超大悬臂箱梁的施工挂篮构造设计及受力分析

丁延书 罗 浩 宋旭明 赖明苑

1. 中交第一公路工程局有限公司 北京 100024；2. 中南大学土木工程学院 湖南 长沙 410075

矮塔斜拉桥是一种介于连续（刚构）梁桥与斜拉桥之间的桥型，与连续梁桥相比，具有结构新颖、跨越能力大、施工简单、经济等优点；与斜拉桥相比，具有施工方便、节省材料、主梁刚度大等优点。由于矮塔斜拉桥塔矮、梁的刚度较大，对控制塔顶水平位移及梁的变位较为有利，在150～350 m跨径的桥梁中极具竞争力，近年来受到国内外工程技术人员的广泛关注[1-2]。

温州瓯江特大桥为三塔四跨预应力混凝土矮塔斜拉桥，采用塔、梁、墩固结-刚构体系。主桥全长710 m，孔径布置为140 m＋2×225 m＋120 m。主梁采用变高度斜腹板单箱三室断面，顶板宽36.0 m，悬臂长7.0 m。跨中梁高3.8 m，根部梁高6.8 m。悬臂板下设置加劲挑梁，间距3～4 m。瓯江特大桥桥面宽、悬臂大，节段最大质量达460 t，对悬浇过程中施工挂篮的强度、刚度和稳定性均提出了极高的要求。为了确保施工过程的安全，在挂篮方案选择、构造细节优化等方面都进行了相关研究和探讨。

1 大悬臂箱梁挂篮方案选择

挂篮通常由主桁架系统、悬吊及锚固系统、模板系统、底平台系统、走行系统以及操作平台等附加系统组成。挂篮设计的主要控制指标为挂篮的总用钢量与最大块件质量之比值K。K值一般控制在0.3～0.5，K值越低，表示挂篮承重构件的受力越合理，使用材料较节省。由于挂篮结构的优化和挂篮材料的可选性越来越大，近年来挂篮质量呈不断下降的趋势[3-5]。

矮塔斜拉桥主梁支点及跨中均存在较长的无索区，常规斜拉桥采用的前支点挂篮不适合采用。目前国内常用的菱形挂篮和三角挂篮均具有结构简洁、受力明确、整体刚度大、移动方便等优点[6-8]，因此，对这2种挂篮形式进行了方案比选。菱形挂篮是在平行桁架式挂篮的基础上简化而来的，其上部为菱形，前面的伸臂作为底模平台和侧模前移的滑道，菱形结构后端锚固于箱梁顶板，无平衡压重，对后续节段施工过程干扰少，受力合理，自重较轻。三角形挂篮与菱形挂篮相比结构简单、拆装方便，降低了前横梁高度，挂篮重心位置也大大降低，增加了挂篮走行时的稳定性和前吊带长度，但立柱受力较大[9]。考虑到菱形挂篮对施工过程的干扰少、构件受力合理等特点，瓯江桥选用了菱形挂篮（图1）。

图1 挂篮立面布置

瓯江特大桥箱梁共设4道腹板，每道腹板处均布置1片挂篮主桁架。由于箱梁悬臂长度达7.0 m，如采用普通的前上横梁将很难满足刚度要求，挂篮设计过程中分别考虑了采用斜拉式横梁和桁架式横梁2种方式。斜拉式横梁构造简单，用料较省，但是在施工过程中重心高，稳定性不容易保证，最终选择了桁架式前上横梁作为实施方案（图2）。

图2 挂篮断面布置

2 挂篮构造设计

2.1 主桁架系统

主桁片是由普通热轧槽钢组成的□40 mm×30 mm×16 mm方形截面杆件。菱形桁架杆件和箱体分开制作，在工厂焊接成组焊件，节点采用销接。桁架运输到现场后，根据现场吊装设备能力大小，既可以组拼成整体后吊装到位，也可以根据组装顺序分开吊装到位。

2.2 悬吊系统

悬吊系统包括前上横梁、滑梁、吊带。前上横梁为型钢组拼形成的桁架结构，通过吊带与底平台连接。主横梁为双拼56b#工字钢，加强桁架为双拼32b#槽钢。滑梁也为型钢结构，通过连接吊杆与前上横梁及已浇筑混凝土箱梁顶板连接。悬吊装置主要由吊杆、吊具和T形吊架等部分组成。吊杆采用φ32 mm高强精轧螺纹筋（后锚点）或者钢板吊带（除后锚点）。由于连续梁为变截面不等高梁，为了保证吊杆的垂直受力，避免受弯折破坏，在吊杆和下横梁的连接处专门做了保证节点可以转动的连接转换构件T形吊架。

2.3 锚固系统

后锚由扁担梁、锚杆、螺帽、垫块等部分组成，上端通过扁担梁锚于主梁尾部，下端通过精轧螺纹钢锚固于已浇筑箱梁上，后锚采用在顶板和翼缘板上预留孔锚固。单片挂篮主桁的后锚共设6根φ32 mm精轧螺纹钢。

