复杂环境重载铁路大节段大吨位挂篮设计

胡启军/中铁建大桥工程局集团第六工程有限公司



复杂环境重载铁路大节段大吨位挂篮设计

胡启军/中铁建大桥工程局集团第六工程有限公司

【摘 要】针对重载铁路连续刚构桥具有墩高、节段长、重量大等特点，位于大风区且必须冬季施工，给挂篮设计、施工带来了极大难度，挂篮设计过程中既要满足受力、保温要求，又要方便挂篮的行走，且不影响挂篮标高控制及内部保温。本文通过数值模拟、理论计算与现场测试结合的方式，针对本桥特点自行研制了抗风性能较强的自行式新型挂篮，采用新型滑移系统装置作为挂篮前移装置，方便挂篮前移。保温方面设计了移动式保温棚进行包裹提高内部施工温度。

【关键词】高墩大跨连续刚构桥；挂篮；保温棚；监控

1.前言

目前，高墩大跨连续刚构桥基本采用悬臂浇筑的方式施工，在桥墩较高的情况下，刚构在悬臂施工过程中，挂篮的振动响应将会影响到刚浇注完成的混凝土的初凝、终凝以及尚未达到标准强度的混凝土的养护，进而使得结构的混凝土达不到设计要求的强度值，甚至使结构在施工阶段就出现裂缝。同时，挂篮过大的抖振会危害到一些机械的使用及安全性能以及在结构上工作人员的安全。因此针对低温大风高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥的悬臂施工过程的特点，对此状态下的带防护棚挂篮的抗风性能分析具有重要的意义。

2.工程概况及特点

大沙沟特大桥为煤炭运输专用线重载铁路控制性工程，桥跨结构为10～32m简支T梁，两联（60+3×100+60）m预应力混凝土连续梁位于10#墩～20#墩，其中10#墩～15#墩为第一联，15#墩～20#墩为第二联，其中12#、13#、17#、18#为刚构墩。

大桥地处区域属大陆季风气候，冬季漫长，温差较大，干燥多风，大风出现期较长，主要出现在10月份至来年5月，年平均风速1.8～3.4m/s，最大风速( 瞬时) 29.7m/s，年极端最高气温37.9.℃，极端最低气温－40.4℃。大沙沟特大桥最高墩高达106 m，地面与墩顶温差高达10度。连续刚构跨度较大，施工安全风险高。根据工程所在地多年气候条件，为加快施工建设，尽可能地缩短工期，提高整体的经济效益，连续梁需进行冬季施工。

3.带保温棚挂篮的抗风设计

3.1挂篮抗风计算

3.1.1模型建立。

由于挂篮内模及外模系统的荷载主要作用在各自的导梁上，因此建模过程中对实际结构做如下简化：将挂篮内模及外模系统换算成相应荷载均布在各自导梁上，忽略各杆件间的螺栓孔、销孔及工艺槽等对分析结构影响不大的微小结构，忽略各连接处筋板的作用，不考虑焊缝处材料特性的变化，认为焊缝处材料与相邻结构的材料性能形同，杆件间销轴连接采用释放梁端约束模拟，杆件采用梁单元模拟。

有限元分析模型如下：

图1　带防护棚挂篮有限元模型

3.1.2结构受力结果分析。

图2　结构位移图

图3　结构应力图

结构最大横向位移18.9mm，结构最大拉应力140.3mPa，最大压应力176.6mPa。

计算得到板单元最大压应力70.9mPa，结构最大弯矩310.5kN*m，最大轴力1481.9kN，结构最大反力1481.9k。结构一阶稳定系数23.9，二阶稳定系数26.2，三阶稳定系数26.6。故结构在风荷载、雪荷载、防护棚等附加荷载作用下，稳定性满足要求。

