已完成传感器的标定及设备调试等工作.

3.2 预加载试验方案设计

本次预加载试验通过施加1.25倍最大块重(11#块)的石子作为预加载荷载，以检验挂篮主体结构尤其是承重系统的安全性.

预加载荷载的计算依据为：根据专桥(2009)2267A-Ⅱ图纸11#块，砼重量为65.56×2.65=173.7 t，挂篮和模板设计重量为66 t,恒载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4，施工活荷载取4.5 kPa,施工总活荷载为4.5×6.8×4=122.4 kN=12.24 t，总重为304.82 t，后吊带F2受力按50.5%计，得1 539.325 kN，前吊带F1受力按49.5%计，得1 508.843 kN.

为保证预加载安全，加载过程分为6步，分别为加载荷载的20%，50%，75%，90%，100%及125%，重点对100%及125%加载情况下的挂篮结构进行受力分析.

考虑到制图方便，绘图时用阿拉伯数字代表具体测点位置，阿拉伯数字代表的测点位置见表1.

注：1.N1杆所受压力远小于N3立柱，所以计算N3杆受力，如果N3能满足设计要求，则N1也能满足设计要求；2.括号内的数值表示稳定性验算的应力值(考虑长细比的影响)；3.零载加载时各构件受力为零.

3.3 预加载试验数据分析

经过对预加载检测结果进行初步分析发现，挂篮及悬挂系统、锚固系统受力均在规范允许范围之内，说明该挂篮主梁抗弯能力等均满足设计要求，且具有一定的安全储备.挂篮预加载工况下具体受力情况如表1所示.

对比计算值和实测值发现两者存在一定的差异，分析其原因为：① 计算荷载和实际预加载荷载存在一定差异；② 计算时采用的计算模型是在基于相关假设的基础上进行的；③ 工作环境及设备测试精度的影响，但该原因导致的测试结果偏差较小，能满足实际工程的需要.

图6为实测值与计算值的对比，可以发现，实测值普遍高于计算值，差异较大的测点为前下横梁跨中处和后下横梁跨中处(差值大于50%以上)，造成这两个测点实测值和计算值差值较大的原因主要在于预加载方式异于挂篮实际受力情况，预加载是通过在箱梁模板内堆积相当于最大节段箱梁重量的石子，来模拟挂篮施工中的实际受力情况，两种受力情况最大的差异在于实际挂篮施工(主要是混凝土浇筑过程)中腹板处挂篮承重结构受力较大，但预加载的加载方式导致挂篮中部受力较大，所以会产生预加载情况下前下横梁跨中处和后下横梁跨中处较挂篮施工中实际产生的内力要大.

图7为实测值与规范允许值的对比，可以发现，预加载情况下挂篮主要受力构件的实际受力情况均小于规范规定的最大允许应力值，且有较大的安全储备.

Fig.6 The contrast of measured values and calculated values

Fig.7 The contrast of measured values and permissbile values

4 结论

(1) 基于Midas的数值计算结果表明：挂篮设计符合相关规范要求，具有较高的安全储备；利用数值模型计算验证挂篮的受力安全是确保挂篮设计安全的有效方法.

(2) 预加载试验大致模拟了挂篮实际施工状态下的受力状态，检验了挂篮主要承重结构的安全性.挂篮预加载试验检测结果表明，结构各项应力值均在规范控制值范围之内，且具有一定的安全储备，说明该挂篮主梁抗弯拉能力等满足设计要求.

(3) 鉴于预加载试验挂篮的受力状态与实际施工时的受力状态存在一定差异，同时由于理论计算值是在基于相关假设的前提下进行的，因此，实测值和计算值存在一定的差异，尤其是在一些检测点(前下横梁跨中和后下横梁跨中)处差异较大，这主要是由于荷载加载方式不同造成的，但不论实测值还是计算值均满足设计要求.

(4) 该挂篮设计方法、预加载实施及安全监控方案适用于类似工程的挂篮设计及预加载试验监测，研究成果具有一定的理论价值及现实意义.

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(责任编辑：孔 薇)

The Design of Hanging Basket and Study of Pre-loading Test of Rigid Frame Bridge

ZHENG Yuanxun, YANG Peibing

(SchoolofHydraulicsandEnvironment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001，China)

The hanging basket structure was designed in the light of construction condition, and the stiffness, strength and stability of hanging basket were verified by using pre-loading experiment. The safety of hanging basket forced structure and key anchoring components were verified by numerical calculation. In order to reduce the inelastic deformation of hanging basket assembly skeleton, and check if the stiffness and strength could meet the design requirement under pre-loading condition, the pre-loading experiment was performed by pile-loading gravel symmetrically on hanging basket structure. To verify the actual mechanical property and ensure the safety of hanging basket during construction period, the stress and deformation of hanging basket under pre-loading condition were monitored by laying the strain and displacement gauges on the main stress components, back anchor and former suspender of hanging basket . The results showed that the design of hanging basket was reasonable, and its bearing capacity could meet the design requirements under the pre-loading condition.

rigid frame bridge; hanging basket construction; hanging basket design; pre-loading; safety monitoring

2015-07-05

中国博士后面上基金资助项目，编号79439；河南省交通运输厅科技攻关项目，编号2013-12-12;河南省交通运输厅科技项目，编号2014K37-2.

郑元勋(1978—)，男，河南驻马店人，副教授，博士，主要从事结构耐久性、结构监控与检测研究，E-mail:yxzheng@zzu.edu.cn.

郑元勋，杨培冰.刚构桥梁悬臂施工挂篮设计及预加载试验研究[J]．郑州大学学报：理学版，2015，47(4)：108-112.

U446.1

A

1671-6841(2015)04-0108-05

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.04.021