2.4 模板系统

挂篮模板系统由内模、外侧模、底模组成。内模采用木模，其余均采用钢模板。外模由型钢和大块平面钢模板组成桁架式模板，翼缘悬臂模板和腹板外侧模为一个整体，并采用斜撑加强。底模架的纵梁采用HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，底模架的前后横梁由2根45b#工字钢组焊而成，挂篮的前后吊点均设在前后横梁上。前横梁设14个吊点，其中4个为外模走行梁前吊点，10个为底模前吊点。后横梁设10个吊点，其中8个固定在底板上，2个固定在箱梁翼缘板上。

2.5 走行系统

整个桁架结构支撑在由型钢加工而成的前支点、后支点上，每组主梁的支点下设一套走行系统。走行系统包括行走轨道、滑座、吊挂滚轮、轨道压梁、轨道垫梁等。每组主梁通过1根φ32 mm精轧螺纹钢将前端锚固于行走轨道上，后端采用600 t穿心式千斤顶施加反力推动挂篮前移。

3 挂篮结构计算和受力分析

利用Midas Civil有限元软件建立挂篮结构的空间有限元计算模型（图3）。通过建立的三维有限元模型，分别对施工过程中的混凝土浇筑工况和挂篮行走工况进行计算，得到各构件的内力、应力及变形，并依照相应规范进行结构的强度和刚度校核。

图3 挂篮有限元计算模型

根据梁段长度、质量、梁高等参数，按以下2种工况进行计算：

1）1#梁段混凝土灌注工况，此工况梁段高度最大、混凝土质量较大。

2）3#梁段混凝土灌注工况，此工况梁段长度最大、混凝土质量最大。

悬浇阶段主要杆件最不利工况计算结果如表1所示。

表1 悬浇阶段挂篮计算结果

从表1可以看到，悬浇阶段挂篮各构件应力均在规范容许范围内，挂篮抗倾覆安全系数为3.13，也满足规范要求。虽然箱梁悬臂达7.0 m，但由于前上横梁加设了辅助桁架，故其应力、变形都能控制在规范容许范围内。

挂篮行走时，前端通过前吊带、滑梁吊杆把底篮、翼板模板吊在前上横梁；后端通过外滑梁吊住后下横梁，翼板、顶板模板后端锚固于己浇筑完的箱梁上。行走过程中后下横梁两端精轧钢最大跨径为23.2 m，中间由2根底托梁托住。内外滑梁为一简支梁，随挂篮的行走跨径不断变化。内滑梁支承顶板模板、外滑梁支承侧模。挂篮行走工况主要构件检算结果如表2所示。

表2 挂篮行走工况计算结果

从表2可以看到，挂篮行走阶段各构件应力均在规范容许范围内，抗倾覆安全系数为3.51，满足规范要求。

挂篮在悬浇过程中的最大变形为17.8 mm，小于规范容许值20 mm。值得注意的是，悬浇过程中挂篮后锚杆受力较大，长度达2.5 m，其受力后产生的拉伸变形将使得挂篮主桁架绕前支点转动，桁架前端将产生较大的位移量。瓯江特大桥挂篮考虑后锚杆的变形后，桁架前端的竖向位移量增大了约45%，对结构刚度的检算有重要影响。此外，计算表明，如果挂篮后锚杆沿纵向布置比较分散，还应考虑各锚杆纵向位置对其受力的影响，避免出现各锚杆受力不均而使得某些锚杆受力过大失效的现象。

菱形挂篮前吊带较长，瓯江特大桥挂篮吊带上下端的竖向位移差约为4 mm，调整吊带位置使各吊带受力均匀并加大吊带截面尺寸也是控制挂篮整体刚度的重要手段。瓯江特大桥采用了120 mm×50 mm和120 mm×40 mm这2种吊带形式。

瓯江特大桥挂篮总质量约170 t，挂篮的总用钢量与最大块件质量之比K为0.37，挂篮的承重构件设计合理，使用材料较节省。施工过程中实测挂篮最大弹性变形为18.6 mm，与设计值吻合良好。

4 结语

矮塔斜拉桥大悬臂箱梁对施工挂篮的强度、刚度和稳定性要求极高，瓯江特大桥在挂篮设计过程中通过多方案比选和对构件尺寸的优化，取得良好的应用效果，可为同类型桥梁施工提供参考。在大悬臂箱梁施工挂篮的设计过程中，以下几方面应引起重视：

1）菱形挂篮对后续节段施工过程干扰少，受力合理，自重较轻；三角形挂篮结构简单，拆装方便，重心低，行走过程中稳定性好。实际施工过程中应根据工程特点进行综合比选以确定合适的挂篮方案。

2）在前上横梁下加设辅助桁架，可有效地加大其承载能力和刚度，满足大悬臂箱梁节段在浇筑过程中前上横梁的应力和变形要求。

3）在挂篮刚度检算过程中，必须注意后锚杆受力后产生的拉伸变形引起的桁架前端位移量，避免施工过程中挂篮变形过大而影响结构成桥线形和出现初始缺陷。

4）若挂篮后锚杆沿纵向布置间距比较分散，应考虑其纵向位置对受力的影响，避免因各锚杆受力不均而使得挂篮锚固失效的情况发生。