然后采用非线性接触分析方式对销轴及节点板局部接触应力计算分析，模拟结构图如下所示：

图4　销轴及节点板计算模拟结构图

图5　销板接触应力图

图6　销板接触应力图2

节点板及杆件局部接触锐角边处极值达到250mPa，大于Q235钢材质屈服点235mPa，实际应用中可能有轻微塑性变形。

根据以上验算结果，在大风、低温条件下挂篮设计采取的结构加强措施可行，挂篮各杆件及防护棚受力数值均在容许范围内，满足使用要求。

3.2挂篮应力监控

通过对受力最大节段的实际监控，得出挂篮主要部位结构受力的实际受力值，通过与理论计算结果进行对比，绘制曲线结果如下图：

图7　中立杆端部应力变化图

图8　前斜杆端部应力变化图

图9　上平杆端部应力变化图

图10　左侧中吊带应力变化图

根据监控数据与理论数据对比分析，可知在腹板浇筑完成后，结构所受应力增加不大，在浇筑完成15小时后，结构所受应力略有减小，说明钢筋砼参与共同受力，在理论计算时，没有考虑钢筋砼共同作用。挂篮主桁架型钢、挂篮吊带、防护棚等构件所受力均低于型钢抗拉强度，满足使用要求。

4.移动式保温棚的设计

节段外侧采用移动式保温棚，保温棚采用型钢焊接，通过桥面翼缘板上的钢轨可整体移动。桥面上为方便人员及小型运输设备通行，设置门形框架，桥面下为U型骨架。

5.重载铁路施工线形监控

为了确保成桥线形及内力符合设计及规范要求，必须进行桥梁施工过程的监控。在施工过程中根据施工监测的成果对误差进行分析、预测及调整后续梁段的立模标高，以确保施工过程中结构的可靠度和安全，确保合拢精度和体系转换的顺利进行，最终使成桥后的桥面线形、内力符合设计要求、满足设计理念。

5.1主梁的线性检测

主梁线形控制主要依靠施工控制计算和箱梁各节段挠度及标高控制来完成，箱梁挠度及标高控制则通过对梁顶、梁底标高进行观测，再结合理论控制计算结果达到控制目的。建立相应的施工控制测量网，通过对施工过程中每一梁段标高实施监测，监测施工过程中箱梁轴线位置的变化情况，以保证悬臂施工的悬臂合龙平面误差控制在设计要求和规范允许的范围之内。

5.2主梁应力监控

大沙沟特大桥应力测试断面的选择考虑以下因素：①结构受力的关键截面；②施工流程；③本桥自身特点；④结构的对称性。

5.3温度应力场监测

环境温度的测量采用电子温度计，每一联设置3个截面：中跨1/4截面、1/2截面，边跨1/2截，温度场的测量采用JTM-T4000型温度计进行测试。

由于混凝土结构的热传导性能较差，周围环境温度的变化和阳光照射不同等原因使其表面温度和内部温度形成较大的温度梯度。温度测点的布置将要反映这种梯度的变化。主梁温度场设选择气温变化较大的一天进行全天测试。每隔2个小时测试一次，分析温度场随气温变化的规律；在合拢时，对温度场进行一次全天测试。

6.结论

（1）针对低温、大风、高墩、大节段预应力混凝土连续刚构桥带防护棚挂篮的抗风分析，通过改进挂篮设计，减小了挂篮的振动响对刚浇注完成的混凝土的初凝的影响，自动前置装置方便了施工，增加了挂篮上机具与工作人员的安全性。

（2）对于低温大风区高墩大节段、大吨位挂篮展开抗风性能及保温措施的研究，对于提高我国高墩大跨度桥梁的发展有着十分重要的意义。本研究成果可应用于高墩大跨连续刚构桥梁施工中，将对减少高墩大跨刚构桥悬臂施工风险以及提供保障冬季施工温度的合理建议，其应用领域可推广其它同类型的桥梁。

（3）通过对大节段、大吨位挂篮实施施工监控，对结构在施工过程中的受力和位移状态进行了有效的控制，使桥梁结构始终处于安全的可控状态。

参考文献：

[1]《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50－2011.

[2]《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T D60-01-2004.

[3]《钢结构设计规范》GB 50017-2003.

[4]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）.

[5]TB10201-2007，铁路隧道监控量测技术规程[S].